一种基于微带天线的疲劳应变传感器的制作方法

本实用新型涉及一种应变传感器，尤其涉及一种基于微带天线的疲劳应变传感器。

背景技术：

金属结构在现代的机械设备和土木工程等领域中的使用量极为庞大。大型金属结构常年工作或者暴露在恶劣的环境中，并长期承受重载及疲劳载荷，难以避免地会产生一定程度的应变。当应变增大到材料的弹性范围时，会使结构产生不可逆转的变形，造成钢结构的承载能力和抗疲劳性能降低，为设备的安全持续运行带来隐患，甚至酿成极其严重的后果。因此，需要一定的技术手段提前对结构关键部位的应变进行实时监测，并采取相应的预防措施。现有的应变测量技术主要有光纤光栅、应变仪、压电陶瓷等，光纤光栅易于损坏，而且比较昂贵；压电元件脆性大，不易埋入结构。

目前现有的有线传感器线缆布置比较麻烦，运用在运动部件或旋转机构上时，有线传感器的使用就会受到很大的限制；普通的无线传感器虽然可以回避线缆布置问题，但需要用到集成电路和电源，完成信号的接收、发送甚至是处理，这就会给传感器的使用环境、使用寿命带来很大的限制。

随着结构健康监测技术的发展，传感器的性能和结构形式也越来越重要，无源、无线、体积小、结构简单等特点也逐渐成为传感器的发展趋势。这些优势会给传感器的安装、阵列布置和维护带来很大的便利。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种检测效果好，并可以从而减少对测量仪器的要求的基于微带天线的疲劳应变传感器。

本实用新型所采用的技术方案为：一种基于微带天线的疲劳应变传感器，包括导体贴片、介质基片，所述导体贴片安设在介质基片上，其特征在于：所述导体贴片包括腹板和安设在腹板两侧的翼板，所述翼板的宽度大于腹板的宽度。

按上述技术方案，还包括金属接地板，所述介质基片与金属接地板相连。

按上述技术方案，所述翼板对称设置在腹板的两侧。

按上述技术方案，在翼板的两外侧靠近腹板的下端部对称设置成光滑过渡的曲面状。

按上述技术方案，所述翼板的长度为5-20mm，宽度为8-12mm。

本实用新型所取得的有益效果为：本实用新型通过改变导体贴片的形状，即通过将翼板的宽度大于腹板的宽度，可以实现对检测的应变结果进行放大，且通过改变腹板的长度可以将传感器的应力应变输出结果进行不同程度的放大，使传感器的在一定的总体尺寸条件下工作频率变小，或者在同样的工作频率下具有更小的工作频率。因此，其检测效果更好，同时也可以从而减少对测量仪器的要求。

附图说明

图1为本实用新型的结构图。

图2为本实用新型中导体贴片的结构示意图。

图3为本实施例中具体实例的S11(应变灵敏度)仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1、2所示，本实施例提供了一种基于微带天线的疲劳应变传感器，包括导体贴片1、介质基片2，导体贴片1采用铜、银、金等导电性比较好的材料，通过腐蚀、光刻、强力胶水粘贴的方式覆盖在介质基片2的一个表面。所述的介质基片2采用已知介电常数的绝缘材料(其厚度要远小于传感器的工作波长)，包括：聚酰亚胺、聚四氟乙烯、环氧树脂等。所述导体贴片1包括腹板5和安设在腹板两侧的翼板4，所述翼板4的宽度大于腹板5的宽度，所述翼板4对称设置在腹板的两侧。

当被测对象为金属时，本实用新型的疲劳应变传感器可以不设置有金属接地板层，当被测对象为非金属时，本实用新型的疲劳应变传感器还包括金属接地板3，所述金属接地板3为铝板、钢板、铜板中的一种。

本实施例中，在翼板4的两外侧靠近腹板的下端部对称设置成光滑过渡的曲面状6，既增加了贴片边沿和接地板之间的辐射场，也保证了贴片边缘有更好的粘贴效果。其中，优选，所述翼板的长度为：5-20mm，宽度为8-12mm。

所述传感器的参考中心频率与传感器相关参数的关系如下列公式所示：

式中，f_res表示谐振频率(f₀₁和f₁₀分别表示TM₀₁和TM₁₀工作模式下的谐振频率,其中,TM01和TM10分别表示传感器工作于第(0，1)模和(1，0)模；(0，1)模和(1，0)模代表传感器的两种模序)；ε_re为有效介电常数；c为光速；L_e和w_e分别为电流长度和电流宽度(在理想无裂缝情况下分别与贴片的几何长度、宽度相同，当分别取L和W时，对应于f₀₁和f₁₀)；ΔL_OC为线延伸长度；L和W分别为导体贴片的几何长度和几何宽度；ε_r为介质基片的介电常数；h为介质基片的厚度。Δw_oc为线延伸宽度。

所述的计算公式是矩形导体贴片谐振频率计算的专用公式，针对导体贴片1只能起到一定的参考作用，用于确定传感器工作频率的大致范围。其原理为：当导体贴片为矩形时，其表面的电流长度L_e等于贴片的几何长度L，将导体贴片改进为贴片1时，电流会沿着贴片1的表面进行流动，贴片边缘的电流会沿着贴片轮廓(翼板和腹板的轮廓边缘)进行流动，导致长度方向的电流长度L_e将大于L，根据传感器谐振频率计算公式，L_e增大，f_res会减小。

本实用新型改变了导体贴片的形状，参照上述疲劳试样的设计理念，可以对结构产生的应变输出值放大，而且在结构应力集中处不便安装传感器时，可以安装在其周围区域，同样可以达到应变监测效果。目前的微带天线应变传感器中，当贴片尺寸设计的比较小时，传感器的谐振频率会比较大，对矢量网络分析仪的扫频范围及性能要求增大，增加了仪器的使用成本。同时本设计也结合了天线的小型化设计与曲流技术，对天线贴片进行改进，使其与总体尺寸相同的矩形贴片相比，具有更小的谐振频率，从而减少对测量仪器的要求。这种传感器具有无源、无线、结构简单、体积小、剖面薄、可与结构表面形成共形等优点，还可以通过传感器的阵列布置实现对结构应变的大范围监测。

具体实例：

本实施例所述的新型微带天线中介质基片2材料选用聚乙烯(polyethylene)，尺寸(长×宽×厚)为100mm×50mm×0.3mm，介电常数为2.25；导体贴片1的材料为铜，尺寸(长×宽×厚)为40mm×30mm×0.05mm，L为40mm，W为30mm，L₀为20mm，中间腹板的宽度为10mm，第一级翼板宽度为30mm，第二级翼板宽度(收窄端)为20mm；金属接地板3材料选择铝，尺寸(长×宽×厚)为100mm×100mm×4mm。金属接地板3、介质基片2、导体贴片1都通过强力胶水进行粘接，并且应使粘结层的厚度尽量变量薄。通过向传感器发送微波调频信号并接收从传感器反射回来的后向散射信号，从后向散射信号中提取传感器的谐振频率，并与初始值进行对比，获得应变的大小。

如图3所示，是该传感器在无应变和有1％应变条件下的S11曲线图，该传感器的应变灵敏度为1.2KHz/με。