薛嚴冰,趙志珍,李珊珊 ,王帥,陳寶君,鞠艷杰

( 大連交通大學 自動化與電氣工程學院,遼寧 大連 116028 )

結構健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring,SHM)是一個新興的研究領域,近年來引起了研究者的廣泛關注[1]。SHM旨在通過傳感器和數(shù)據(jù)處理來評估結構健康狀況,以檢測和表征橋梁、管道、鐵路等基礎設施上的缺陷[2-3]。這些基礎設施大多是金屬,對金屬裂紋進行無損監(jiān)測尤為重要[4]。傳統(tǒng)的無損檢測技術(Non Destructive Testing,NDT) 包括渦流測試[5]、熱成像測試[6]及微波波導測試[7]等,具有體積大、成本高、實時性差等缺點。將傳感器技術和射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID)結合用于結構健康監(jiān)測,可實現(xiàn)高靈敏度、低成本、實時監(jiān)測[8]。人們針對SHM應用研究了基于低頻(LF)和超高頻(UHF)[9]RFID天線的傳感技術,特別是用于表征金屬上的裂紋[10]。近幾年無芯片 RFID傳感器的研究取得了很大的進展。Xu等[11]提出了一種裂紋傳感標簽,可以毫米分辨率感知表面裂紋。Zhang等[12]提出了一種圓柱環(huán)形電介質諧振器(Cylindrical Ring Dielectric Resonator,CRDR),消除了裂紋位置對傳感器的影響,仿真和試驗驗證了該傳感器的檢測原理和裂紋檢測能力。Salim等[13]提出了一種使用FR4基板的CSRR陣列,該陣列在微帶線的地平面中展開,采用傳輸幅值進行裂紋寬度的感測。Marindra等[14]提出圓形微帶貼片天線(Circular Microstrip Patch Antenna,CMPA)用于金屬裂紋檢測,實現(xiàn)了金屬裂紋的位置和方向的多參數(shù)檢測。李煥等[15]提出了一種基于高溫陶瓷基板(99% Al2O3)的無線無源傳感器,用于檢測金屬裂紋的方向和寬度,可以在高溫、高壓及高速旋轉條件下工作,但靈敏度較低。

上述無芯片RFID金屬裂紋傳感器均使用剛性基板,難以共形于非平面的金屬表面。柔性基板具有可彎曲、易共形、質量小等優(yōu)點[16-18],且價格低廉,可批量印刷,應用于金屬裂紋檢測更具有工程實用價值。在柔性基板特性的研究方面,Ma等[19]提出一種在絕緣子基板上實現(xiàn)的新型無芯片RFID,并通過3D打印技術進行了演示,具有取代現(xiàn)有光學條形碼的廣闊前景。王思睿等[20]提出一種基于紙基底的噴墨印刷無芯片RFID濕度傳感器,以紙張本身的吸水性實現(xiàn)濕度傳感。路嘉林等[21]提出一種基于紡織基底的無芯片RFID濕度傳感器用于檢測環(huán)境濕度。然而有關柔性基板傳感器應用于金屬裂紋檢測的研究相對較少。為實現(xiàn)更廣的應用范圍,滿足實際應用需求,本文設計一種柔性基板金屬裂紋傳感器,通過仿真優(yōu)化確定結構與材料參數(shù),對其進行裂紋傳感仿真試驗,深層次探究裂紋缺陷對雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)的響應特征,制作傳感器樣品并測試,驗證其可對非平面金屬表面存在的裂紋進行表征。

1 傳感器結構

1.1 傳感器結構設計及參數(shù)計算

無芯片RFID傳感器由柔性介質基板和雙極化十字交叉諧振器(Dual-polarization Wire Cross Resonator)組成,傳感器結構示意圖見圖1。將寬度為a的短路偶極子十字交疊,由y=-h豎直延伸至y=h,x=-l水平延伸至x=l。根據(jù)文獻[14]所述,圓形微帶貼片對水平、垂直裂紋均敏感,故中間添加半徑為R的圓形貼片,用于提高傳感器檢測靈敏度,柔性介質基板厚為b。

