面向結構裂紋監測的貼片天線傳感器技術研究進展*

李云飛 韓國棟 王鳴杰 許晨旭 左天一

1 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036 2 武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430070

0 引言

在長期承載工作過程中，金屬結構會不可避免地出現各類型損傷，當其缺陷積累到一定程度時，結構的承載能力和抗疲勞性能將會隨之降低，從而引發嚴重的安全隱患。利用傳感器對金屬結構進行健康監測是保證金屬結構在服役期間安全運行的重要手段。經過幾十年的發展，傳統的結構健康監測技術已具備了一個較完善的體系。金屬結構裂紋監測技術主要包括機器視覺監測[1]、壓電陶瓷波動法監測[2]、聲發射監測[3]和光纖FBG 傳感器法[4]和薄膜傳感器法[5]等。其中，機器視覺法監測需清除結構表面油漆涂層，安裝視覺監測系統，難度大且成本高；壓電陶瓷波動法有較好的裂紋識別能力，但受被測構件復雜形狀影響顯著；聲發射法常用于金屬結構的裂紋擴展監測，但易受外部聲源干擾，難以區分活動構件摩擦等生成的與裂紋擴展相似信號特征的聲源，無法實施大型裝備的在線監測和裂紋定量識別；光纖FBG 傳感器法主要應用于高端裝備的裂紋監測，常需通過疲勞試驗等方法建立前期數學關系，以預測裂紋定位與長度，但其過高的成本限制了大范圍投產使用。

基于新材料和新工藝的結構薄膜傳感器具有優異的結構共形特性、動態響應快和靈敏度高等優點，逐漸被用于金屬材料的裂紋測試研究。物理氣象沉積(PVD)薄膜傳感器的導電傳感層具有隨附損傷特性，會隨基體金屬結構發生疲勞裂紋在相同部位出現裂紋，從而引起監測傳感層電阻發生變化，得到基體結構的裂紋損傷情況，其不足在于需對被測結構表面作復雜工藝處理，且鍍膜工藝參數等對測試結果影響較大[6-8]；薄膜軟彈性電容器（SEC）傳感器的結構簡單，可直接感知表面裂紋擴展，但其陣列布線復雜，影響測試結果的因素較多[9-12]。

微帶天線傳感器是近年來出現的一種新型結構健康監測傳感器，具有結構簡單、制作方便、質量輕、成本低等特點，能無線被動式地測量多種金屬結構健康參數，獲取結構損傷信息?；谖зN片天線傳感器技術在裂紋擴展實時監測方面的巨大潛力，近年來國內外學者針對此技術在金屬結構裂紋識別領域中的瓶頸問題開展了廣泛研究。

1 基于微帶天線的金屬結構裂紋監測技術研究現狀

在金屬結構裂紋信息的監測方面微帶天線傳感器極具潛力。當裂紋萌生或擴展時，裂紋的存在對天線接地板（即被測金屬結構）表面的電流路徑造成了擾動，迫使電流沿著裂紋尖端繞行，增加了電長度，導致天線諧振頻率發生偏移，然后通過量化分析諧振頻率偏移量實現對裂紋的監測感知。

得克薩斯大學阿靈頓分校Huang H Y 團隊作為研究微帶天線傳感器的先行者，開展了關于微帶天線傳感器測量金屬結構裂紋的大量研究工作。2009 年，Deshmukn S 等[13]提出將矩形微帶貼片天線傳感器用于金屬結構的裂紋測試，并揭示了測試原理，研究了接地板上的裂紋擴展對微帶天線諧振頻率的影響，其結果表明諧振頻率隨裂紋長度的增加而線性減小，裂紋的監測靈敏度為29.6 MHz/mm，可實現亞毫米級的裂紋監測；2010 年，該團隊研究了裂紋的開閉合效應對裂紋長度測量的影響，進一步驗證了傳感器的諧振頻率會隨貼片下裂紋的繼續擴展而降低的關系[14]；2011 年，為了繼續研究垂直于貼片長度方向的裂紋對其長度方向諧振頻率的影響，該團隊采用雙懸臂梁模擬裂紋進行試驗，試驗結果顯示天線諧振頻率與裂紋長度呈線性關系[15]。

