[发明专利]一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器

说明书

本发明公开了一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，具有体积小、重量轻、能与载体共形的优点，因此成为结构健康监测领域的研究热点。承载结构受载荷应力集中的影响极易萌生裂纹，通过贴片天线传感器对应力集中处进行监测，能够有效评估结构健康状态。利用微带贴片天线传感器谐振频率的偏移量可以确定结构应变大小和方向，进而实现结构应变/裂纹检测。但是目前微带贴片天线传感器检测范围小，无线检测距离较短，应用时存在制约。利用四频阵列式微带贴片天线应变传感器，可以实现大面积金属结构应变/裂纹监测，比较不同频率下天线传感器之间信号的差异，进而实现大面积结构应变/裂纹的量化表征，为结构健康监测提供新的研究思路。

技术领域

本发明设计一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，该方法主要用于四频阵列式微带天线对大面积金属结构应变/裂纹的检测，涉及结构健康监测技术和无损检测技术领域。

背景技术

近几十年以来，飞机在空中失事导致解体的事故时常发生，事故发生以后，人员的存活率极低，而造成飞机解体的一大部分原因是飞机在飞行过程中机体某些结构失效，结构失效是由于应力集中进而萌生裂纹，裂纹会逐渐扩展，最终导致飞机解体，带来巨大的损失。因此，对飞机机体的关键结构部位进行健康监测对于保证人员生命安全是至关重要的。目前现有的应变传感器存在结构复杂多变、价格昂贵和检测灵敏度低的缺点，且难以判断应力集中位置、应变检测范围较小，在结构健康监测应用过程中存在制约。

考虑到传统结构应变传感器存在许多不足，且单个频率的微带贴片天线传感器对于应变/裂纹的检测区域小，不同结构位置间的检测灵敏度存在差异。本文将阵列技术与传感器技术结合在一起，研制了一种成本低、应变检测范围大、检测灵敏度高且适合大规模检测的新型四频阵列式微带贴片天线应变传感器，对于飞机机体的结构健康监测具有重要意义。四频阵列式微带贴片天线传感器主要由四个不同频率的天线传感器按照一定的电气组合方式组成阵列天线，通过调节金属馈线的尺寸，将四个不同频率的天线连接起来，并连接到与SMA转接头相连接的总馈线上，最终实现阻抗匹配。通过SMA转接头和同轴线将网络分析仪和四频阵列式天线相连，就可以实现大面积结构应变/裂纹检测。通过对比不同频率天线传感器回波损耗信号的差异，可以判断应变/裂纹存在的区域，进而实现结构应变/裂纹的定量表征。本发明将四频阵列式微带贴片天线传感器应用于飞机机体结构健康监测，可以实现大面积、多方位结构检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，具有结构简单、应变检测范围大、能够分析不同结构位置信号的差异、实时监测等优点，完全能够达到实验检测的需要。

为实现上述目的，本发明提出一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，四频阵列式微带贴片天线应变传感器的整体装配图如图1，传感器内部结构示意图如图2所示。该天线传感器由辐射单元、介质基层5、金属接地板6和金属馈线四部分组成，本发明包含了如下部件：辐射单元包括第一辐射元1、第二辐射元2、第三辐射元3和第四辐射元4；介质基层5和金属接地板6；八条金属馈线分别为第一金属馈线7、第二金属馈线8、第三金属馈线9、第四金属馈线10、第五金属馈线11、第六金属馈线12、第七金属馈线13和第八金属馈线14。

辐射单元是印制在介质基层5中心位置上的金属贴片，且辐射单元的下表面与介质基层5的上表面贴合，金属贴片为整个应变传感器的核心部件，介质基层5设置在金属接地板6上，且介质基层5的下表面与金属接地板6的上表面贴合。八条金属馈线的上表面与介质基层5的下表面贴合。第八金属馈线14通过SMA转接头与网络分析仪相连接，实现对应变传感器的频率检测。第一辐射元1、第二辐射元2、第三辐射元3和第四辐射元4呈阵列分布。