盧必偉，劉志平，郭 謙，李 麗

(1.武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北武漢 430063；2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟(jì)源 459000)

0 引言

金屬結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械裝備、土木工程和海洋工程等領(lǐng)域，其在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，常處于高溫、高壓、疲勞載荷等惡劣環(huán)境中，會(huì)難以避免地產(chǎn)生各種損傷和缺陷，造成嚴(yán)重后果。為了保證金屬結(jié)構(gòu)在服役期間能安全運(yùn)行并延長(zhǎng)其使用壽命，普遍的方法是利用傳感器對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況與狀態(tài)參數(shù)[1]。

傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量方法存在布線復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高和效率低等問(wèn)題，使用微帶天線傳感器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量能較好地克服以上不足[2]。微帶天線傳感器是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、制作方便、成本低、能無(wú)線被動(dòng)式地測(cè)量金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)變[3-5]等信息、應(yīng)用前景廣泛的優(yōu)點(diǎn)[6]。

自U.Tata和H.Huang等將矩形微帶貼片天線用于金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量后[7]，微帶天線傳感器開(kāi)始應(yīng)用到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其展開(kāi)研究。A.Daliri等將圓形貼片天線作為應(yīng)變傳感器，推導(dǎo)了其諧振頻率與應(yīng)變大小的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)傳感器可感知任意方向上的應(yīng)變，適用于應(yīng)變測(cè)量[8]。但相比較于傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器，微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度不高，靈敏度較低，需進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化研究。

T.T.Thai等提出了一種帶懸臂環(huán)的微帶貼片天線傳感器，其結(jié)構(gòu)包括1個(gè)貼片和2個(gè)懸臂環(huán)，研究證明了基于開(kāi)環(huán)貼片天線的設(shè)計(jì)能夠提高應(yīng)變測(cè)量的靈敏度[9]。但受限于制造能力與組裝精度，且受工作環(huán)境影響較大，靈敏度提高效果并不理想。葛航宇等研究了基于微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了4種尺寸的微帶天線傳感器，發(fā)現(xiàn)不同尺寸貼片下的靈敏度是不同的，從尺寸角度分析相關(guān)的應(yīng)變測(cè)量靈敏度[10-11]。A.Benchirouf等用相關(guān)軟件對(duì)微帶天線傳感器的應(yīng)變效應(yīng)做了仿真分析，發(fā)現(xiàn)諧振頻率對(duì)相應(yīng)模態(tài)的應(yīng)變敏感，沿貼片長(zhǎng)度方向的靈敏度大于寬度方向，但應(yīng)變測(cè)量靈敏度仍然較低，需要進(jìn)一步提高其靈敏度。采用納米基板和其他新型材料是值得考慮的一種方法[12]，但納米材料與新型材料制作困難，成本較高。

目前對(duì)于應(yīng)變測(cè)量靈敏度提高的研究，主要是通過(guò)對(duì)貼片尺寸L進(jìn)行設(shè)計(jì)、采用應(yīng)變靈敏度高的材料使得諧振頻率發(fā)生改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，缺乏對(duì)于基質(zhì)介電常數(shù)εe的相關(guān)研究。對(duì)于諧振頻率來(lái)說(shuō)，基質(zhì)介電常數(shù)εe是其重要影響因素，因此研究因基質(zhì)的εe改變而帶來(lái)的應(yīng)變測(cè)量靈敏度的提高是有必要的。

本文研究了帶空氣層的復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量方法，從理論上分析了帶空氣層的復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度，設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合基質(zhì)天線傳感器；應(yīng)用HFSS軟件對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并仿真研究最優(yōu)解下的復(fù)合基質(zhì)天線傳感器“諧振頻率-應(yīng)變”關(guān)系，研究復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)下的應(yīng)變測(cè)量靈敏度；對(duì)所設(shè)計(jì)的復(fù)合基質(zhì)天線傳感器和傳統(tǒng)微帶天線傳感器進(jìn)行拉伸對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證其應(yīng)變測(cè)量靈敏度的提高。

1 天線傳感器應(yīng)變測(cè)量原理及其靈敏度

1.1 傳統(tǒng)微帶天線傳感器應(yīng)變測(cè)量原理

微帶天線又稱微帶貼片天線，由一層介電基質(zhì)、涂覆在基質(zhì)一側(cè)的貼片和基質(zhì)另一側(cè)的接地板組成。其中貼片和接地板均為良導(dǎo)體，被中間的絕緣介電基質(zhì)隔開(kāi)。在其工作時(shí)，采用一定的方式向貼片天線進(jìn)行饋電，可在貼片和接地板之間激勵(lì)起交變電磁場(chǎng)，通過(guò)貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射特定諧振頻率的電磁波。

