微带贴片天线应变传感器优化设计研究.pdf

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1、第３８卷第２期仪器仪表学报Ｖｏｌ３８Ｎｏ２２０１７年２月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＦｅｂ．２０１７微带贴片天线应变传感器优化设计研究何存富，闫天婷，宋国荣，吕炎，吴斌（北京工业大学机械工程及应用电子技术学院北京１００１２４）摘要：承载部件作为高端装备中最常见的结构单元，在役过程中受载荷和应力集中影响极易萌生裂纹，导致结构失效，实时监测结构关键部件的应变状态对保障结构健康至关重要。基于微波无损检测技术，揭示了矩形微带贴片天线的辐射元尺寸对其固有谐振频率的影响规律，探究了微带贴片天线谐振频率与应变的相互作用机理。矩形微带贴片天线

2、可激发单频和双频谐振频率，改变矩形辐射元的长度或宽度，其谐振频率会发生频移。实验结果表明，当对金属接地板施加一定拉应力时，贴片天线几何尺寸会发生改变，其谐振频率也随之发生偏移，据此可推算出金属接地板的应变大小，这对关键承载部件的应变和裂纹实时监测具有重要的研究意义。关键词：微带天线；辐射元尺寸；谐振频率；应变测量；微波无损检测中图分类号：ＴＰ７３ＴＨ８６文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４６０．ＤｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａＨｅＣｕｎｆｕ，ＹａｎＴｉａ

3、ｎｔｉｎｇ，ＳｏｎｇＧｕｏｒｏｎｇ，ＬｖＹａｎ，ＷｕＢｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏａｄｂｅａｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｔｈｅｍｏｓｔｃｏｍｍｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｈｉｇｈｅｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅｌｏａｄｉｎｇａｎｄｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｅａｓｉｌｙｉｎｉｔｉａｔｅｓｃｒａｃｋｓ，ｌｅａｄｉｎｇｔ

4、ｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆａｉｌｕｒｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｓｔｒａｉｎｉｓｅｓｓｅｎｔｉａｌｆｏｒｔｈｅｈｅａｌｔｈｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｎａｔｕｒａｌｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂｙｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅＲｅｃｔａｎｇｕｌａｒＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＰａｔｃｈＡｎｔｅｎｎａｓ（ＲＭＰＡ）ｉｓｒｅｖｅａｌｅｄ，ｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｗａｖｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｉｎｔｅ

5、ｒａｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆＲＭＰＡａｎｄｔｈｅｓｔｒａｉｎｓｉｓｅｘｐｌｏｒｅｄ．ＲＭＰＡｃａｎｒａｄｉａｔｅａｔｏｎｅｏｒｔｗｏｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ．ＴｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔｓａｓｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｒｗｉｄｔｈｏｆＲＭＰＡｖａｒｉｅｓ．Ｔｈｕｓ，ｗｈｅｎａｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｉｓａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｅｄｍｅｔａｌｓｈｅｅｔｏｆＲＭＰＡ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｃｈａｎｇｅｓ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｕｃｅｓｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｆ

6、ｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔ．Ｔｈｉｓｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｃａｎｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｅｄｍｅｔａｌｓｈｅｅｔｉｎｖｅｒｓｅｌｙ．Ｔｈｉｓｉｓｏｆｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｔｏｔｈｅｓｔｒａｉｎａｎｄｃｒａｃｋｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｋｅｙｌｏａｄｂｅａｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａ；ｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｃｈｇｅｏｍｅｔｒｙ；ｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｓｔｒａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ［１２］故。由于裂纹主要产生

7、在承载部件的应变集中处，所１引言以可对结构特定区域的应变进行监测。传统的应变检测方法常利用应变片进行测量，测量结果受环境温度和湿承载部件作为高端装备（如航空、海洋工程、智能制度影响较大，测量数据可信度低，且存在费时费力、成本［３４］造等装备）的关键承力部件，常处于高温高压或振动等恶高和效率低等问题，国内外学者通过对应变传感器的劣环境，在服役过程中，受疲劳、腐蚀和材料老化等不利研究改进，已有传感器能克服上述不足，但价格昂贵，且［５６］因素影响，不可避免地存在损伤积累或应变集中，萌生裂多为有线传感器，使