基于上述研究，國內外學者對微帶天線傳感器裂紋識別方面也開展了相應的研究。2015 年，Liu M B等[16]基于天線背面自帶接地板的形式，設計了9 種不同類型的裂紋進行微帶貼片天線的裂紋監測研究，試驗表明裂紋擴展使得諧振頻率降低，線性度約為10 MHz/mm；2019 年，毛艷飛[17]通過仿真對微帶天線傳感器的饋線進行了優化，使傳感器具備更好的性能，通過研究貼片和接地板的電流分布得出諧振頻率的變化隨裂紋長度的增加而越明顯，同時得出貼片尺寸的增大會導致微帶天線的裂紋監測靈敏度降低的結論。

以上研究大部分都圍繞裂紋擴展長度與諧振頻率偏移的關系進行，而在實際應用中對裂紋方向識別的研究同樣具有工程價值。2012 年，Mohammad I 等[18]利用矩形微帶貼片天線傳感器進行了斜裂紋方向測量的研究，運用仿真軟件HFSS 分析并驗證了不同種類裂紋擴展與微帶天線諧振頻率的關系，結果顯示裂紋擴展角度不同則對2 個方向諧振頻率的影響不同；當裂紋長度沿貼片對角線擴展時，2 個方向的諧振頻率隨之減?。豢蓪⑾鄬χC振頻率變化的比值r＝f10/f01作為觀測指標，根據r-裂紋尖端位置圖線識別任意方向的斜裂紋以及轉角裂紋。

上述關于裂紋方向識別的研究僅定性分析了裂紋長度和角度與諧振頻率之間的關系，并未給出一個定量的裂紋信息的計算算法。2018 年，Liang K 等[19]提出了一種基于微帶天線傳感器的裂紋識別算法，該算法根據諧振頻率偏移預測隨機裂紋的算法，將裂紋近似為寬度無窮小的斜線，基于接地板表面電流密度分布規律對裂紋中點位置、二維坐標、角度和長度等參數對應的裂紋通量進行計算，擬合仿真數據得到裂紋通量與頻率之間的數學關系式，建立裂紋參數與頻率之間的數學關系。通過對比分析試驗結果及算法預測結果，驗證了該算法在裂紋參數識別上的有效性；2021 年，李潤發[20]提出了一種斜裂紋定量識別算法，該算法以接地板上表面的電場及電流分布規律為基礎，通過斜裂紋引起的電流路徑增量大小定義有效裂紋長度，而各模式下的投影因子則由有效裂紋長度和實際投影長度決定，再利用投影因子將斜裂紋識別問題轉化為垂直裂紋和平行裂紋展開識別，最后斜裂紋的長度與角度即可利用該裂紋識別算法進行計算。

在基于微帶天線的裂紋擴展監測中，不僅裂紋的長度和方向會影響微帶天線的諧振頻率，裂紋的體積參數也會對諧振頻率產生影響。2019 年，Dong H L 等[21]設計了一種裂紋寬度控制裝置，將接地板分解為2 部分，模擬裂紋寬度擴展通過位移平臺控制2 塊鋼板的間隙實現，分別對平行裂紋、垂直裂紋和斜裂紋的寬度變化進行檢測試驗，得到3 種裂紋的方向均可由傳感器表征，水平和垂直裂紋寬度的監測靈敏度分別為-35 MHz/mm和-45 MHz/mm；同年，Liu Z P 等[22]在監測裂紋長度和寬度的研究基礎上引入了裂紋深度參數，針對金屬結構體積型損傷提出了電流路徑繞行理論，通過數值仿真和試驗研究了不同裂紋參數下傳感器諧振頻率的變化趨勢，發現了接地板表面電流密度分布和電流路徑走向會隨體積型損傷發生變化，在裂紋深度逐漸增大至貫穿的過程中，裂紋長度與諧振頻率的關系由線性變為二次性。

