本发明涉及金属结构健康监测领域，具体涉及一种基于微带天线传感器的疲劳裂纹扩展监测系统及其监测方法。
背景技术：
金属结构广泛用于现代机械设备、土木工程、海洋结构、航空航天等领域。在长期的受载过程中，金属结构难免会产生各种损伤。疲劳裂纹是金属结构最常见的失效形式，其特点是：裂纹形成初期，金属结构尚能正常工作，当裂纹在交变载荷作用下扩展到一定程度，则可能引起灾难性后果。为了保证金属结构的安全运行并尽可能延长其使用寿命，普遍的方法是利用传感器对其进行健康监测。
裂纹检测经过几十年的研究，已经发展出很多比较有效的方法。常用的方法有超声检测、磁粉检测、射线检测、渗透检测、涡流检测及金属磁记忆检测。但这些方法都存在比较明显的缺陷，超声波检测技术定量不准确、定性困难，且不直观，同时超声检测对操作人员的要求较高；磁粉检测只能对磁性金属结构表面或近表面进行裂纹检测，无法判断裂纹的深度；射线检测技术设备较复杂，成本较高，检测周期长，检测过程中需要防护；检测方法只能检出缺陷的表面分布，难以确定裂纹的实际深度；涡流检测只能检测近表面裂纹；金属磁记忆检测作为近几年新兴起的检测方法，检测机理研究还不成熟，定量检测研究还处于起步阶段。上述方法都需要停机后检测，难以实现实时在线检测疲劳裂纹扩展。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于微带天线传感器的疲劳裂纹扩展监测系统及其监测方法，能实时在线监测疲劳裂纹的扩展。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种基于微带天线传感器的疲劳裂纹扩展监测系统，包括微带天线传感器、无线问询装置和数据采集及处理装置；
所述微带天线传感器粘贴在被测试件上；
所述无线问询装置包括信号发生装置、RF环形器和号角天线，信号发生装置通过RF环形器与号角天线连接，所述无线问询装置通过号角天线发射问询信号给无线传感器，并接收天线传感器的反射信号；
所述数据采集及处理装置，与RF环形器连接，用于接收来自无线问询装置的信号并对其进行处理，生成疲劳裂纹扩展过程中天线传感器谐振频率的变化及裂纹扩展的长度和方向。
接上述技术方案，微带天线传感器包括基质，基质的一面设有导体贴片，基质的另一面粘贴在被测试件表面。
接上述技术方案，所述无线问询装置周期发射问询信号。
接上述技术方案，所述导体为良导体铜，基质为绝缘材料。
本发明还提供了一种基于微带天线传感器的疲劳裂纹扩展监测系统的疲劳裂纹监测方法，包括如下步骤：
1)设置微带天线传感器：将制作好的微带天线传感器使用强力胶粘贴在被测试件
表面；
2)设置问询信号发射频率及信号的频率范围：根据实际要求，设置问询信号发射频率；根据制作好的微带天线传感器的谐振频率fr，设置问询信号频率范围；。
3)疲劳裂纹扩展在线监测：无线问询装置不断对微带天线传感器发射问询信号，同时接收微带天线传感器发射的信号，由于信号反射过程中会有损耗，当发射信号的频率和微带天线传感器的谐振频率相同时，损耗最小；信号采集及处理装置从无线问询装置接收信号，并对信号进行处理得到微带天线传感器的两个不同方向的谐振频率f01和f10，根据谐振频率的变化量Δf01和Δf10，得到微带疲劳裂纹扩展的长度和方向；其中当电流平行于导体贴片长度方向时，辐射模态为TM01,对应谐振频率为f01，当电流平行于导体贴片宽度方向时，辐射模态为TM10,对应谐振频率为f10。
本发明产生的有益效果是：本发明的监测疲劳裂纹扩展的系统使用的微带天线传感器超薄质轻，制作简单，成本低，能与被监测结构共形；通过RF环形器可以将发射信号和接收信号隔离，实现号角天线的信号发射和接收。本发明可以实现无线在线实时监测疲劳裂纹扩展长度和方向。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中微带天线传感器结构示意图；
图3是实施例试件示意图；
图4是谐振频率f01随疲劳裂纹扩展的变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例基于微带天线传感器的疲劳裂纹扩展监测系统，包括微带天线传感器、无线问询装置和数据采集及处理装置；
所述微带天线传感器粘贴在被测试件上；
所述无线问询装置包括信号发生装置、RF环形器和号角天线，信号发生装置通过RF环形器与号角天线连接，所述信号发生装置产生无线问询信号，通过所述号角天线传送给微带天线传感器，并通过RF环形器实现微带天线传感器反射信号的接收。所述无线问询装置发射问询信号的周期可根据实际情况进行设置，发射信号的频率范围可根据微带天线传感器的谐振频率进行调整。
