一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统，其中，石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的参考地层和谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜，谐振结构可以是通过激光雕刻机在参考地层上雕刻而成。石墨烯宏观薄膜具有优良的机械柔性、导电性和导热性，且耐高温，抗腐蚀性好。其在机械形变下能表现出极好的电学稳定性，对于复杂环境具有非常好的适应性，更加易与待测金属共形。与待测金属共形。与待测金属共形。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统


[0001]本专利技术涉及金属检测
，特别涉及一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统。

技术介绍

[0002]金属具有导电性好、导热性好、硬度大、熔点高等诸多优点，被广泛的应用于各个领域中。金属结构通常会受到外界因素的影响，而产生疲劳裂纹等缺陷，进而会对工程结构的安全性产生极大的威胁。对金属结构进行结构健康监测是非常重要的一个环节。疲劳裂纹是金属结构损伤中最常见的缺陷形式。因金属结构失效而发生的灾难性事故不在少数。因此，这是十分必要的对金属结构安全情况进行周期性的探测和及时发现疲劳裂纹的出现。
[0003]出现在超材料研究中的开口谐振环、互补开口谐振环等结构构成的射频传感器被提出用于金属表面裂纹的检测。这些谐振结构具有非常好的电磁场束缚特性，对亚毫米裂纹的灵敏较好，且能够较为精确的定位裂纹位置。用于金属裂纹检测传感器均是采用金属和刚性基底设计制作的，柔性差，不适用于曲面等复杂金属结构检测。实际上，金属结构弯曲部分最容易发生崩坏，最容易产生疲劳裂纹，因此如何保证传感器能够与弯曲金属结构共形是一个值得研究的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统，其能够改善上述问题。
[0005]本专利技术的实施例是这样实现的：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其包括：
[0007]参考地层和谐振结构；所述参考地层中心位置设置有镂空区域，所述镂空区域内设置有所述谐振结构；
[0008]所述参考地层和所述谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜。
[0009]所述参考地层和所述谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜。
[0010]可以理解，本专利技术公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，谐振结构可以是通过激光雕刻机在参考地层上雕刻而成，即谐振结构与参考地层一体成型。石墨烯宏观薄膜具有优良的机械柔性、导电性和导热性，且耐高温，抗腐蚀性好。其在机械形变下能表现出极好的电学稳定性，对于复杂环境具有非常好的适应性，更加易与待测金属共形。
[0011]在本专利技术可选的实施例中，所述谐振结构包括：第一环形结构、第二环形结构、第一连接结构、第二连接结构和接地结构；
[0012]所述第二环形结构设置于所述第一环形结构的轮廓内；所述第一环形结构被第一开口断开，形成第一端头和第二端头；所述第二环形结构被第二开口断开，形成第三端头和第四端头；
[0013]所述第一连接结构连接所述第一端头和所述第三端头，所述第二连接结构连接所述第二端头和所述第四端头，所述第一连接结构还通过所述接地结构与所述参考地层连接。
[0014]可以理解，本专利技术公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其参考地层上设置的谐振结构包括嵌套设置的两个带有开口环形结构，两个环形结构的两端分别通过各自连接结构连接，其中一个连接结构通过接地结构与参考地层连接。与传统谐振结构相比，增加了电流路径，引入了等效电感，可以实现在保证检测灵敏度的同时，降低传感器的工作频率。
[0015]在本专利技术可选的实施例中，第一环形结构和第二环形结构为圆环形结构。电流分布更接近于环形，能够提高传感结构和参考地相连接方向的检测灵敏度。其中，第一环形结构的圆心和第二环形结构的圆心重合设置。
[0016]在本专利技术可选的实施例中，所述第一连接结构和所述第二连接结构呈直条型结构。其中，所述第一连接结构的一端与所述接地结构连接，所述第二连接结构的另一端伸入所述第二环形结构的轮廓内；所述第二连接结构的一端与所述第二端头连接，所述第二连接结构的另一端伸入所述第二环形结构的轮廓内。其中，所述第一连接结构和所述第二连接结构插入所述第二环形结构的长度相等。
[0017]在本专利技术可选的实施例中，所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器还包括与所述参考地层层叠设置的介质基底层，所述介质基底层背离所述参考地层的表面设置有微带线；所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器还包括设置于所述介质基底层相对两侧面的第一接头和第二接头；所述第一接头与所述参考地层和所述微带线的第一端连接，所述第二接头与所述参考地层和所述微带线的第二端连接。