此外，Liu Z P 等[23]將微帶天線傳感器應用于FRP加固后的鋼結構裂紋擴展監測研究，基于FRP 材料屬性提出雙層基質模型，推導出雙基質天線傳感器的頻率計算公式，仿真分析了裂紋長度對雙基質傳感器諧振頻率以及FRP 厚度對裂紋檢測效果等的影響，通過試驗驗證雙基質傳感器的諧振頻率隨裂紋長度的增加其變化趨勢與單基質基本一致，隨裂紋長度增加呈拋物線減小；FRP 厚度越大則相同長度的裂紋對諧振頻率的影響越小，即裂紋長度識別的靈敏度提高。

由國內外學者的研究進展可知，關于微帶天線傳感器的裂紋識別研究正在逐漸深入。近年來，研究成果從裂紋定性識別發展到裂紋參數定量識別，從研究較易被識別的裂紋長度和方向參數發展至探究復雜度較高的裂紋位置、寬度和深度等體積參數，推動了微帶天線傳感器在實際工程中裂紋參數識別的應用進程。

2 基于微帶天線的陣列設計方法研究現狀

由于微帶天線傳感器尺寸較小且監測范圍有限，為了實現大面積監測，需要在被測金屬結構上布置微帶天線傳感器陣列。2012 年，Xu X 等[24]設計了一種測量裂紋長度的二元貼片天線傳感器陣列，天線貼片尺寸分別為10.4 mm×8.6 mm、15.25 mm×12.75 mm，通過空間分隔和頻率分隔來實現信號的區分；將2 個二元貼片天線傳感器布置于金屬試件進行疲勞試驗，裂紋會依次擴展至大貼片和小貼片下方，影響二者的某一諧振頻率變化。試驗結果表明，該傳感器陣列可實現較大區域的裂紋監測，隨著裂紋在2 貼片下方的擴展，傳感器的諧振頻率呈拋物線下降。

2013 年，Yi X 等[25]設計了一種三貼片傳感器陣列用于測量應變，在不同應變下測試了傳感器的測量靈敏度，證明了該陣列傳感器的測量應變可行性，每個傳感器的諧振頻率和應變之間為線性關系；2018 年，周凱等[26]設計了一種二元組合貼片天線傳感器用于測量平面二維應變，該傳感器可測量結構表面多個方向的應變，根據該傳感器測量結果可推導出主應變的大小和方向，該方法能有效測量金屬結構表面的應變大小及方向。

2019 年，Liu Z P 等[27]基于焊縫長而窄的形狀特性設計了一種基于微帶天線傳感器的三元線陣，3 個陣元并饋連接，通過一個激勵端口進行數據交換，擴大傳感器監測范圍，利用延時線原理實現了裂紋擴展下相同尺寸陣元諧振頻率的提取。

2019 年，毛艷飛設計了一種微帶天線傳感器陣列和饋線網絡結構，陣列陣元貼片尺寸為30 mm×24 mm，陣元間距為20 mm，基于試驗探究了裂紋擴展對傳感器陣列各陣元諧振頻率的影響，得出結論為：傳感器陣列陣元之間的耦合強度隨陣元間距增大而降低；相同陣元間距下垂直面耦合強度高于水平面耦合強度；隨裂紋長度的增大，各陣元的裂紋監測靈敏度隨之增大。

目前，國內外學者對微帶天線傳感器陣列的研究較少，僅提出了較少幾種傳感器陣列監測裂紋、應變方法，研究中也只分析了裂紋擴展到每個陣元下方時對傳感器諧振頻率的影響，實際上研究的仍是單傳感器的裂紋、應變擴展監測，故需進一步研究微帶天線傳感器陣列的一體化多參數監測技術。

3 基于微帶天線的多參數解耦監測技術研究現狀

在結構參數監測過程中，微帶天線傳感器的諧振頻率會同時受到裂紋、應變、溫度耦合等的影響。通過對多層微帶天線的尺寸、結構、基質材料等進行設計可使其具備多頻特性，以此提高天線帶寬和增益，優化天線的輻射性能，這種多頻特性為多參數解耦監測微帶天線傳感器的設計提供了一種新的設計思路。因此，為了實現微帶天線對單一參數的準確監測，研究人員基于多層微帶貼片天線結構對裂紋與應變進行了解耦設計。

