黃 東，董麗虹，王海斗，徐雅薇，趙運(yùn)才，王慧鵬

(1.江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

0 引言

飛機(jī)、橋梁、鐵軌等大型機(jī)械在長(zhǎng)期服役中，難免會(huì)受到極端載荷或惡劣環(huán)境的影響，產(chǎn)生裂紋，發(fā)生結(jié)構(gòu)故障，可能造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估，建立安全預(yù)警機(jī)制具有重要意義[1]。迄今為止，結(jié)構(gòu)健康狀況的評(píng)估主要依賴于無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)[2]，如液體滲透檢測(cè)[3]、超聲波檢測(cè)[4]、渦流檢測(cè)[5]、熱成像檢測(cè)[6]等。這些評(píng)估方法在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方面能夠顯出較好的靈敏度及可靠性，但這些設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，往往需要大量布線及同時(shí)對(duì)現(xiàn)役環(huán)境要求很高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模布置、 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)促進(jìn)了被動(dòng)無(wú)源傳感器的開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)了永久安裝與在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，基于射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽傳感器成本低，操作簡(jiǎn)單，安全可靠且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)源無(wú)線的特點(diǎn)，被視為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的潛在技術(shù)倍受關(guān)注。

目前，基于RFID系統(tǒng)的傳感器裂紋測(cè)量主要是針對(duì)裂紋一個(gè)維度變化的靜態(tài)檢測(cè)，大量學(xué)者進(jìn)行了一系列的探索研究。Yi等[7]設(shè)計(jì)了一款折疊天線傳感器監(jiān)測(cè)裂紋，并對(duì)兩塊鋁合金板件間不同縫隙大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明該傳感器可以感知毫米級(jí)的縫隙變化。Zhang等[8]設(shè)計(jì)了帶有矩形窗口的圓形RFID天線傳感器對(duì)表面裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)對(duì)預(yù)制不同深度的裂紋(固定表面裂紋寬度、長(zhǎng)度不變，改變表面裂紋深度)鋁合金試樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明該傳感器能實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的檢測(cè)靈敏度。Marindra等[9]設(shè)計(jì)了一種無(wú)芯片RFID標(biāo)簽傳感器，通過(guò)對(duì)預(yù)制不同寬度的裂紋(固定裂紋長(zhǎng)度及深度不變)金屬試樣進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器可以實(shí)現(xiàn)亞毫米的監(jiān)測(cè)靈敏度?？滴姆嫉萚10]設(shè)計(jì)了一款微帶天線傳感器，通過(guò)對(duì)預(yù)制不同裂紋寬度(固定裂紋長(zhǎng)度、深度)試樣檢測(cè)，結(jié)果表明該傳感器可以實(shí)現(xiàn)亞毫米的監(jiān)測(cè)能力。此外，國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者的試驗(yàn)研究也是一維靜態(tài)裂紋的檢測(cè)，其研究對(duì)象是預(yù)制好的裂紋，并且只改變了裂紋擴(kuò)展一個(gè)方向的尺寸(其余方向裂紋尺寸不變)，然而，表面裂紋是沿著深度及長(zhǎng)度方向同時(shí)擴(kuò)展的。因此，以上研究具有一定局限性。

本文采用微帶標(biāo)簽天線作為裂紋監(jiān)測(cè)的傳感器，設(shè)計(jì)了一種新的裂紋擴(kuò)展測(cè)試方法，該方法不僅能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)過(guò)程中的射頻信號(hào)，還可以獲得表面裂紋在二維平面擴(kuò)展中的實(shí)際尺寸，建立了反向散射信號(hào)相位(φ)與表面裂紋擴(kuò)展面積的關(guān)系。本文也對(duì)其他裂紋傳感器應(yīng)用于監(jiān)測(cè)表面裂紋測(cè)試試驗(yàn)提供了技術(shù)參考。

