面向结构裂纹监测的贴片天线传感器技术研究进展*

李云飞 韩国栋 王鸣杰 许晨旭 左天一

1 江苏省特种设备安全监督检验研究院 南京 210036 2 武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430070

0 引言

在长期承载工作过程中，金属结构会不可避免地出现各类型损伤，当其缺陷积累到一定程度时，结构的承载能力和抗疲劳性能将会随之降低，从而引发严重的安全隐患。利用传感器对金属结构进行健康监测是保证金属结构在服役期间安全运行的重要手段。经过几十年的发展，传统的结构健康监测技术已具备了一个较完善的体系。金属结构裂纹监测技术主要包括机器视觉监测[1]、压电陶瓷波动法监测[2]、声发射监测[3]和光纤FBG 传感器法[4]和薄膜传感器法[5]等。其中，机器视觉法监测需清除结构表面油漆涂层，安装视觉监测系统，难度大且成本高；压电陶瓷波动法有较好的裂纹识别能力，但受被测构件复杂形状影响显著；声发射法常用于金属结构的裂纹扩展监测，但易受外部声源干扰，难以区分活动构件摩擦等生成的与裂纹扩展相似信号特征的声源，无法实施大型装备的在线监测和裂纹定量识别；光纤FBG 传感器法主要应用于高端装备的裂纹监测，常需通过疲劳试验等方法建立前期数学关系，以预测裂纹定位与长度，但其过高的成本限制了大范围投产使用。

基于新材料和新工艺的结构薄膜传感器具有优异的结构共形特性、动态响应快和灵敏度高等优点，逐渐被用于金属材料的裂纹测试研究。物理气象沉积(PVD)薄膜传感器的导电传感层具有随附损伤特性，会随基体金属结构发生疲劳裂纹在相同部位出现裂纹，从而引起监测传感层电阻发生变化，得到基体结构的裂纹损伤情况，其不足在于需对被测结构表面作复杂工艺处理，且镀膜工艺参数等对测试结果影响较大[6-8]；薄膜软弹性电容器（SEC）传感器的结构简单，可直接感知表面裂纹扩展，但其阵列布线复杂，影响测试结果的因素较多[9-12]。

微带天线传感器是近年来出现的一种新型结构健康监测传感器，具有结构简单、制作方便、质量轻、成本低等特点，能无线被动式地测量多种金属结构健康参数，获取结构损伤信息。基于微带贴片天线传感器技术在裂纹扩展实时监测方面的巨大潜力，近年来国内外学者针对此技术在金属结构裂纹识别领域中的瓶颈问题开展了广泛研究。

1 基于微带天线的金属结构裂纹监测技术研究现状

在金属结构裂纹信息的监测方面微带天线传感器极具潜力。当裂纹萌生或扩展时，裂纹的存在对天线接地板（即被测金属结构）表面的电流路径造成了扰动，迫使电流沿着裂纹尖端绕行，增加了电长度，导致天线谐振频率发生偏移，然后通过量化分析谐振频率偏移量实现对裂纹的监测感知。

得克萨斯大学阿灵顿分校Huang H Y 团队作为研究微带天线传感器的先行者，开展了关于微带天线传感器测量金属结构裂纹的大量研究工作。2009 年，Deshmukn S 等[13]提出将矩形微带贴片天线传感器用于金属结构的裂纹测试，并揭示了测试原理，研究了接地板上的裂纹扩展对微带天线谐振频率的影响，其结果表明谐振频率随裂纹长度的增加而线性减小，裂纹的监测灵敏度为29.6 MHz/mm，可实现亚毫米级的裂纹监测；2010 年，该团队研究了裂纹的开闭合效应对裂纹长度测量的影响，进一步验证了传感器的谐振频率会随贴片下裂纹的继续扩展而降低的关系[14]；2011 年，为了继续研究垂直于贴片长度方向的裂纹对其长度方向谐振频率的影响，该团队采用双悬臂梁模拟裂纹进行试验，试验结果显示天线谐振频率与裂纹长度呈线性关系[15]。