圖1 傳感器結構示意圖

“I”型諧振器諧振頻率可通過分布參數(shù)進行物理尺寸估算,如式(1)所示:

(1)

式中:c為真空中光速,取值為3×108m/s;L為十字諧振器的一端臂長,mm;εr是介質基板的相對介電常數(shù)。影響諧振頻率的主要是臂長L和介質基板的相對介電常數(shù)εr。

設定傳感器工作頻率為3.1 GHz,基板尺寸為45 mm×45 mm,根據(jù)式(1)估算貼片尺寸L為18mm,以品質因數(shù)Q作為優(yōu)化目標,通過HFSS改變臂長L和半徑R,進一步仿真優(yōu)化,優(yōu)化后傳感器的結構參數(shù)h、l、R、a分別為14、14、5、4 mm。

1.2 柔性基板選擇

不同的柔性基板對電磁信號的傳輸能力不同,因此對裂紋檢測的靈敏度也存在差異。常見的柔性基板材料有硬紙板、玻璃紙、普通紙和PET薄膜,這4種材料的介電常數(shù)εr和正切損耗tanδ見表1。

表1 不同柔性基板材料特性參數(shù)

與其他三類基板相比,PET基板具有更低的正切損耗角。分別采用4種柔性基板材料,基板厚度暫定為1 mm,傳感器采用優(yōu)化后的結構參數(shù),得到RCS幅頻特性曲線見圖2?？梢钥闯鯬ET基底諧振器的品質因數(shù)明顯高于前三種,因此選用PET作為基板。

(a) 硬紙板、玻璃紙、普通紙

1.3 PET柔性基板厚度選擇

設PET基板厚度b分別為0.1、0.2、0.6、0.8、1 mm,基板厚度對傳感器RCS幅頻特性影響見圖3。

圖3 基板厚度對傳感器RCS幅頻特性影響

從圖3中可以看出,當PET基板厚度為0.1 mm時,幾乎不產生諧振,傳感器失效。隨著基板厚度的增加,諧振頻率向高頻偏移,品質因數(shù)逐漸增大。品質因數(shù)Q的計算公式如下:

(2)

式中:fr為諧振頻率;BW3dB為3 dB帶寬。從圖3中提取數(shù)據(jù),計算不同基板厚度的諧振幅值及品質因數(shù)Q值(表2)。

表2 不同基底厚度的諧振器諧振特性變化情況

由表2可以看出,基板厚度b越大,品質因數(shù)越高。當PET基板厚度增加至1 mm時,Q值達到1 366.00,相較于0.2 mm厚度基板大幅提高,符合電磁傳播原理。但若將PET基板增加至1 mm以上,將會影響傳感器彎曲共形能力。綜上所述,將傳感器基底厚度定為1 mm。

2 PET基板傳感器檢測金屬裂紋特性仿真研究

2.1 雙極化結構的實現(xiàn)

諧振器在x極化、y極化下均具有獨立的諧振特性,可區(qū)分水平與垂直方向的裂紋。3.1 GHz下的十字諧振器電流分布見圖4,當采用正交極化方向電磁波激勵十字諧振器時,有獨立的電流分布特性。在x極化時,y極化電流很小,雖然將兩個諧振器進行了一體化設計,但并不存在耦合,因此對y極化方向不敏感,入射波的極化影響與裂紋擴展方向的影響是相互獨立的,對裂紋方向檢測具有良好的識別效果,在y極化入射方向時同理。

圖4 3.1 GHz下的十字諧振器電流分布

根據(jù)文獻[8]的研究結果可得,裂紋方向對與之正交極化方向的電磁波最敏感。對于十字諧振器結構,豎直諧振臂與裂紋擴展方向平行,此時x極化方向照射傳感器對裂紋參數(shù)最為靈敏,因此本節(jié)僅討論x極化對豎直方向裂紋的檢測,同理可利用y極化對水平方向裂紋檢測。