1 微帶天線傳感器

1.1 微帶天線傳感器的工作原理

當(dāng)標(biāo)簽傳感器放置在金屬結(jié)構(gòu)表面工作時(shí)，待測(cè)金屬結(jié)構(gòu)成為標(biāo)簽新的接地板，其表面就會(huì)形成與標(biāo)簽極化方向平行的感應(yīng)面電流，并分布在標(biāo)簽輻射貼片下表面及金屬結(jié)構(gòu)平面上。本文中，標(biāo)簽面電流的方向與表面裂紋垂直且與標(biāo)簽傳感器長(zhǎng)度方向平行，如圖1所示。

圖1 傳感器布置及面電流分布示意圖

當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面裂紋時(shí)，其面電流經(jīng)過(guò)表面裂紋凹陷部分，待測(cè)金屬結(jié)構(gòu)的面電流路徑長(zhǎng)度會(huì)隨著表面裂紋深度的增加而遞增。此外，隨著表面裂紋長(zhǎng)度增加，經(jīng)過(guò)表面裂紋凹陷部分的比例增大，同樣會(huì)使面電流路徑長(zhǎng)度增長(zhǎng)，如圖2所示。面電流路徑長(zhǎng)度Le=L+2ΔL0，其中L為輻射貼片長(zhǎng)度，ΔL0為由邊緣效應(yīng)引起的電長(zhǎng)度增量，是與輻射貼片寬度W、標(biāo)簽基材厚度h及基材介電常數(shù)εe相關(guān)的函數(shù)[11]，即：

(1)

圖2 面電流分布示意圖

面電流與標(biāo)簽傳感器參數(shù)[12]具有如下關(guān)系：

(2)

式中：f為標(biāo)簽傳感器諧振頻率；cg為自由空間的光速。由式(2)可知,隨著Le的增大，f逐漸變小,即隨著表面裂紋的不斷擴(kuò)展，面電流路徑越大。因此，可用標(biāo)簽性能參數(shù)來(lái)表征表面裂紋的擴(kuò)展情況。

1.2 微帶天線傳感器的結(jié)構(gòu)組成

基于RFID的標(biāo)簽傳感器主要由介質(zhì)基板、輻射貼片及芯片組成，如圖3所示。其中輻射貼片和接地板刻蝕在相對(duì)介電常數(shù)為4.4的RF4基板上，并通過(guò)短路針相連。標(biāo)簽芯片為Alien Higgs-3，當(dāng)工作頻率為915 MHz時(shí)，輸入阻抗Zchip=(27+j201)Ω，芯片右端連接輻射貼片，左端連接傳輸線。標(biāo)簽傳感器具體尺寸如表1所示。與傳統(tǒng)易損型裂紋傳感標(biāo)簽相比，該傳感器具有在不改變標(biāo)簽物理結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)裂紋傳感的特點(diǎn)，因此該傳感標(biāo)簽可以重復(fù)使用，減少了在監(jiān)測(cè)裂紋過(guò)程中傳感單元的損耗。

圖3 微帶標(biāo)簽天線傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 微帶天線傳感器尺寸參數(shù)

1.3 裂紋表征參數(shù)

RFID標(biāo)簽傳感器的性能在諧振頻率下最佳，即集成電路芯片與天線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，對(duì)應(yīng)其功率反射系數(shù)Γ值最小[13]。由式(2)可知，f會(huì)隨著Le的增加而減小,即Γ值在較低的頻率下便能達(dá)到最小值。Γ值的計(jì)算公式為

(3)

式中Zc、Zt分別為標(biāo)簽芯片阻抗和標(biāo)簽天線的阻抗。由于Г難以直接測(cè)量，故采用可由閱讀器測(cè)量的φ來(lái)表征標(biāo)簽性能的變化。φ是RFID系統(tǒng)反向鏈路中的測(cè)量參數(shù)，與讀寫器正交解調(diào)后的交流部分I和Q(I、Q分別為讀寫器同相/正交解調(diào)后對(duì)應(yīng)的分量)有關(guān)。在解調(diào)過(guò)程中，標(biāo)簽芯片存在兩種狀態(tài)，一種是芯片阻抗與標(biāo)簽阻抗達(dá)到匹配，另一種是短路。因此,φ與兩種狀態(tài)下Г相關(guān)，即存在以下關(guān)系式[14]：