基于上述研究，国内外学者对微带天线传感器裂纹识别方面也开展了相应的研究。2015 年，Liu M B等[16]基于天线背面自带接地板的形式，设计了9 种不同类型的裂纹进行微带贴片天线的裂纹监测研究，试验表明裂纹扩展使得谐振频率降低，线性度约为10 MHz/mm；2019 年，毛艳飞[17]通过仿真对微带天线传感器的馈线进行了优化，使传感器具备更好的性能，通过研究贴片和接地板的电流分布得出谐振频率的变化随裂纹长度的增加而越明显，同时得出贴片尺寸的增大会导致微带天线的裂纹监测灵敏度降低的结论。

以上研究大部分都围绕裂纹扩展长度与谐振频率偏移的关系进行，而在实际应用中对裂纹方向识别的研究同样具有工程价值。2012 年，Mohammad I 等[18]利用矩形微带贴片天线传感器进行了斜裂纹方向测量的研究，运用仿真软件HFSS 分析并验证了不同种类裂纹扩展与微带天线谐振频率的关系，结果显示裂纹扩展角度不同则对2 个方向谐振频率的影响不同；当裂纹长度沿贴片对角线扩展时，2 个方向的谐振频率随之减小；可将相对谐振频率变化的比值r＝f10/f01作为观测指标，根据r-裂纹尖端位置图线识别任意方向的斜裂纹以及转角裂纹。

上述关于裂纹方向识别的研究仅定性分析了裂纹长度和角度与谐振频率之间的关系，并未给出一个定量的裂纹信息的计算算法。2018 年，Liang K 等[19]提出了一种基于微带天线传感器的裂纹识别算法，该算法根据谐振频率偏移预测随机裂纹的算法，将裂纹近似为宽度无穷小的斜线，基于接地板表面电流密度分布规律对裂纹中点位置、二维坐标、角度和长度等参数对应的裂纹通量进行计算，拟合仿真数据得到裂纹通量与频率之间的数学关系式，建立裂纹参数与频率之间的数学关系。通过对比分析试验结果及算法预测结果，验证了该算法在裂纹参数识别上的有效性；2021 年，李润发[20]提出了一种斜裂纹定量识别算法，该算法以接地板上表面的电场及电流分布规律为基础，通过斜裂纹引起的电流路径增量大小定义有效裂纹长度，而各模式下的投影因子则由有效裂纹长度和实际投影长度决定，再利用投影因子将斜裂纹识别问题转化为垂直裂纹和平行裂纹展开识别，最后斜裂纹的长度与角度即可利用该裂纹识别算法进行计算。

在基于微带天线的裂纹扩展监测中，不仅裂纹的长度和方向会影响微带天线的谐振频率，裂纹的体积参数也会对谐振频率产生影响。2019 年，Dong H L 等[21]设计了一种裂纹宽度控制装置，将接地板分解为2 部分，模拟裂纹宽度扩展通过位移平台控制2 块钢板的间隙实现，分别对平行裂纹、垂直裂纹和斜裂纹的宽度变化进行检测试验，得到3 种裂纹的方向均可由传感器表征，水平和垂直裂纹宽度的监测灵敏度分别为-35 MHz/mm和-45 MHz/mm；同年，Liu Z P 等[22]在监测裂纹长度和宽度的研究基础上引入了裂纹深度参数，针对金属结构体积型损伤提出了电流路径绕行理论，通过数值仿真和试验研究了不同裂纹参数下传感器谐振频率的变化趋势，发现了接地板表面电流密度分布和电流路径走向会随体积型损伤发生变化，在裂纹深度逐渐增大至贯穿的过程中，裂纹长度与谐振频率的关系由线性变为二次性。

