[发明专利]一种具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器

说明书

本发明公开了一种具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器，包括辐射贴片，介电基质，温度补偿基质和金属接地板；辐射贴片与金属接地板采用金属良导体；介电基质和温度补偿基质采用绝缘材料；辐射贴片位于传感器最上层，金属接地板位于传感器最下层，介电基质和温度补偿基质位于传感器中部，介电基质在上，温度补偿基质在下。本发明克服了传统微带天线传感器在多温度环境下裂纹监测不可靠的缺点，几乎消除了温度对裂纹监测的影响，提高了微带天线传感器的监测可靠性；相较于使用低温度敏感性的基质材料来减少温度影响，本发明的温度补偿方法成本更低；双层基质材料的选择也不受限制，为传感器在多领域的应用提供了可能。

技术领域

本发明属于金属结构裂纹监测技术领域，尤其涉及一种具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器。

背景技术

金属结构在长期交变载荷作用下，其薄弱部位所形成的裂纹会不断扩展，不仅破坏了金属结构的整体性，裂纹部位的应力集中还必然会降低金属结构的承载能力，引发结构断裂等事故。因此，为了保证金属结构的工作稳定性和安全性，避免重大事故，金属结构裂纹信息监测对于结构健康监测与定期维护具有重要意义。

微带天线传感器作为一种新型的金属结构健康监测传感器，具有结构简单、重量轻、易与结构表面共形、适合面积布置等优点，受到了众多学者的广泛关注。其原理是通过检测谐振频率偏移量来对结构的相关参数进行检测，目前已经实现了对金属结构裂纹长度、宽度、深度和方向等多参数的监测，并能够通过设计微带天线阵列实现裂纹位置的识别。

然而温度也会对微带天线传感器的谐振频率产生影响，并且其改变引起的谐振频率漂移会对裂纹(尤其是微小裂纹)的识别精确度有较大影响。季节变化、昼夜温差等环境变化也要求天线传感器在进行裂纹监测时必须在多温度环境下保持稳定的性能，因此微带天线传感器的温度补偿研究成为了工程实际中必不可少的环节。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器，该传感器可以在多温度环境下对裂纹进行比较准确的监测，避免了环境温度的影响，提高了微带天线传感器的工作可靠性。

本发明公开的具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器，包括辐射贴片(1)，介电基质(2)，温度补偿基质(3)和金属接地板(4)；辐射贴片(1)与金属接地板(4)采用金属良导体；介电基质(2)和温度补偿基质(3)采用绝缘材料；所述辐射贴片(1)位于传感器最上层，所述金属接地板(4)位于传感器最下层，所述介电基质(2)和温度补偿基质(3)位于传感器中部，介电基质(2)在上，温度补偿基质(3)在下。

进一步的，所述介电基质(2)的介电常数温度系数与温度补偿基质(3)的介电常数温度系数符号相反，即式中，ε₁为介电基质的相对介电常数，ε₂为温度补偿基质的相对介电常数，T为温度。

进一步的，所述辐射贴片(1)、介电基质(2)和温度补偿基质(3)的热膨胀系数大小接近，以消除温度引起的传感器变形或失效。

进一步的，介电基质和温度补偿基质的相关参数满足以下关系：

其中，h₁为介电基质的厚度，h₂为温度补偿基质的厚度，α_ε1为介电基质的热膨胀系数，α_ε2为温度补偿基质的热膨胀系数，α_T为辐射贴片的热膨胀系数，ε₁为介电基质的相对介电常数，v₂为温度补偿基质的相对介电常数。

进一步的，辐射贴片的尺寸根据所需的谐振频率设计。

进一步的，温度补偿天线传感器的谐振频率计算为：

本发明产生的有益效果是：