(4)

式中：φ0為常數(shù)，由標(biāo)簽傳感器與讀寫器的相對(duì)位置決定；Г1、Г2為芯片兩種工作狀態(tài)下的功率反射系數(shù)。因此選取φ為裂紋擴(kuò)展表征參數(shù)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試樣準(zhǔn)備

為探索標(biāo)簽傳感器監(jiān)測(cè)表面裂紋擴(kuò)展的能力，本實(shí)驗(yàn)材料選取5A06鋁合金，因其具有韌性高，耐蝕性好，加工與焊接性能優(yōu)異及綜合力學(xué)性能高的特點(diǎn)，常被作為航空鋁材使用，其主要化學(xué)成分如表2所示，其抗拉強(qiáng)度為315 MPa，屈服強(qiáng)度為155 MPa。試樣參照GB/T 228.1—2010《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)方法》[15]進(jìn)行加工，在其中心位置，采用電火花加工出1個(gè)半橢圓的表面缺陷，作為預(yù)制裂紋。試樣尺寸如圖4所示。

表2 5A06鋁合金的化學(xué)成分

圖4 試樣尺寸示意圖

2.2 試驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)在MTS-880型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其動(dòng)態(tài)載荷為±250 kN，系統(tǒng)誤差為±3%，頻率為0～20 Hz。射頻信號(hào)采集設(shè)備采用Tagformance讀寫器，它可以對(duì)UHF和HF兩個(gè)頻段的標(biāo)簽性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的標(biāo)簽性能參數(shù)有：閾值功率、反向散射信號(hào)、方向靈敏度及識(shí)讀距離。本文采用反向散射相位作為裂紋擴(kuò)展表征參數(shù)。采用SteREO DiscoveryV12立體顯微鏡測(cè)量疲勞斷口尺寸，其總放大倍數(shù)為2.4x～575x(x為該立體顯微鏡的放大倍數(shù))，工作行程為340 mm，調(diào)焦精度為350 nm。

2.3 試驗(yàn)方法

為建立射頻信號(hào)與表面裂紋尺寸的關(guān)系，本文采用降載勾線法進(jìn)行基于標(biāo)簽傳感器監(jiān)測(cè)表面裂紋的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)。該方法是采用合理的加載序列，在試樣斷面上形成肉眼可見的疲勞弧線[16-18]。然后利用立體顯微鏡測(cè)量這些疲勞裂紋的尺寸。在疲勞試驗(yàn)前，需要對(duì)降載勾線中的疲勞加載序列進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合文獻(xiàn)[19]，確定疲勞載荷的最大拉應(yīng)力約為抗拉強(qiáng)度的0.55倍，基準(zhǔn)載荷階段的應(yīng)力比約為0.2，標(biāo)記載荷的應(yīng)力比約為0.8時(shí)，可以在試樣斷口處留下清晰可見的疲勞弧線。設(shè)計(jì)的加載序列如表3所示。

表3 疲勞實(shí)驗(yàn)加載序列

將微帶天線傳感器用雙面膠固定在試樣中心，然后把試樣夾緊于疲勞試驗(yàn)機(jī)上下夾頭。此外，將Tagformance讀寫器天線固定在支架上，并保持讀寫器天線極化方向與微帶天線傳感器極化方向一致，兩者相距30 cm。各設(shè)備布置如圖5所示。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校對(duì)，以消除測(cè)試環(huán)境和測(cè)試路徑的損失對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，確保結(jié)果的可靠性。