此外，Liu Z P 等[23]将微带天线传感器应用于FRP加固后的钢结构裂纹扩展监测研究，基于FRP 材料属性提出双层基质模型，推导出双基质天线传感器的频率计算公式，仿真分析了裂纹长度对双基质传感器谐振频率以及FRP 厚度对裂纹检测效果等的影响，通过试验验证双基质传感器的谐振频率随裂纹长度的增加其变化趋势与单基质基本一致，随裂纹长度增加呈抛物线减小；FRP 厚度越大则相同长度的裂纹对谐振频率的影响越小，即裂纹长度识别的灵敏度提高。

由国内外学者的研究进展可知，关于微带天线传感器的裂纹识别研究正在逐渐深入。近年来，研究成果从裂纹定性识别发展到裂纹参数定量识别，从研究较易被识别的裂纹长度和方向参数发展至探究复杂度较高的裂纹位置、宽度和深度等体积参数，推动了微带天线传感器在实际工程中裂纹参数识别的应用进程。

2 基于微带天线的阵列设计方法研究现状

由于微带天线传感器尺寸较小且监测范围有限，为了实现大面积监测，需要在被测金属结构上布置微带天线传感器阵列。2012 年，Xu X 等[24]设计了一种测量裂纹长度的二元贴片天线传感器阵列，天线贴片尺寸分别为10.4 mm×8.6 mm、15.25 mm×12.75 mm，通过空间分隔和频率分隔来实现信号的区分；将2 个二元贴片天线传感器布置于金属试件进行疲劳试验，裂纹会依次扩展至大贴片和小贴片下方，影响二者的某一谐振频率变化。试验结果表明，该传感器阵列可实现较大区域的裂纹监测，随着裂纹在2 贴片下方的扩展，传感器的谐振频率呈抛物线下降。

2013 年，Yi X 等[25]设计了一种三贴片传感器阵列用于测量应变，在不同应变下测试了传感器的测量灵敏度，证明了该阵列传感器的测量应变可行性，每个传感器的谐振频率和应变之间为线性关系；2018 年，周凯等[26]设计了一种二元组合贴片天线传感器用于测量平面二维应变，该传感器可测量结构表面多个方向的应变，根据该传感器测量结果可推导出主应变的大小和方向，该方法能有效测量金属结构表面的应变大小及方向。

2019 年，Liu Z P 等[27]基于焊缝长而窄的形状特性设计了一种基于微带天线传感器的三元线阵，3 个阵元并馈连接，通过一个激励端口进行数据交换，扩大传感器监测范围，利用延时线原理实现了裂纹扩展下相同尺寸阵元谐振频率的提取。

2019 年，毛艳飞设计了一种微带天线传感器阵列和馈线网络结构，阵列阵元贴片尺寸为30 mm×24 mm，阵元间距为20 mm，基于试验探究了裂纹扩展对传感器阵列各阵元谐振频率的影响，得出结论为：传感器阵列阵元之间的耦合强度随阵元间距增大而降低；相同阵元间距下垂直面耦合强度高于水平面耦合强度；随裂纹长度的增大，各阵元的裂纹监测灵敏度随之增大。

目前，国内外学者对微带天线传感器阵列的研究较少，仅提出了较少几种传感器阵列监测裂纹、应变方法，研究中也只分析了裂纹扩展到每个阵元下方时对传感器谐振频率的影响，实际上研究的仍是单传感器的裂纹、应变扩展监测，故需进一步研究微带天线传感器阵列的一体化多参数监测技术。

3 基于微带天线的多参数解耦监测技术研究现状

在结构参数监测过程中，微带天线传感器的谐振频率会同时受到裂纹、应变、温度耦合等的影响。通过对多层微带天线的尺寸、结构、基质材料等进行设计可使其具备多频特性，以此提高天线带宽和增益，优化天线的辐射性能，这种多频特性为多参数解耦监测微带天线传感器的设计提供了一种新的设计思路。因此，为了实现微带天线对单一参数的准确监测，研究人员基于多层微带贴片天线结构对裂纹与应变进行了解耦设计。