[0018]其中，第一接头和第二接头可以是超小型A版(SubMiniature version A，SMA)接头。本专利技术通过采用SMA接头实现了石墨烯柔性金属裂纹检测传感器与后续的矢量网络分析仪稳定连接，保证了检测数据传输的准确性。
[0019]第二方面，本专利技术公开了一种金属裂纹检测传感系统，包括如第一方面任一项所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和矢量网络分析仪；所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的所述参考地层上放置待测金属；所述矢量网络分析仪的电磁信号输出端通过第一信号连接线与所述第一接头电连接，所述第二接头通过第二信号连接线与所述矢量网络分析仪的电磁信号输入端电连接；
[0020]所述矢量网络分析仪通过所述激励电磁信号输出端向所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器发出激励电磁信号，使得载有所述待测金属的所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器产生谐振，所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器通过所述第二接头向所述矢量网络分析仪传输反馈电磁信号。
[0021]可以理解，所述矢量网络分析仪通过分析所述反馈电磁信号计算得到载有所述待测金属的所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的当前谐振频率；在所述当前谐振频率小于标准谐振频率的情况下判断所述待测金属存在裂纹。其中标准谐振频率即待测金属不存在裂纹的情况下，载有所述待测金属的所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的谐振频率。即石墨烯柔性金属裂纹检测传感器测到待测金属存在裂纹时，当前谐振频率会发生明显偏移。
[0022]具体的检测原理如下：矢量网络分析仪给石墨烯柔性金属裂纹检测传感器提供一个宽频的矢量信号，该信号经由微带线耦合到谐振结构。谐振结构和正上方的待测金属相互耦合，当检测到待测金属中存在裂缝时，石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的谐振频率会发生明显偏移。在整个检测过程中，由于参考地层和待测金属没有接触，因此不会对待测金属引入新的缺陷，从而达到无损检测的目的。
[0023]在本专利技术可选的实施例中，所述参考地层上朝向所述待测金属的表面上还设置有绝缘保护层。
[0024]可以理解，该绝缘保护层可以进一步保证参考地层和待测金属没有接触，避免对待测金属引入新的缺陷。
[0025]此外，还可以在待测金属表面涂布保护涂层，通过涂覆保护涂层可以有效避免所述参考地层与待测金属直接接触。
[0026]有益效果：
[0027]本专利技术公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其中，参考地层和谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜，谐振结构可以是通过激光雕刻机在参考地层上雕刻而成。石墨烯宏观薄膜具有优良的机械柔性、导电性和导热性，且耐高温，抗腐蚀性好。其在机械形变下能表现出极好的电学稳定性，对于复杂环境具有非常好的适应性，更加易与待测金属共形。
[0028]此外，本专利技术公开的石墨烯柔性金属裂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，包括：参考地层和谐振结构；所述参考地层中心位置设置有镂空区域，所述镂空区域内设置有所述谐振结构；所述参考地层和所述谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜。2.根据权利要求1所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，所述谐振结构包括：第一环形结构、第二环形结构、第一连接结构、第二连接结构和接地结构；所述第二环形结构设置于所述第一环形结构的轮廓内；所述第一环形结构被第一开口断开，形成第一端头和第二端头；所述第二环形结构被第二开口断开，形成第三端头和第四端头；所述第一连接结构连接所述第一端头和所述第三端头，所述第二连接结构连接所述第二端头和所述第四端头，所述第一连接结构还通过所述接地结构与所述参考地层连接。3.根据权利要求2所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，第一环形结构和第二环形结构为圆环形结构。4.根据权利要求3所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，第一环形结构的圆心和第二环形结构的圆心重合设置。5.根据权利要求2所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，所述第一连接结构和所述第二连接结构呈直条型结构。6.根据权利要求5所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，所述第一连接结构的一端与所述接地结构连接，所述第二连接结构的另一端伸入所述第二环形结构的轮廓内；所述第二连接结构的一端与所述第二端头连接，所述第二连接结构的另一端伸入所述第二环形结...

【专利技术属性】
技术研发人员：何大平，管慧娟，杨应平，宋荣国，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：