圖5 各設(shè)備相對(duì)位置示意圖

疲勞試驗(yàn)時(shí)，疲勞試驗(yàn)機(jī)載荷大小按照表3所示依次進(jìn)行設(shè)置，其疲勞載荷為15 Hz頻率下的正弦波形。同時(shí)開啟Tagformance讀寫器采集微帶天線傳感器的射頻信號(hào)，讀寫器采樣頻率設(shè)為0.07 s/次，發(fā)射功率設(shè)置為20 dBm，工作頻率設(shè)置為915 MHz。直至試樣斷裂，同時(shí)暫停疲勞試驗(yàn)機(jī)與Tagformance讀寫器，并保存數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了8組，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得所測(cè)得的試樣射頻信號(hào)(反向散射信號(hào)相位φ)變化規(guī)律類似，因此對(duì)其中一個(gè)試樣進(jìn)行分析。整個(gè)疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程所得射頻信號(hào)φ如圖6所示，其對(duì)應(yīng)試樣斷口圖片如圖7所示。

圖6 原始反向散射信號(hào)相位示意圖

圖7 疲勞斷口的實(shí)際裂紋形貌和測(cè)量圖

由圖6可知，在疲勞載荷下試樣φ隨著疲勞時(shí)間的遞增整體呈下降趨勢(shì)。疲勞試驗(yàn)初期(即載荷序列1階段)，φ下降速率相比其他階段較快，這種現(xiàn)象是因?yàn)檩d荷序列1所設(shè)定載荷較大，且疲勞次數(shù)較多，此階段裂紋的擴(kuò)展速率最快。因此，在一定情況下可利用φ值曲線斜率變換快慢來(lái)表征裂紋擴(kuò)展速率。在疲勞試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，φ信號(hào)先迅速降低，而后驟然上升且略大于初始相位。這種現(xiàn)象是因?yàn)樵嚇蛹磳嗔褧r(shí)只有極少量電流通過(guò)試樣，所以φ急速下降；而后試樣發(fā)生斷裂，被測(cè)試樣的面電流路徑徹底切斷，導(dǎo)致φ迅速回升。由圖7可知，該試樣斷口處勾勒出6條清晰的半橢圓式的疲勞弧線，這與完整的疲勞載荷序列數(shù)一致。用SteREO DiscoveryV1立體顯微鏡的測(cè)量工具分別測(cè)量每條疲勞弧線的深度a及長(zhǎng)度c，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 疲勞弧線尺寸表

為建立φ與表面裂紋擴(kuò)展面積間較準(zhǔn)確的關(guān)系，需對(duì)采集到的反向散射信號(hào)相位曲線圖進(jìn)行平滑處理。經(jīng)過(guò)Loess平滑處理后的φ如圖8所示。

圖8 平滑處理后反向散射信號(hào)相位

(5)

表5 不同疲勞弧線對(duì)應(yīng)時(shí)間段的及S

圖9 反向散射信號(hào)相位平均值的線性擬合

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)為RFID標(biāo)簽傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展提供了新的思路。首先，采取降載勾線法進(jìn)行表面裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，解決了表面裂紋在疲勞擴(kuò)展中其尺寸難以測(cè)量的問(wèn)題。其次，采取的加載序列僅在試樣預(yù)制裂紋的塑性區(qū)發(fā)生相對(duì)較小的變形，試樣其他部位不會(huì)發(fā)生變形，避免了試樣較大的形變影響面電流路徑的情況。最后，采用雙面膠作為標(biāo)簽傳感器與試樣的粘合劑，保證了當(dāng)試樣產(chǎn)生形變時(shí)標(biāo)簽傳感器可在試樣上發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，減少了應(yīng)變傳遞到標(biāo)簽傳感器上，防止因試樣發(fā)生形變改變標(biāo)簽貼片長(zhǎng)度而引發(fā)面電流的改變，以免對(duì)裂紋識(shí)別引入干擾。

通過(guò)對(duì)試樣斷口表面裂紋面積測(cè)量計(jì)算，建立與反向散射信號(hào)相位的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，該標(biāo)簽天線傳感器已實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金試樣表面裂紋面積5.646 mm2擴(kuò)展量的監(jiān)測(cè)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)0.195 (°)/mm2的監(jiān)測(cè)靈敏度。