2018 年，Raheja D K 等[28]提出了一种无线应用的同轴馈电双极化三频叠层微带天线，一层由截角正方形贴片构成，一层由椭圆贴片构成。试验结果显示，天线在4.2 GHz、4.8 GHz 和5.8 GHz 处出现3 个频段谐振，在前2 个谐振处表现出圆极化特性，在第3 个谐振处表现出线性极化特性。

2022 年，郭谦[29]提出了一种多层微带天线传感器设计方法用于应变裂纹解耦监测，首先基于多谐振腔模型下的电流分布情况分析了应变裂纹解耦监测机理；其次对微带天线传感器的双层基质尺寸及布置方式进行设计，裂纹测量贴片（110 mm×80 mm）布置于应变测量贴片（35 mm×28 mm）下层；最后，仿真分析应变与裂纹扩展对各层贴片谐振频率的影响，验证了多层微带天线传感器的应变裂纹解耦监测可行性。结果表明，裂纹在0 ～12 mm 的扩展对应变识别效果几乎无影响；应变状态只会影响裂纹测量贴片的工作谐振频率，由应变带来的谐振频率偏移量可由上层贴片的应变测试值进行计算补偿。

为了研究温度与应变、温度与裂纹的耦合特性并进行解耦测量，2015 年Sanders J 等[30]以温度对基质介电常数和尺寸的影响关系为基础，利用数学公式从理论角度推导了温度与传感器谐振频率偏移量之间的数值关系，通过试验得出基质的介电常数不仅与温度有关，还受接地板材料影响。

2018 年，Tchafa F M 等[31]量化分析了温度和应变对传感器谐振频率的影响，建立起谐振频移、温度和应变之间的数学关系，并以此为基础设计制作了矩形辐射贴片天线传感器；之后，对微天线传感器进行了拉伸和机械热性能试验，验证了归一化天线谐振频率位移与外加应变和温度变化呈线性关系的理论预测，实现了温度和应变的解耦测量。

2021 年，李润发通过仿真分析了温度、裂纹以及温度裂纹耦合分别对谐振频率的影响，得知温度同时改变传感器的2 个谐振频率，2 个谐振频率的偏移量之比与谐振频率之比相同，温度测量灵敏度之比与谐振频率之比相同，温度和裂纹的耦合为线性耦合。根据试验结果，设计了一种二元微带天线传感器阵列，用于温度裂纹解耦测量。该传感器阵列由裂纹测量阵元与温度测量阵元组成，将温度测量阵元所测得的温度信息回代到裂纹测量阵元测得的2 个谐振频率中，进行温度裂纹解耦测量。由于2 个阵元尺寸不相同，在VNA 的频域信号中两者谐振频率不会相互叠加干扰，故可直接并联2 个阵元进行裂纹与温度的信号输出。

4 基于微带天线的抗干扰设计研究现状

在金属结构健康监测过程中，常会遇到非常恶劣的工作环境（如温度差异性大，水、灰尘和冰层等异物覆盖等因素），恶劣的环境会耦合进天线，直接影响微带天线传感器的谐振频率变化，降低实际工况中结构监测的可靠性，故对微带天线的抗干扰设计研究也是部分学者研究的方向。

温度改变引起的谐振频率偏移会对裂纹（尤其是微小裂纹）的识别精确度有较大影响，故微带天线传感器的温度补偿研究成为工程实际中必不可少的环节。2018年，Yan D 等[32]以FR4 作为传感器的基质材料，分析了温度为-40℃～125℃内传感器的谐振频率变化规律，结果表明，温度每改变1℃会引起谐振频率偏移347.45 kHz。

为补偿温度波动引起的谐振频率偏移，2020年，Li D 等[33]采用介电常数热系数5 ppm/℃的RT/DUROID®6202 材料作为基质，有效提高了传感器在环境温度波动时的可靠性；Zhang L 等[34]为了提高微带天线的热稳定性，制备了一种聚合物-陶瓷的复合材料作为天线的基质材料，经验证，该方案可将天线谐振频率温度系数-20℃～60℃保持在23.6 ppm/℃。