以貼片長(zhǎng)度方向?yàn)槔?，如圖1所示，當(dāng)微帶貼片天線傳感器隨金屬結(jié)構(gòu)受載時(shí)，長(zhǎng)度方向上將產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)?，受載變形前的貼片長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，基質(zhì)厚度為H，虛線表示貼片受載變形后的輪廓。

圖1 微帶天線傳感器受載示意圖

貼片天線傳感器的諧振頻率如式(1)所示[13-14]。

(1)

其中εeff和ΔL分別為[15]：

(2)

(3)

推導(dǎo)可得：

(4)

進(jìn)一步得：

(5)

泰勒展開(kāi)后整理得：

(6)

1.2 傳感器應(yīng)變測(cè)量靈敏度分析

定義每單位應(yīng)變引起的諧振頻率變化量為微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度，則由式(6)可知靈敏度與傳感器的初始諧振頻率有關(guān)，即由傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)決定。微帶天線傳感器初始諧振頻率的主要影響因素包括貼片長(zhǎng)度與基質(zhì)，通過(guò)改變傳感器的貼片長(zhǎng)度、基質(zhì)結(jié)構(gòu)與基質(zhì)介電常數(shù)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量靈敏度的增大。

通過(guò)改變貼片尺寸，研究傳感器靈敏度的變化，分析表明其受到貼片尺寸與諧振頻率的雙重影響：貼片尺寸越大、諧振頻率越大，靈敏度越高。但微帶天線的貼片尺寸與其諧振頻率呈負(fù)相關(guān)，即尺寸越大，諧振頻率越低。因此在設(shè)計(jì)微帶天線應(yīng)變傳感器時(shí)應(yīng)綜合考慮這兩者的影響。

為研究基質(zhì)介電常數(shù)及其改變量對(duì)諧振頻率的影響，取貼片幾何尺寸為：L=40 mm，W=28 mm，分別取應(yīng)變?yōu)?00 με、200 με、300 με，分析應(yīng)變測(cè)量下基質(zhì)介電常數(shù)對(duì)諧振頻率改變量的影響，如圖2(a)所示。并通過(guò)調(diào)節(jié)基質(zhì)介電常數(shù)改變量大小，得到介電常數(shù)改變量對(duì)于諧振頻率改變量的研究結(jié)果，如圖2(b)所示。

(a)介電常數(shù)的影響

由圖2(a)可以看出，隨著基質(zhì)介電常數(shù)的增加，傳感器的諧振頻率改變量逐漸變小。在基質(zhì)介電常數(shù)的變化區(qū)間內(nèi)，為提高應(yīng)變測(cè)量時(shí)的諧振頻率改變量，可從減小基質(zhì)介電常數(shù)的角度進(jìn)行考慮。由圖2(b)可知，傳感器的介電常數(shù)改變量越大，其在應(yīng)變測(cè)量時(shí)的諧振頻率改變量也越大，為了提高傳感器應(yīng)變測(cè)量的靈敏度，應(yīng)增大其介電常數(shù)的改變量。

1.3 復(fù)合基質(zhì)天線傳感器應(yīng)變測(cè)量原理

引進(jìn)空氣層后，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)受載時(shí)，基質(zhì)層承受應(yīng)變，空氣層長(zhǎng)度尺寸L1發(fā)生變化，如圖3所示，從而帶來(lái)復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)在應(yīng)變前后的相對(duì)介電常數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

圖3 帶空氣層的復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)微帶天線傳感器受載示意圖

假設(shè)貼片與基質(zhì)材料的泊松比一致，均為γ，可知貼片寬度與基質(zhì)厚度的比值W/H在變化前后為常數(shù)。引入空氣層后，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)受載時(shí)，由于貼片下方基質(zhì)層尺寸與空氣層長(zhǎng)度尺寸L1發(fā)生變化，有效介電常數(shù)εeff在應(yīng)變前后發(fā)生改變，電長(zhǎng)度增量ΔL隨應(yīng)變成比例變化。復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)天線傳感器在應(yīng)變前后的諧振頻率分別如式(7)、式(8)所示：

(7)

(8)

諧振頻率變化量為Δf，則結(jié)合式(7)和式(8)可得：

(9)

進(jìn)一步得：

(10)

由于ε通常是微應(yīng)變級(jí)別，則式(10)可根據(jù)泰勒展開(kāi)寫(xiě)為：

(11)

略去高階微量可得：

(12)