2018 年，Raheja D K 等[28]提出了一種無線應用的同軸饋電雙極化三頻疊層微帶天線，一層由截角正方形貼片構成，一層由橢圓貼片構成。試驗結果顯示，天線在4.2 GHz、4.8 GHz 和5.8 GHz 處出現3 個頻段諧振，在前2 個諧振處表現出圓極化特性，在第3 個諧振處表現出線性極化特性。

2022 年，郭謙[29]提出了一種多層微帶天線傳感器設計方法用于應變裂紋解耦監測，首先基于多諧振腔模型下的電流分布情況分析了應變裂紋解耦監測機理；其次對微帶天線傳感器的雙層基質尺寸及布置方式進行設計，裂紋測量貼片（110 mm×80 mm）布置于應變測量貼片（35 mm×28 mm）下層；最后，仿真分析應變與裂紋擴展對各層貼片諧振頻率的影響，驗證了多層微帶天線傳感器的應變裂紋解耦監測可行性。結果表明，裂紋在0 ～12 mm 的擴展對應變識別效果幾乎無影響；應變狀態只會影響裂紋測量貼片的工作諧振頻率，由應變帶來的諧振頻率偏移量可由上層貼片的應變測試值進行計算補償。

為了研究溫度與應變、溫度與裂紋的耦合特性并進行解耦測量，2015 年Sanders J 等[30]以溫度對基質介電常數和尺寸的影響關系為基礎，利用數學公式從理論角度推導了溫度與傳感器諧振頻率偏移量之間的數值關系，通過試驗得出基質的介電常數不僅與溫度有關，還受接地板材料影響。

2018 年，Tchafa F M 等[31]量化分析了溫度和應變對傳感器諧振頻率的影響，建立起諧振頻移、溫度和應變之間的數學關系，并以此為基礎設計制作了矩形輻射貼片天線傳感器；之后，對微天線傳感器進行了拉伸和機械熱性能試驗，驗證了歸一化天線諧振頻率位移與外加應變和溫度變化呈線性關系的理論預測，實現了溫度和應變的解耦測量。

2021 年，李潤發通過仿真分析了溫度、裂紋以及溫度裂紋耦合分別對諧振頻率的影響，得知溫度同時改變傳感器的2 個諧振頻率，2 個諧振頻率的偏移量之比與諧振頻率之比相同，溫度測量靈敏度之比與諧振頻率之比相同，溫度和裂紋的耦合為線性耦合。根據試驗結果，設計了一種二元微帶天線傳感器陣列，用于溫度裂紋解耦測量。該傳感器陣列由裂紋測量陣元與溫度測量陣元組成，將溫度測量陣元所測得的溫度信息回代到裂紋測量陣元測得的2 個諧振頻率中，進行溫度裂紋解耦測量。由于2 個陣元尺寸不相同，在VNA 的頻域信號中兩者諧振頻率不會相互疊加干擾，故可直接并聯2 個陣元進行裂紋與溫度的信號輸出。

4 基于微帶天線的抗干擾設計研究現狀

在金屬結構健康監測過程中，常會遇到非常惡劣的工作環境（如溫度差異性大，水、灰塵和冰層等異物覆蓋等因素），惡劣的環境會耦合進天線，直接影響微帶天線傳感器的諧振頻率變化，降低實際工況中結構監測的可靠性，故對微帶天線的抗干擾設計研究也是部分學者研究的方向。

溫度改變引起的諧振頻率偏移會對裂紋（尤其是微小裂紋）的識別精確度有較大影響，故微帶天線傳感器的溫度補償研究成為工程實際中必不可少的環節。2018年，Yan D 等[32]以FR4 作為傳感器的基質材料，分析了溫度為-40℃～125℃內傳感器的諧振頻率變化規律，結果表明，溫度每改變1℃會引起諧振頻率偏移347.45 kHz。

為補償溫度波動引起的諧振頻率偏移，2020年，Li D 等[33]采用介電常數熱系數5 ppm/℃的RT/DUROID?6202 材料作為基質，有效提高了傳感器在環境溫度波動時的可靠性；Zhang L 等[34]為了提高微帶天線的熱穩定性，制備了一種聚合物-陶瓷的復合材料作為天線的基質材料，經驗證，該方案可將天線諧振頻率溫度系數-20℃～60℃保持在23.6 ppm/℃。

