基于人工局域表面等離激元的非金屬復合材料缺陷檢測

雷靜　楊曉慶　陳俊龍　雷雪雪

摘 要 文章提出了一種基于人工局域表面等離激元的新型微波傳感器，用于檢測非金屬復合材料中的缺陷。所提出的人工局域表面等離激元結構使該傳感器的電場高度集中，大大提高了傳感器的檢測靈敏度。傳感器的檢測機理是基于缺陷對傳感器近場的干擾，導致諧振頻率的偏移。實驗結果中可成功檢測到距離被測物表面0.5mm，其半徑為5mm，厚度為0.5mm的亞表面缺陷。仿真和實驗結果具有較好的一致性，表明所提出的人工局域表面等離子體激元傳感器對非金屬復合材料的亞表面缺陷有較好的檢測效果。

關鍵詞 人工局域表面等離激元 非金屬復合材料 微波無損檢測 亞表面缺陷

中圖分類號：TH742文獻標識碼：A

非金屬復合材料具有密度低、抗壓強度高、剛度好等特點，廣泛應用于石油天然氣管道、航空航天及航海裝備等結構材料。然而，非金屬復合材料在制造或使用過程中會產生缺陷。其中空洞、分層、解體是最典型的缺陷類型。而這些無法直接觀察到的缺陷會影響到材料的性能和強度，甚至會在之后使用中產生更嚴重的損傷。因此，有必要建立對非金屬復合材料的無損檢測方法。

微波可以穿透介質材料，可敏感地對材料內部的缺陷進行檢測。近場諧振法以其靈敏度高、設計簡單等優點，其研究得到了迅速發展，包括互補分裂環諧振器（CSRR），電小尺寸的諧振器已被廣泛開發設計。然而，以往提出的CSRR傳感器的工作大多針對非金屬材料的表面缺陷。而實際中形成在亞表面或者內部材料的缺陷會更加影響材料的性能和強度，所以開展對非金屬復合材料亞表面或內部缺陷的微波檢測研究是非常有必要的。

近年來，微波頻率下的超材料得到了廣泛的研究。Shen等提出了一種具有局域表面等離激元性質的人工超薄超材料，并通過實驗證明了可激發平面多極局域表面激元。Annamdas等將人工局域表面等離激元傳感器用于結構健康監測。本文提出了一種檢測非金屬復合材料缺陷的新型傳感器。在微波頻率下，螺旋亞波長結構的金屬圓盤可以激發LSP。相鄰金屬圓盤間的耦合使電場增強，梯度大，有利于提高檢測靈敏度。實驗結果表明，該傳感器對非金屬復合材料的亞表面缺陷有較好的檢測效果。

1人工局域表面等離激元傳感器設計

所設計的傳感器介質基板選用相對介電常數（ r） 為2.65和厚度d = 1.2mm的F4b材料。為了提高檢測的方便性和效率，采用了一種易于集成的方法來激發局域表面等離激元，如圖1（a）所示。所設計的人工局域表面等離激元傳感器由SMA接口通過過孔技術饋電。在厚度t=0.035mm，寬度ws=1.6mm的微帶線末端，附加一個半徑r1 = 1mm的圓形金屬圓盤，增加電磁能量的耦合。每個螺旋結構由一個半徑為r = 1mm的小圓盤組成，周圍有六個半徑為R = 11.25 mm的螺旋臂。螺旋結構臂寬0.5 mm，相鄰臂間距a=1.5 mm。

在微波頻段下，高階的局域表面等離激元模式對周圍材料折射率的頻移較大。因此我們選擇高階模態諧振頻率11.03GHz作為檢測頻率。實驗結果表明，在沒有被測材料的情況下，所設計傳感器在諧振頻率為11.03GHz的電場如圖1（b）所示，可以看出，兩個螺旋金屬結構之間的相互耦合導致電場主要集中在相鄰金屬盤的間隙中，將有利于缺陷的檢測。

當傳感器放置在無缺陷的被測物表面時，與無被測物時的諧振頻率相比，諧振頻率發生向左移動。將放置無缺陷被測物時的傳感器諧振頻率作為參考諧振頻率。當被測物內部存在缺陷時，會導致參考諧振頻率向右偏移，如圖2所示。

