徐達(dá)志，王勝密，胡明哲

（1.火箭軍指揮學(xué)院勤務(wù)保障系，武漢430000；2.深圳騰基建設(shè)科技有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

玻璃幕墻快速實時監(jiān)測對于確保其結(jié)構(gòu)的可靠性和城市人民生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要。玻璃幕墻結(jié)構(gòu)監(jiān)測最重要的損傷指標(biāo)之一是玻璃幕墻由于結(jié)構(gòu)松動后造成較大的相對位移。這一位移是玻璃結(jié)構(gòu)膠隨著時間的推移而緩慢老化所造成的。這種有相對位移變化的振動與玻璃幕墻多個物理參數(shù)密切相關(guān)，可以說是其固有的頻率振動特性。因此，可以通過對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)振動頻率的測量來間接判斷玻璃幕墻結(jié)構(gòu)受損等關(guān)鍵信息，可用于監(jiān)控玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的老化問題。

2 玻璃幕墻的無線監(jiān)測

目前，國內(nèi)已有用激光位移傳感器等技術(shù)來監(jiān)測玻璃幕墻的位移和振動頻率變化的研究[1，2]。但本文提出的通過無線監(jiān)測實時測試幕墻結(jié)構(gòu)松動的傳感器具有更好的工程應(yīng)用價值，因為它能夠以完全無損且快速的方式來表征玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。

近年來，國內(nèi)外對超材料的研究日益深入。與傳統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)相比，超材料傳感器可以提供更高的靈敏度和分辨率[3]。而本文則創(chuàng)新性地提出將超材料傳感器用到玻璃幕墻結(jié)構(gòu)上作無線位移傳感器，來監(jiān)測其結(jié)構(gòu)是否松動與失效。本文設(shè)計的傳感探頭由周期性排列的可拉伸的諧振電路組成，這些部件之間有電氣連接，組成一個超材料諧振器，用于無線監(jiān)測與傳感。傳感器部件通過邊連接件分別固定在幕墻玻璃的玻璃支撐基體結(jié)構(gòu)和玻璃本身上，他們之間由于結(jié)構(gòu)膠失效后會產(chǎn)生相互位移運動。如果知道這兩者之間的位移距離產(chǎn)生的振動頻率就可根據(jù)諧振點的位移信息計算玻璃的松動程度。

3 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感探頭的超材料結(jié)構(gòu)由一系列周期性排列的電諧振單元和磁諧振單元組成。傳感器探頭安裝在要測量位移的結(jié)構(gòu)上，另一端安裝在固定的鋁型材框架上。傳感器探頭位移傳感的激勵是采用一個位于受測結(jié)構(gòu)近場外部的天線，用于向傳感器探頭發(fā)送信號和接收來自該探頭的信息，如圖1 所示。傳感器探頭在其近場內(nèi)與天線耦合，并在耦合響應(yīng)上可直接觀察到傳感器諧振頻率的位移。

圖1 傳感器電路結(jié)構(gòu)和周期性排列的諧振單元

無線傳感器包括柔性介質(zhì)基板，其正面設(shè)有周期排列的矩形分形結(jié)構(gòu)諧振單元，包括二級分形的矩形金屬和菱形空槽。介質(zhì)板的背面設(shè)有金屬電諧振結(jié)構(gòu)，它由相交90°的2 條金屬微帶構(gòu)成。整個二維結(jié)構(gòu)由柔性的PET 介質(zhì)支撐，PET 兩邊鋪設(shè)在玻璃幕墻的玻璃體和其框架上。當(dāng)玻璃發(fā)生松動時，通過玻璃與窗框間的間距變化，從而帶動PET 介質(zhì)發(fā)生拉伸，帶動其上的金屬層發(fā)生相應(yīng)的拉伸，改變金屬貼片的幾何尺寸，其X軸發(fā)生伸長，Y軸發(fā)生收縮，這轉(zhuǎn)化為傳感器中諧振單元的等效電容、等效電感變化，進(jìn)而改變耦合系統(tǒng)響應(yīng)的諧振頻率，實現(xiàn)對玻璃幕墻松動的實時無損探測。