2022 年，王元昊[35]提出了一种面向微带天线传感器裂纹测量的温度自补偿方法。该方法基于多层基质理论对传感器尺寸参数进行设计计算，得出需采用介电常数温度系数符号相反的双层基质抵消温度对谐振频率的影响，从而实现微带天线传感器的温度自补偿功能。经试验验证，通过该方法设计的双基质微带天线传感器可使传感器在0℃～60℃温度环境下能更准确地计算出结构裂纹的长度信息，识别误差为±0.2 mm 以内，极大地提高了微带天线传感器在温度差异较大的环境下裂纹识别的可靠性。

针对微带天线传感器对环境异物的抗干扰研究，2017 年，陈璐[36]通过对微带天线接收信号传感器进行分形设计，有效提高了微带传感器的抗干扰性,且结构紧凑,方便现场使用；2021 年，Rafieipour H 等[37]采用真空辅助树脂转移成型工艺进行电子玻璃、芳纶、聚酯面板和聚乙烯氯化泡沫芯的堆叠，设计了一种夹层结构的天线罩，使其在不同环境条件下都具备出色的物理与机械性能。

2022 年，郭谦[38]基于传输线理论建立多物理场数值模型，探讨了环境异物对天线传感器谐振频率的影响机理，设计了一种面向微带天线传感器的环境异物抗干扰覆层。该覆盖层采用耐热性和耐潮性优良的FR4 环氧板材料，设计覆层结构形状为边缘凸台结构的形式。通过对微带天线传感器进行环境模拟试验，在受水温、灰尘与冰层厚度的分别干扰下，传感器有覆层时谐振频率的波动与无覆层时相比，下降率平均达95%以上，此时异物层对微带天线传感器的谐振频率几乎没有影响，证明所设计覆层具备环境异物抗干扰性能。

目前，国内外的抗干扰研究主要采用天线罩以及覆盖层等结构对微带天线进行防护，由于性能良好的天线罩结构复杂，材料特殊，制备难度较高，不利于微带天线传感器一体化集成，但其中涉及的多物理场基础研究对于微带天线传感器的环境异物抗干扰研究具备一定的借鉴意义。

5 结论与展望

本文基于已有的微带天线传感器结构健康监测研究，针对研究人员在天线传感器对金属结构裂纹参数监测等方面的研究现状进行了简要概括。综合而论，主要包括以下几点：

1）通过对微带天线传感器监测裂纹机理的分析，研究了多种方法识别裂纹参数及方向；

2）为实现大面积监测金属结构，设计了不同的微带天线传感器阵列和馈线网络结构；

3）探讨了微带天线传感器在监测金属结构中温度与应变、温度与裂纹、应变与裂纹的多参数解耦监测方法，验证了多种解耦监测方法的可行性；

4）针对微带天线传感器应用在温度差异性大，水、灰尘等异物干扰的恶劣环境中，提出了温度自补偿、抗干扰覆盖层等多种抗干扰设计方法。

依据目前国内外对微带天线传感器的研究现状，提出以下几点建议：

1）由于目前微带天线传感器在监测金属结构时，需去除金属结构油漆涂层后，在结构的裸表面测试。为了实现将传感器直接覆盖在结构表面油漆涂层上方粘接后直接测试，此时，涂层与天线原基质一起构成新的基质层，由于二者性能、厚度差异都较大，研究双层基质贴片天线传感理论和传感器性能，油漆涂层的力学性能和厚度对传感器谐振频率的影响等有很大的应用价值。

2）在基于微带天线传感器的各参数无线监测试验过程中，受测试环境噪声、异物等因素影响，实际无线问询数据与理论数据存在一定偏差。未来可研究一种抗干扰性更强的无线问询技术以提高测试结果准确度。

3）目前无线问询距离仍不足以适应更多的工程应用。未来可通过添加功率放大器电路实现问询距离的进一步优化研究。