2.2 傳感器彎曲特性仿真

在實際應用中,柱面金屬是常見的金屬結構。利用 HFSS 軟件建立傳感器3D模型,見圖5(a)。

(a) 傳感器3D模型

將柔性傳感器共形于半徑為r的無裂紋柱形金屬上,平面波激勵將線極化電磁波垂直照向傳感器表面,輻射貼片和金屬板為理想導體邊界,對所有軸向進行輻射邊界設置。不同半徑傳感器幅頻特性曲線見圖5(b)。金屬柱體半徑增大,等同于金屬背景面積增大,增加了金屬損耗,因此傳感器諧振頻率會隨彎曲程度變化而偏移,但仍產生高品質因數(shù)諧振,并不影響傳感器檢測裂紋性能。

2.3 傳感器對裂紋寬度仿真結果及分析

在柱體表面增加豎直方向裂紋,裂紋深度固定為1 mm,裂紋寬度為0.2～2 mm,步長為0.2 mm,模擬不同寬度的裂紋, PET基板裂紋傳感器的RCS幅頻特性曲線,見圖6(a)。傳感器對柱形金屬表面裂紋寬度敏感,隨著裂紋寬度的增加,傳感器諧振頻率向低頻偏移。

(a) 傳感器幅頻特性曲線

以諧振頻率偏移為靈敏度指標,傳感器對裂紋寬度靈敏度的線性擬合曲線見圖6(b)。靈敏度為67.23 MHz/mm,相關系數(shù)為0.98,呈現(xiàn)良好的線性關系。

3.28 GHz下x極化時PET基板傳感器表面矢量電流分布見圖7。裂紋溝壑處的變化改變了諧振器的等效電長度,進而使諧振頻率偏移。且在x極化方向,僅在水平方向產生強電流,而在豎直方向不存在,實現(xiàn)了雙極化諧振器的獨立工作特性,其中水平方向呈現(xiàn)均勻矩形強電流分布,減輕了裂紋位置對傳感器產生的影響,提高了傳感器的可靠性。

3 試驗與討論

3.1 傳感器制作

(1)絲網(wǎng)印刷工藝

絲網(wǎng)印刷由絲網(wǎng)印版、刮板、導電銀漿、印刷平臺及基板組成,選擇成本較低、附著力強的導電銀漿(ED002)作為印刷材料,利用印刷平臺(20 mm×20 mm ×40mm,北京雅諾藝印刷器材有限公司)制作柔性傳感器,基板為1 mm厚的PET材料,將印刷好的模型放入風干箱(DHG-9245A,上海和呈儀器制造有限公司)中干燥25 min,制成柔性傳感器(圖8(a))。

(a) 絲網(wǎng)印刷實物圖

(2)手刻導電貼片工藝

導電布是一種在聚酯纖維上鍍銅層的柔性導電材料,選擇導電性強、抗摩擦性強的導電布膠帶(DDB20)作為傳感器材料,先將諧振器圖案轉移到導電布上,再用刻刀將結構刻下,最后將其粘在PET基板上。導電輻射貼片式傳感器實物圖見圖8(b)。

3.2 測試平臺搭建

為了驗證柔性傳感器檢測裂紋的性能,搭建單站RCS測試平臺。矢量網(wǎng)絡分析儀(Vector Network Analyzer, VNA)通過寬頻帶天線向傳感器提供掃頻信息,其型號為Rohde&Schwarz ZNB4,傳感器現(xiàn)場測試圖見圖8(c)。不考慮裂紋深度的影響,保持深度為1 mm不變,制作了10個裂紋寬度為0～2 mm的裂紋金屬柱樣本,金屬柱體半徑為20 mm。將PET基底的柔性傳感器共形于柱形金屬表面。

