玻璃幕墙结构松动的高精度无线监测研究

徐达志，王胜密，胡明哲

（1.火箭军指挥学院勤务保障系，武汉430000；2.深圳腾基建设科技有限公司，广东 深圳518000）

1 引言

玻璃幕墙快速实时监测对于确保其结构的可靠性和城市人民生命财产安全至关重要。玻璃幕墙结构监测最重要的损伤指标之一是玻璃幕墙由于结构松动后造成较大的相对位移。这一位移是玻璃结构胶随着时间的推移而缓慢老化所造成的。这种有相对位移变化的振动与玻璃幕墙多个物理参数密切相关，可以说是其固有的频率振动特性。因此，可以通过对玻璃幕墙结构振动频率的测量来间接判断玻璃幕墙结构受损等关键信息，可用于监控玻璃幕墙结构胶的老化问题。

2 玻璃幕墙的无线监测

目前，国内已有用激光位移传感器等技术来监测玻璃幕墙的位移和振动频率变化的研究[1，2]。但本文提出的通过无线监测实时测试幕墙结构松动的传感器具有更好的工程应用价值，因为它能够以完全无损且快速的方式来表征玻璃幕墙结构的相关信息。

近年来，国内外对超材料的研究日益深入。与传统传感器结构相比，超材料传感器可以提供更高的灵敏度和分辨率[3]。而本文则创新性地提出将超材料传感器用到玻璃幕墙结构上作无线位移传感器，来监测其结构是否松动与失效。本文设计的传感探头由周期性排列的可拉伸的谐振电路组成，这些部件之间有电气连接，组成一个超材料谐振器，用于无线监测与传感。传感器部件通过边连接件分别固定在幕墙玻璃的玻璃支撑基体结构和玻璃本身上，他们之间由于结构胶失效后会产生相互位移运动。如果知道这两者之间的位移距离产生的振动频率就可根据谐振点的位移信息计算玻璃的松动程度。

3 传感器的结构设计

传感探头的超材料结构由一系列周期性排列的电谐振单元和磁谐振单元组成。传感器探头安装在要测量位移的结构上，另一端安装在固定的铝型材框架上。传感器探头位移传感的激励是采用一个位于受测结构近场外部的天线，用于向传感器探头发送信号和接收来自该探头的信息，如图1 所示。传感器探头在其近场内与天线耦合，并在耦合响应上可直接观察到传感器谐振频率的位移。

图1 传感器电路结构和周期性排列的谐振单元

无线传感器包括柔性介质基板，其正面设有周期排列的矩形分形结构谐振单元，包括二级分形的矩形金属和菱形空槽。介质板的背面设有金属电谐振结构，它由相交90°的2 条金属微带构成。整个二维结构由柔性的PET 介质支撑，PET 两边铺设在玻璃幕墙的玻璃体和其框架上。当玻璃发生松动时，通过玻璃与窗框间的间距变化，从而带动PET 介质发生拉伸，带动其上的金属层发生相应的拉伸，改变金属贴片的几何尺寸，其X轴发生伸长，Y轴发生收缩，这转化为传感器中谐振单元的等效电容、等效电感变化，进而改变耦合系统响应的谐振频率，实现对玻璃幕墙松动的实时无损探测。

所使用的天线是一种设计成单槽的微带天线，工作频率与传感器谐振单元频率一致，天线S11＜-10dB 带宽约为10%。插槽天线通过沿基板背面X方向的微带线激励，从而使X极化E 场从基板另一侧引入的插槽传输，该天线插槽在实际工程测试中保持与传感器正面电路平行，并激励传感器的谐振。天线和传感器之间形成强耦合，整体传感器尺寸较小，可以用于更小和更薄的结构部件的探测。为了预测这种传感器的探测特性，从而更好地研究其探测灵敏度，使用时域有限积分电磁方法对本传感器进行了系统的数值仿真研究。

如图2 所示为该样品的S11参数曲线，可以看到样品具有谐振频点随拉伸变化量发生漂移的特性，且其随拉伸变化量发生连续平移。而且，随着拉伸位移量的增大，电路谐振频率连续减小。定义传感器灵敏度为图2 中谐振频率与拉伸位移曲线的比值（单位为MHz/mm）。由此可以做出谐振频点随拉伸量的具体变化关系图（见图3），由图3 可知，在20%的形变程度内，谐振频点随拉伸量的变化呈现非常好的线性特性，且可以计算出，此时传感器随1%拉伸形变，谐振频点漂移量为83.2MHz，具有非常好的探测灵敏度。线性的关系则表明可以由其频点漂移量精确的反推出玻璃幕墙的松动程度。

由图3 可知，虽然线性随着拉伸位移范围的增加而降低，但在25%以下的范围内，线性度均高于0.98。在超过25%高位移形变下谐振频率才渐趋饱和，这也意味着谐振频率随位移形变量的变化率降低，从而导致较低的灵敏度。因此，可根据玻璃幕墙的结构几何形状和传感器所需工作频率的限制来选择最佳工作范围。

图2 传感S11 工作曲线随拉伸量的变化图（S11 参数）

图3 谐振频点与PET变形拉伸的关系曲线

图4 是传感器样品工作于7.723GHz 时的垂直表面磁场分布图。由图4 可以看出，对于这种共振情况，在传感器金属贴片上实现了高度的电磁场局部化，创建了一个局部特征场，它反射回我们耦合系统响应的天线。该传感器呈奇模谐振状态，在谐振频点工作时，电磁场能量主要集中于金属单元处，谐振频点处具有最大的探测灵敏度。图4 中所示电场的大小无关紧要，无论位移水平如何，都能获得很高的定位。场的高局部化意味着更高的灵敏度，并且由于近场耦合系统中存储能量的增加，共振变得更深。而且，这也可使得传感器在实际工程测试中，能在应用中提高对灰尘、水蒸气等电磁介质的抗干扰能力。

图4 传感器样品工作于7.723GHz 时的垂直表面磁场分布图

4 结论与展望

综上所述，本文提出并论证了一种无线传感器，可用于检测结构中所经历的微米尺度到毫米尺度的位移。该传感器主要用于探测玻璃结构松动失效及其损伤评估。传感器具有高线性和高分辨率（监测位移变化小于1μm）。传感器也显示出其在工作频率范围内的线性工作特点。该传感器的一个主要优点是，它在25%形变范围内均是线性工作区间，其线性拟合度大于98%，所以可以根据其频率漂移精确地计算出玻璃幕墙的形变程度。而且由于周期性谐振电路是被动的，传感器可以远程探测位移形变，因此，设计免除了破坏性测试和更换电源带来的复杂性。未来在实际工程的应用中，将进一步研究周围介质对传感器性能的影响，以测试真实工程场景下传感器的性能。但作为概念验证，本文提出的无线传感器，还是得到了仿真数值模拟实验结果的支持，表明这种超材料传感器所支持的位移形变探测在远程玻璃幕墙结构监测和诊断中具有重大的工程应用前景。