同理，當(dāng)微帶天線傳感器寬度方向承受應(yīng)變時(shí)，對(duì)TM01模進(jìn)行分析，可得到相似的“諧振頻率-應(yīng)變”關(guān)系及靈敏度關(guān)系。

2 復(fù)合基質(zhì)天線傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合基質(zhì)天線傳感器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的微帶天線傳感器基質(zhì)層為一層介電材料，結(jié)構(gòu)確定。為增大應(yīng)變測(cè)量時(shí)天線傳感器的諧振頻率改變量，提高傳感器應(yīng)變測(cè)量靈敏度，通過(guò)設(shè)計(jì)基質(zhì)結(jié)構(gòu)，引入空氣層，使得應(yīng)變?cè)诟淖冑N片尺寸時(shí)，也改變傳感器的有效介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)增大諧振頻率改變量的目的。

引入空氣層后，為保證傳感器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使傳感器有效介電常數(shù)在承受應(yīng)變時(shí)發(fā)生變化，需在上層添加一層基質(zhì)材料，采用雙層基質(zhì)結(jié)構(gòu)[16]。

選用雙層基質(zhì)時(shí)，微帶天線傳感器的相對(duì)介電常數(shù)為，其基質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中h1、εr1代表下層基質(zhì)的厚度及其材料的相對(duì)介電常數(shù)，h2、εr2代表上層基質(zhì)的厚度及其相對(duì)介電常數(shù)。

圖4 雙層基質(zhì)示意圖

設(shè)計(jì)得到帶空氣層的復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器的模型，如圖5所示?？紤]現(xiàn)有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍，設(shè)計(jì)貼片尺寸L×W為40 mm×28 mm。設(shè)計(jì)采用貼片長(zhǎng)度1/4處微帶天線饋電的方式。

圖5 含空氣層的復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器

對(duì)于含空氣層的復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器，其諧振頻率及其改變量大小的影響因素包括：空氣層的長(zhǎng)度尺寸L1、下層基質(zhì)厚度h1、下層基質(zhì)介電常數(shù)εr1、上層基質(zhì)厚度h2、上層基質(zhì)介電常數(shù)εr2。為確定各因素的具體影響，需進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。

2.2 復(fù)合基質(zhì)天線傳感器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

諧振頻率是微帶天線傳感器用于應(yīng)變研究的重要指標(biāo)，其改變量是衡量應(yīng)變測(cè)量靈敏度大小的關(guān)鍵參數(shù)，因此，本文研究含空氣層的復(fù)合基質(zhì)天線傳感器在應(yīng)變測(cè)量下的諧振頻率改變量，以此建立目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

含空氣層的復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)貼片天線傳感器在承受應(yīng)變前后的諧振頻率分別如式(7)、式(8)所示。通過(guò)上文中的推導(dǎo)可知：

(13)

(14)

傳統(tǒng)微帶天線傳感器在應(yīng)變前后：

(15)

2.2.2 約束條件

2.2.2.1 基質(zhì)材料介電常數(shù)

設(shè)計(jì)微帶天線時(shí)，基質(zhì)介電常數(shù)取用的范圍在2～10之間[17]，表1為常見(jiàn)的基質(zhì)材料及其介電常數(shù)。

表1 常用的幾種基質(zhì)材料的介電常數(shù)

2.2.2.2 基質(zhì)材料厚度

微帶天線通常因?yàn)槠拭姹。w積小，具有平面結(jié)構(gòu)，能夠在物體表面形成共形。為了保證微帶天線體積小巧的優(yōu)勢(shì)，其基質(zhì)的厚度不能取過(guò)大，且基質(zhì)越厚，應(yīng)變傳遞效率越低，通常制作微帶天線所用的基質(zhì)材料在使用時(shí)的厚度大多在2 mm以下，受加工精度的限制與影響，這些材料使用時(shí)的厚度范圍在0.5～2 mm之間。

2.2.2.3 空氣層長(zhǎng)度

空氣層長(zhǎng)度越大，傳感器穩(wěn)定性不夠，越小，加工難度高，成本高，因此空氣層長(zhǎng)度尺寸的取值范圍為0.5～1.5 mm。

2.2.3 優(yōu)化求解

遺傳算法(genetic algorithm，GA)是一種參考了生物遺傳學(xué)理論中適者生存和遺傳進(jìn)化機(jī)制的隨機(jī)優(yōu)化搜索算法。和其他的優(yōu)化方法相比，遺傳算法具有很好的收斂性，具有良好的全局搜索能力，不會(huì)陷入局部最優(yōu)解的快速下降陷阱[18]。

HFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中自帶了遺傳算法等優(yōu)化算法，在優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)中選擇遺傳算法，并進(jìn)行算法參數(shù)設(shè)置，即可應(yīng)用遺傳算法作為模型優(yōu)化的求解算法。

首先按照?qǐng)D4所示的傳感器結(jié)構(gòu)，依次構(gòu)建接地板、基質(zhì)、輻射貼片和饋線，然后建立矩形空氣域包圍整個(gè)微帶天線傳感器。在各個(gè)方向上，空氣域到微帶天線邊緣的距離不得少于1/4真空波長(zhǎng)。

模型優(yōu)化仿真的迭代次數(shù)設(shè)置為200，通過(guò)優(yōu)化算法求解目標(biāo)函數(shù)的最大值，迭代完成后優(yōu)化停止。

2.2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

2.2.4.1 多參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化仿真迭代完成后，得到各參數(shù)范圍內(nèi)的優(yōu)化結(jié)果，整理后如圖6所示。當(dāng)各個(gè)參數(shù)分別為：下層基質(zhì)介電常數(shù)εr1為6.4(材料可選用RT/duroid 6202)；上層基質(zhì)介電常數(shù)εr2為2.79(材料可選用RO3206)；下層基質(zhì)厚度h1為0.85 m；上層基質(zhì)厚度h2為0.55 mm；空氣層的長(zhǎng)度尺寸L1為0.68 mm時(shí),初始諧振頻率為2.8 GHz，優(yōu)化得到的值最大為660 kHz。

圖6 多參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.2.4.2 誤差函數(shù)

迭代完成后，查看優(yōu)化仿真的誤差函數(shù)值，如圖7所示。

圖7 誤差函數(shù)

優(yōu)化得到的目標(biāo)函數(shù)值為6.6×10-6，由圖7可知仿真迭代200次后得到的誤差小于5×10-8，小于目標(biāo)函數(shù)值的1%，優(yōu)化結(jié)果收斂。

3 仿真分析

在軟件中建立相關(guān)模型，研究分析復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果[19]。在某一方向上施加載荷模擬結(jié)構(gòu)上不同的應(yīng)力狀態(tài)，由于結(jié)構(gòu)受載導(dǎo)致貼片變形或貼片尺寸變化，對(duì)應(yīng)方向上的諧振頻率發(fā)生偏移，觀察仿真得到的諧振頻率偏移量的大小，分析基質(zhì)結(jié)構(gòu)在相同應(yīng)變下的諧振頻率改變量大小。

以長(zhǎng)度方向受載為例，簡(jiǎn)化仿真模型的約束條件，對(duì)傳感器施加“指定位移”，模擬應(yīng)力場(chǎng)下應(yīng)變的影響，傳感器諧振頻率的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 復(fù)合基質(zhì)天線傳感器與傳統(tǒng)微帶天線傳感器“諧振頻率-應(yīng)變”仿真結(jié)果

對(duì)比采用基質(zhì)材料為FR4的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)微帶天線傳感器，基質(zhì)層為單層結(jié)構(gòu)，貼片尺寸等參數(shù)大小一致。當(dāng)承受應(yīng)變時(shí)，分析諧振頻率的變化，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：當(dāng)使用帶空氣層的復(fù)合基質(zhì)天線傳感器時(shí)，每變化100個(gè)微應(yīng)變，諧振頻率變化640 kHz；采用基質(zhì)材料為FR4的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)微帶天線傳感器時(shí)，每變化100個(gè)微應(yīng)變，諧振頻率變化180 kHz。

相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的180 kHz/100 με，復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度為640 kHz/100 με，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)天線傳感器的3.56倍。結(jié)果表明：當(dāng)引入空氣層后，基質(zhì)結(jié)構(gòu)變化時(shí)，由受力產(chǎn)生形變導(dǎo)致的諧振頻率改變量增大了，從而帶來(lái)微帶天線傳感器應(yīng)變測(cè)量靈敏度的提高。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)包括復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)貼片天線傳感器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、50 kN拉力試驗(yàn)機(jī)(THMELX-2)、應(yīng)變片、靜態(tài)應(yīng)變儀(10通道，DH3818)、鋁制試件、同軸連接器(subminiature version a，SMA)。試驗(yàn)裝置如圖9所示，將制作的復(fù)合基質(zhì)貼片天線傳感器粘接于鋁制試件表面，通過(guò)同軸連接器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連。鋁板的下表面按照貼片天線諧振模式對(duì)應(yīng)測(cè)量方向布置應(yīng)變片，并與靜態(tài)應(yīng)變儀相連，其試驗(yàn)布置如圖10所示。復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器如圖11(a)所示，為對(duì)比驗(yàn)證復(fù)合基質(zhì)貼片天線傳感器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)靈敏度提高的效果，試驗(yàn)對(duì)比設(shè)計(jì)了基質(zhì)為FR4的傳統(tǒng)微帶天線傳感器(尺寸、大小等參數(shù)相同)，如圖11(b)所示。