2022 年，王元昊[35]提出了一種面向微帶天線傳感器裂紋測量的溫度自補償方法。該方法基于多層基質理論對傳感器尺寸參數進行設計計算，得出需采用介電常數溫度系數符號相反的雙層基質抵消溫度對諧振頻率的影響，從而實現微帶天線傳感器的溫度自補償功能。經試驗驗證，通過該方法設計的雙基質微帶天線傳感器可使傳感器在0℃～60℃溫度環境下能更準確地計算出結構裂紋的長度信息，識別誤差為±0.2 mm 以內，極大地提高了微帶天線傳感器在溫度差異較大的環境下裂紋識別的可靠性。

針對微帶天線傳感器對環境異物的抗干擾研究，2017 年，陳璐[36]通過對微帶天線接收信號傳感器進行分形設計，有效提高了微帶傳感器的抗干擾性,且結構緊湊,方便現場使用；2021 年，Rafieipour H 等[37]采用真空輔助樹脂轉移成型工藝進行電子玻璃、芳綸、聚酯面板和聚乙烯氯化泡沫芯的堆疊，設計了一種夾層結構的天線罩，使其在不同環境條件下都具備出色的物理與機械性能。

2022 年，郭謙[38]基于傳輸線理論建立多物理場數值模型，探討了環境異物對天線傳感器諧振頻率的影響機理，設計了一種面向微帶天線傳感器的環境異物抗干擾覆層。該覆蓋層采用耐熱性和耐潮性優良的FR4 環氧板材料，設計覆層結構形狀為邊緣凸臺結構的形式。通過對微帶天線傳感器進行環境模擬試驗，在受水溫、灰塵與冰層厚度的分別干擾下，傳感器有覆層時諧振頻率的波動與無覆層時相比，下降率平均達95%以上，此時異物層對微帶天線傳感器的諧振頻率幾乎沒有影響，證明所設計覆層具備環境異物抗干擾性能。

目前，國內外的抗干擾研究主要采用天線罩以及覆蓋層等結構對微帶天線進行防護，由于性能良好的天線罩結構復雜，材料特殊，制備難度較高，不利于微帶天線傳感器一體化集成，但其中涉及的多物理場基礎研究對于微帶天線傳感器的環境異物抗干擾研究具備一定的借鑒意義。

5 結論與展望

本文基于已有的微帶天線傳感器結構健康監測研究，針對研究人員在天線傳感器對金屬結構裂紋參數監測等方面的研究現狀進行了簡要概括。綜合而論，主要包括以下幾點：

1）通過對微帶天線傳感器監測裂紋機理的分析，研究了多種方法識別裂紋參數及方向；

2）為實現大面積監測金屬結構，設計了不同的微帶天線傳感器陣列和饋線網絡結構；

3）探討了微帶天線傳感器在監測金屬結構中溫度與應變、溫度與裂紋、應變與裂紋的多參數解耦監測方法，驗證了多種解耦監測方法的可行性；

4）針對微帶天線傳感器應用在溫度差異性大，水、灰塵等異物干擾的惡劣環境中，提出了溫度自補償、抗干擾覆蓋層等多種抗干擾設計方法。

依據目前國內外對微帶天線傳感器的研究現狀，提出以下幾點建議：

1）由于目前微帶天線傳感器在監測金屬結構時，需去除金屬結構油漆涂層后，在結構的裸表面測試。為了實現將傳感器直接覆蓋在結構表面油漆涂層上方粘接后直接測試，此時，涂層與天線原基質一起構成新的基質層，由于二者性能、厚度差異都較大，研究雙層基質貼片天線傳感理論和傳感器性能，油漆涂層的力學性能和厚度對傳感器諧振頻率的影響等有很大的應用價值。

2）在基于微帶天線傳感器的各參數無線監測試驗過程中，受測試環境噪聲、異物等因素影響，實際無線問詢數據與理論數據存在一定偏差。未來可研究一種抗干擾性更強的無線問詢技術以提高測試結果準確度。

3）目前無線問詢距離仍不足以適應更多的工程應用。未來可通過添加功率放大器電路實現問詢距離的進一步優化研究。