所述数据采集及处理装置，与RF环形器连接，用于接收来自无线问询装置的信号并根据拟合得到的“裂纹长度—谐振频率”(或“裂纹长度—谐振频率变化量”)关系曲线，得到疲劳裂纹沿横向和纵向的扩展长度，进而拟合出裂纹扩展路径，得到扩展方向信息。
进一步地，微带天线传感器包括基质，基质的一面设有导体贴片，基质的另一面粘贴在被测试件表面。
进一步地，所述导体为良导体铜，基质为绝缘材料。本发明实施例中，基质使用绝缘材料，包括聚四氟乙烯。聚酰亚胺，FR4等。
如图2所示，所述的微带天线传感器包括基质2，其一面镀有一层薄铜，通过刻蚀得到所述导体贴片1，基质的另一面粘贴在被测结构3表面；导体贴片1和基质2根据不同的谐振频率采用不同的尺寸和材料，具体如下公式所示：
其中，c是真空中的光速，L导体贴片的长度，w是导体贴片宽度，εre基质的有效介电常数，εr是基质的介电常数，h是基质厚度，ΔLoc是由于边缘效应产生的线延伸长度，fr为天线的谐振频率，当电流平行于导体贴片1长度方向时，即辐射模态为TM01,对应谐振频率为fr＝f01，当电流平行于导体贴片1宽度方向时，即辐射模态为TM10,对应谐振频率为fr＝f10。
所述的导体1使用良导体铜，基质2使用绝缘材料，包括聚四氟乙烯。聚酰亚胺。FR4等。
所述无线问询装置包括信号发生装置、号角天线和RF环形器，所述信号发生装置产生无线问询信号，所述号角天线发射无线问询信号并接收反射信号，由于使用一个号角天线作为信号的发射和接收装置，因此信号容易“混淆”，所述RF环形器可以将发射信号和接收信号隔离，实现号角天线的信号发射和接收。
所述信号发生装置产生无线问询信号，通过所述号角天线传送给微带天线传感器并通过所述的RF环形实现微带天线传感器反射信号的接收。
所述数据采集及处理装置用于接收来自无线问询装置的信号并对其进行处理，根据拟合得到的“裂纹长度—谐振频率”(或“裂纹长度—谐振频率变化量”)关系曲线，得到疲劳裂纹沿横向和纵向的扩展长度，进而拟合出裂纹扩展路径，得到扩展方向信息。
基于上述实施例的疲劳裂纹扩展监测方法，采用微带天线传感器对疲劳裂纹扩展进行实时监测，通过无线问询装置对微带天线传感器进行问询并接收反射信号，然后通过数据采集及处理装置接收来自无线问询装置的信号并对其进行处理，得到疲劳裂纹扩展长度和方向信息。
所述无线问询装置发射问询信号的周期可根据实际情况进行设置，发射信号的频率范围根微带天线传感器的谐振频率进行调整。
疲劳裂纹监测方法具体包括如下步骤：
1)设置微带天线传感器：将制作好的微带天线传感器使用强力胶粘贴在被测试件(3)表面；
2)设置问询信号发射频率及信号的频率范围：根据实际要求，设置问询信号发射频率；根据制作好的微带天线传感器的谐振频率fr，设置问询信号频率范围。
3)疲劳裂纹扩展在线监测：无线问询装置不断对微带天线传感器发射问询信号，同时接收微带天线传感器发射的信号，由于信号反射过程中会有损耗，当发射信号的频率和微带天线传感器的谐振频率相同时，损耗最小；信号采集和处理装置从无线问询装置接收信号，并对信号进行处理得到微带天线传感器的谐振频率f01和f10，根据谐振频率的变化量Δf01和Δf10，根据附图4所示的拟合公式，得到微带疲劳裂纹在线相应方向上的扩展长度，进而得到扩展的角度。现结合实施例说明本发明的实施方式进行说明：
导体贴片材料选择铜，尺寸为40mm*28mm*0.05mm；基质材料选择FR4，尺寸为64mm*44mm*0.5mm,介电常数为4.4；被测结构为钢板，尺寸为80mm*44mm*1mm。设计的传感器理论谐振频率为f01＝1.92224GHz，f10＝2.52764GHz。监测系统工作时，通过测得的谐振频率变化量Δf01和Δf10，可得到疲劳裂纹扩展的长度和方向。
如图3所示，在被测试件两端施加疲劳载荷，随着裂纹的不断扩展，天线传感器的谐振频率不断变化，如图4所示。由图可知，平行于贴片长度方向的谐振频率f01不断减小。由于疲劳载荷作用在试件两端，裂纹扩展路径大致沿直线扩展，因此会对天线传感器平行于长度方向的谐振频率f01影响较大，而对平行于宽度方向的谐振频率f10影响很小，这与监测结果一致。
综上所述，本发明的基于微带天线传感器的疲劳裂纹扩展监测系统及监测方法可以实现无线在线实时监测疲劳裂纹扩展长度和方向的目的。为疲劳裂纹监测提供了一种新的监测方法。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。