圖9 應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)裝置

圖10 天線傳感器局部

(a)復(fù)合基質(zhì)結(jié)構(gòu)天線傳感器

將試件裝夾在拉力試驗(yàn)機(jī)上，在拉力試驗(yàn)機(jī)控制終端上編制加載程序，逐級(jí)施加載荷，每個(gè)載荷步停止40 s，以確保足夠的時(shí)間進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)變儀和網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀的讀數(shù)。拉力試驗(yàn)機(jī)以3 kN為步長(zhǎng)逐級(jí)加載，載荷變化范圍為0～12 kN，將多次測(cè)量的諧振頻率平均值作為該級(jí)載荷下的諧振頻率。

通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變儀讀出接地板和貼片上的應(yīng)變值，如表2、表3所示。

表2 復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器器應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

表3 傳統(tǒng)微帶天線傳感器應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

應(yīng)變和傳感器諧振頻率的關(guān)系如圖12所示。由圖12可知，試驗(yàn)得到的復(fù)合基質(zhì)天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度為555 kHz/100 με，線性度為0.978 5；傳統(tǒng)微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度為174 kHz/100 με，線性度為0.984 5。

圖12 諧振頻率和應(yīng)變的關(guān)系

4.2 結(jié)果分析

在多次應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)中，復(fù)合基質(zhì)天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果存在一定的波動(dòng)，但總體位于平均值附近。

由表2、表3可知，傳統(tǒng)微帶天線傳感器測(cè)量的應(yīng)變與載荷具有良好的線性關(guān)系，應(yīng)變傳遞效率較高，復(fù)合基質(zhì)天線傳感器基質(zhì)結(jié)構(gòu)為雙層，應(yīng)變傳遞效率較前者有所降低，但仍保持較好的傳遞效率，能較好實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象應(yīng)變的測(cè)量。

對(duì)于傳統(tǒng)微帶天線傳感器，仿真得到的應(yīng)變測(cè)量靈敏度為180 kHz/100 με，試驗(yàn)結(jié)果為174 kHz/100 με。復(fù)合基質(zhì)天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度仿真值為640 kHz/100 με，試驗(yàn)值為555 kHz/100 με。仿真中復(fù)合基質(zhì)天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度為傳統(tǒng)微帶天線傳感器的3.56倍，試驗(yàn)結(jié)果得到的復(fù)合基質(zhì)天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度為傳統(tǒng)微帶天線傳感器的3.19倍。

貼片天線傳感器應(yīng)變測(cè)量結(jié)果與仿真值存在一定差異，但其變化規(guī)律一致，主要與試樣的制造誤差、粘接工藝以及試驗(yàn)環(huán)境有關(guān)，試驗(yàn)采用的SMA接頭的焊接狀況對(duì)諧振頻率的檢測(cè)結(jié)果也有一定影響。因此，提高試樣的加工精度、粘接工藝和焊接工藝在一定程度上可提高傳感器應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)帶空氣層的復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量方法進(jìn)行了理論研究，提出了一種新型的復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其應(yīng)變測(cè)量方法進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了引進(jìn)空氣層的復(fù)合基質(zhì)微帶天線傳感器能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量靈敏度的提高。

帶空氣層的復(fù)合基質(zhì)天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果表明：對(duì)基質(zhì)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)引進(jìn)空氣層后，在相同應(yīng)變下，其應(yīng)變測(cè)量靈敏度為555 kHz/100 με，是對(duì)照組傳統(tǒng)微帶天線傳感器的3.19倍，提高了應(yīng)變測(cè)量靈敏度。

本文通過(guò)對(duì)微帶天線傳感器基質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變測(cè)量靈敏度的提高，裝置制作方便、簡(jiǎn)單易行。但受制于SMA接頭的焊接狀況與結(jié)構(gòu)粘接情況對(duì)檢測(cè)的干擾，試驗(yàn)測(cè)得的諧振頻率與理論仿真諧振頻率存在一定偏差。綜上所述，本文為利用貼片天線傳感器實(shí)現(xiàn)高靈敏度的應(yīng)變檢測(cè)提供了可能，為傳感器的設(shè)計(jì)提供了參考。