3.3 制作工藝對柔性傳感器性能的影響

采用無裂紋金屬柱作為檢測金屬,對絲網(wǎng)印刷和手刻導電貼片兩種工藝制作的柔性傳感器進行諧振性能測試,測試結果見圖9。

圖9 兩種工藝下傳感器諧振特性測試結果

兩種工藝下諧振頻率分別為3.35 GHz、3.5 GHz,諧振頻率的偏差可能由輻射貼片導電性能及加工誤差造成,但絲網(wǎng)印刷傳感器在反復彎折下容易造成導電層斷裂;導電膠布由銅鎳兩種金屬組成,纖維的加入一定程度上會降低導電性,但導電膠布柔韌性良好、可靠性高,因此以下試驗中選用導電貼片式傳感器。

3.4 傳感器對金屬裂紋的測試結果

測試金屬柱無裂紋時傳感器的RCS幅頻特性,接著將柔性傳感器分別共形于含有裂紋寬度為0～2 mm的金屬柱面,裂紋深度保持1 mm,其中一組代表性實測結果見圖10,圖中粗線為實測結果,窄線為仿真結果。

圖10 柔性PET基板傳感器對裂紋寬度的測試結果

隨著裂紋寬度的增加,諧振頻率向低頻偏移,最多偏移了310 MHz。以傳感為導向,通過試驗驗證設計的傳感器可以表征金屬表面缺陷,在大多數(shù)情況下保持單調和足夠敏感,與仿真結果偏移趨勢相同,但偏移量并不均勻,造成這種誤差的主要原因總結為以下幾點:①變換金屬樣品會造成位置移動;②真實測試環(huán)境中有很多金屬物件,產生多徑金屬噪聲影響;③PET基板彎曲共形于金屬表面產生形變誤差;④金屬樣品及傳感器加工誤差。

不同裂紋寬度下傳感器Δfr擬合曲線見圖11,通過多次試驗來減小測量誤差, 對同一個傳感器重復測試獲得8組數(shù)據(jù),圖中曲線為8次測量的平均值,以該曲線作為傳感器的靈敏度曲線。

圖11 不同裂紋寬度下傳感器Δfr擬合曲線

裂紋寬度在0.8 mm以下時,傳感器并未顯示出諧振偏移;在0.8 mm及以上時,諧振頻率發(fā)生明顯偏移,因此可以認為在裂紋寬度為1 mm時,傳感器實際測試中可檢測0.8 mm及以上寬度裂紋,且靈敏度基本呈線性。通過對諧振頻率偏移與裂紋寬度擬合,得到該傳感器的靈敏度為104 MHz/mm。

本文所設計的柔性基板傳感器與近年發(fā)表文獻中的傳感器的性能對比見表3。從對比數(shù)據(jù)中可明顯看出,本文設計的RFID傳感器具有靈敏度高、成本低、可共形于非平面金屬表面的優(yōu)點。

表3 本文與近年發(fā)表文獻中傳感器性能比較

4 結論

以實現(xiàn)低成本、非接觸金屬表面裂紋檢測為研究目標,針對目前傳感器無法共形于非平面金屬的問題,本文將柔性基底應用于RFID金屬裂紋傳感器,設計了十字交叉雙極化諧振器結構,利用HFSS軟件對十字諧振器進行仿真優(yōu)化。結果表明:

PET基板作為傳感器基底具有明顯優(yōu)勢。厚度為1 mm的PET基底裂紋傳感器可共形于金屬柱體,諧振特性良好。柔性傳感器具有成本低、易加工優(yōu)勢,擴大了傳感器的使用范圍及應用價值。

柔性PET基板可共形于非平面金屬表面并檢測裂紋寬度,在檢測金屬柱面存在0.8 mm及以上寬度裂紋時,柔性傳感器靈敏度可達到104 MHz/mm。未來可對大角度共形、不規(guī)則共形的柔性傳感器性能進一步研究。