2仿真設計與分析

被測物用相對介電常數（ m） 4.3和厚度hMUT = 6mm的FR-4環氧玻璃板。考慮簡單的情況，缺陷是一個圓柱形的空氣空洞缺陷，其半徑為Rd和厚度hd，并將缺陷表面與被測物表面的距離用zd表示，如圖3所示。我們對不同缺陷的半徑Rd、厚度hd和距離zd進行模擬仿真。結果如圖4所示。

值得一提的是，在圖4（a）中，被測物缺陷的厚度hd會對傳感器的檢測能力產生影響。可以直觀地看出，當被測物缺陷厚度hd的增加，諧振頻率的變化也隨之增大。而當厚度hd超過2mm后，頻移不再快速增加，而是趨于穩定。這是因為電場高度集中在相鄰金屬盤的間隙附近，當超過一定厚度時，被測物對傳感器近場的干擾達到飽和，這也將限制了傳感器的檢測能力。同樣地，在圖4（b）中，當距離zd超過2mm時，盡管缺陷半徑Rd不斷增大，但傳感器的諧振頻率并沒有發生太大變化。

3實驗驗證與分析

為了驗證提出的傳感器的有效性，我們搭建了由矢量網絡分析儀（VNA）、人工局域表面等離激元傳感器、帶缺陷的被測物和移位裝置組成的實驗系統，如圖5（a）所示。在沒有被測物的情況下，實測和仿真的反射系數如圖5（b）所示。從圖中可以看出，仿真的諧振頻率與實驗的諧振頻率較小偏差，這可能是傳感器的加工、實驗設備或實驗操作所造成。

在實驗中，將FR-4樣品通過移動裝置以1 mm/步的速度移動。傳感器對被測物樣品進行掃描，并用（下轉第273頁）（上接第268頁）VNA記錄共振頻率的變化。FR-4樣品為6mm厚的玻璃板。柱狀人工層缺陷與樣品前表面分別有0.5mm、1mm、2mm、3mm四個不同距離。人工缺陷的半徑有2.5mm、5mm、10mm、20mm其厚度在0.5mm至3mm之間。圖6（a）為缺陷半徑Rd為10mm， zd為0.5mm時，不同厚度hd下的諧振頻率的變化。在圖6（b）中，將仿真值與實測值進行比較。結果表明，實驗掃描結果與仿真結果的最大相對誤差小于5%，進一步證明了所設計的傳感器的有效性。

圖7（a）為傳感器掃描FR-4樣品表面時，缺陷厚度hd為1mm， zd為0.5mm時，不同半徑處的諧振頻率的變化。從掃描結果可以看出，當缺陷經過電場集中的區域時，頻移會發生明顯的變化。圖7（b）為缺陷半徑Rd為10mm，hd為1mm時，諧振頻率在不同缺陷與被測物前表面距離zd的變化。當超過傳感器的近場能力（檢測深度為2mm）時，無論是增加厚度hd還是增加距離zd，頻移發生的變化很小。

4結論

文章提出了一種基于人工局域表面等離激元的新型非金屬復合材料亞表面缺陷檢測的傳感器。采用該傳感器對不同亞表面缺陷的FR-4復合材料樣品進行了實驗檢測驗證。用VNA記錄了諧振頻率的變化，并與仿真結果進行了比較。仿真值與實驗值吻合較好，驗證了所設計傳感器的有效性。表明所設計的微波傳感器可成功對亞表面缺陷進行檢測，可良好應用于實際檢測中。

*通訊作者：楊曉慶

作者簡介：雷靜（1994-），女，四川省內江市人，在讀碩士研究生，主要研究方向為微波無損檢測;楊曉慶（1987-），男，四川省成都市人，博士，教授，主要研究方向為微波傳感器設計;陳俊龍（1994-），男，四川省成都市人，在讀碩士研究生，主要研究方向為人工表面等離激元;雷雪雪 （1995-），女，安徽省安慶市人，在讀碩士研究生，主要研究方向為微波無損檢測。

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