所使用的天線是一種設(shè)計成單槽的微帶天線，工作頻率與傳感器諧振單元頻率一致，天線S11＜-10dB 帶寬約為10%。插槽天線通過沿基板背面X方向的微帶線激勵，從而使X極化E 場從基板另一側(cè)引入的插槽傳輸，該天線插槽在實際工程測試中保持與傳感器正面電路平行，并激勵傳感器的諧振。天線和傳感器之間形成強(qiáng)耦合，整體傳感器尺寸較小，可以用于更小和更薄的結(jié)構(gòu)部件的探測。為了預(yù)測這種傳感器的探測特性，從而更好地研究其探測靈敏度，使用時域有限積分電磁方法對本傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究。

如圖2 所示為該樣品的S11參數(shù)曲線，可以看到樣品具有諧振頻點隨拉伸變化量發(fā)生漂移的特性，且其隨拉伸變化量發(fā)生連續(xù)平移。而且，隨著拉伸位移量的增大，電路諧振頻率連續(xù)減小。定義傳感器靈敏度為圖2 中諧振頻率與拉伸位移曲線的比值（單位為MHz/mm）。由此可以做出諧振頻點隨拉伸量的具體變化關(guān)系圖（見圖3），由圖3 可知，在20%的形變程度內(nèi)，諧振頻點隨拉伸量的變化呈現(xiàn)非常好的線性特性，且可以計算出，此時傳感器隨1%拉伸形變，諧振頻點漂移量為83.2MHz，具有非常好的探測靈敏度。線性的關(guān)系則表明可以由其頻點漂移量精確的反推出玻璃幕墻的松動程度。

由圖3 可知，雖然線性隨著拉伸位移范圍的增加而降低，但在25%以下的范圍內(nèi)，線性度均高于0.98。在超過25%高位移形變下諧振頻率才漸趨飽和，這也意味著諧振頻率隨位移形變量的變化率降低，從而導(dǎo)致較低的靈敏度。因此，可根據(jù)玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)幾何形狀和傳感器所需工作頻率的限制來選擇最佳工作范圍。

圖2 傳感S11 工作曲線隨拉伸量的變化圖（S11 參數(shù)）

圖3 諧振頻點與PET變形拉伸的關(guān)系曲線

圖4 是傳感器樣品工作于7.723GHz 時的垂直表面磁場分布圖。由圖4 可以看出，對于這種共振情況，在傳感器金屬貼片上實現(xiàn)了高度的電磁場局部化，創(chuàng)建了一個局部特征場，它反射回我們耦合系統(tǒng)響應(yīng)的天線。該傳感器呈奇模諧振狀態(tài)，在諧振頻點工作時，電磁場能量主要集中于金屬單元處，諧振頻點處具有最大的探測靈敏度。圖4 中所示電場的大小無關(guān)緊要，無論位移水平如何，都能獲得很高的定位。場的高局部化意味著更高的靈敏度，并且由于近場耦合系統(tǒng)中存儲能量的增加，共振變得更深。而且，這也可使得傳感器在實際工程測試中，能在應(yīng)用中提高對灰塵、水蒸氣等電磁介質(zhì)的抗干擾能力。

圖4 傳感器樣品工作于7.723GHz 時的垂直表面磁場分布圖

4 結(jié)論與展望

綜上所述，本文提出并論證了一種無線傳感器，可用于檢測結(jié)構(gòu)中所經(jīng)歷的微米尺度到毫米尺度的位移。該傳感器主要用于探測玻璃結(jié)構(gòu)松動失效及其損傷評估。傳感器具有高線性和高分辨率（監(jiān)測位移變化小于1μm）。傳感器也顯示出其在工作頻率范圍內(nèi)的線性工作特點。該傳感器的一個主要優(yōu)點是，它在25%形變范圍內(nèi)均是線性工作區(qū)間，其線性擬合度大于98%，所以可以根據(jù)其頻率漂移精確地計算出玻璃幕墻的形變程度。而且由于周期性諧振電路是被動的，傳感器可以遠(yuǎn)程探測位移形變，因此，設(shè)計免除了破壞性測試和更換電源帶來的復(fù)雜性。未來在實際工程的應(yīng)用中，將進(jìn)一步研究周圍介質(zhì)對傳感器性能的影響，以測試真實工程場景下傳感器的性能。但作為概念驗證，本文提出的無線傳感器，還是得到了仿真數(shù)值模擬實驗結(jié)果的支持，表明這種超材料傳感器所支持的位移形變探測在遠(yuǎn)程玻璃幕墻結(jié)構(gòu)監(jiān)測和診斷中具有重大的工程應(yīng)用前景。