摘 要

无论是金属结构还是建筑物中的水泥物质，在长期的使用过程中难免会因为周围环境恶劣、工作中经常受到反复承载等情况，而产生损伤积累，而当这种积累达到一定程度时，结构中便会产生过大应变，产生裂纹，如果不能及时检测出来，在工程中将是很大的安全隐患。因此一种性能良好的结构健康监测系统在实际运用中能够很完美的使结构受到保护。

由于微带天线传感器有诸多优势，近年来，越来越多的学者开始对其实际运用进行研究分析。特别是微带传感器在应变与裂纹的识别方面相比于其他传感器有很大的优势。本文主要探究微带贴片传感器在应变与裂纹状态下的具体影响效果，并设计一种微带天线阵列结构，探究在该阵列结构下应变与裂纹的作用与影响，探究二者耦合作用下的数据状态，并设计出一种解耦方式。具体的研究内容如下：

（1）首先是借助传输线模型和谐振腔模型进行原理性的公式推导，了解应变和裂纹对于传感器的影响机理，并借助传输线模型进行微带天线传感器的尺寸设计。

（2）在设计好的矩形贴片天线的基础上，借助Ansoft HFSS软件进行不同应变的仿真分析，并以此为基础进行深度方向上贯穿裂纹和非贯穿裂纹状态下的相关实验，借助数学分析软件MATLAB对获取的实验数据进行分析，以此获得更加准确的实验结论。

（3）设计一种直线阵列模型，并研究阵列结构下的应变与裂纹对其自身产生的影响，以及对其他阵元的影响，分析阵列结构中阵元之间的相互作用。

（4）在COMSOL Multi-physics软件中建立该阵列模型，并为该模型添加固体力学和电磁波，频域、移动网格三个物理场，以此来研究在应变与非贯穿裂纹综合作用下的阵列结构中各个阵元的谐振频率响应的状况。并将该实验数据分别以应变和裂纹为依据进行分别讨论和综合分析，并设计出一种解耦方法。

本文的研究工作，不仅讨论了单个传感器与传感器组成的阵列结构下的应变与裂纹的影响变化，而且将应变与裂纹进行作用耦合，并进行分析，探究应变与裂纹综合作用下二者的存在状态，并以此给出一种简单的补偿型解耦方式。

关键词：微带贴片天线；阵列结构；结构监测；应变测量；裂纹监测；耦合作用

Abstract

Whether it is a metal structure or a cement material in a building, it is inevitable that in the long-term process, because it is in the harsh surrounding environment and often subjected to repeated load during work, the damage will accumulate, and when this accumulation reaches a certain degree, The structure will produce crack and excessive strain. If it can not be detected in time, it will be a great dangerous thing in the project. Therefore, a structural health monitoring system with good performance can perfectly protect the structure in practice.

Due to the advantages of microstrip antenna sensors, more and more scholars have begun to study and analyze their practical application in recent years. In particular, microstrip sensors have a great advantage over other sensors in strain and crack recognition. This paper mainly explores the effect of microstrip patch sensor under strain and crack, and designs a microstrip antenna array structure to explore the effect and influence of strain and crack under the structure, and the data state under the coupling of the two. And a decoupling method is designed. The specific research content is as follows:

(1) Firstly, we use the transmission line model and the vibration cavity model to derive the original formula, understand the mechanism of strain and crack influence on the sensor.And we use the transmission line model to design the size of the microstrip antenna sensor.

(2) On the basis of the designed rectangular patch antenna,we will simulate and analyse of different strains with the help of Ansoft HFSS software. Related experiments in the depth direction are carried out in the crack and non-crack states.The experimental data was analyzed by MATLAB, which obtained more accurate experimental conclusions.

(3) We will design a linear array model and study the influence of strain and crack under the array structure on itself, as well as on other arrays, and we will analyze the interaction between arrays in the array structure.

(4)We will establish the array model in the COMSOL Multi-physics software, and add solid mechanics and electromagnetic waves, frequency domain and mobile grid to the model. And we study the resonance frequency response of each element in the array structure under the combined action of strain and non-penetrating crack.The experimental data are discussed and analyzed respectively on the basis of strain and crack, and a decoupling method will be designed.

In this paper, we not only discuss the strain and crack variation under the array structure of single sensor and sensor array, but also couple the strain and crack, and analyze the existing state of strain and crack under the combined action. A simple compensation decoupling method is given.

Key words: microstrip patch antenna，array structure,，structure monitoring,，strain measurement， crack monitoring， coupling effect

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景和目的 1

1.2发展历史与研究现状 2

1.2.1微带贴片天线的研究 2

1.2.2微带天线阵列的研究 4

1.2.3研究现状分析 6

1.3研究目标与创新点 6

1.4本文结构安排 7

第二章 基本理论与结构特性 9

2.1微带天线的工作原理 9

2.2矩形微带天线的辐射特性分析 10

2.2.1微带天线的传输线模型 10

2.2.2矩形微带贴片天线设计 13

2.2.3微带传感器应变测量原理 13

2.3微带天线的谐振腔模型 15

2.3.1腔模理论的假设 15

2.3.2腔模理论解析 16

2.3.3裂纹监测原理分析 18

2.4天线阵列结构及耦合 19

2.5本章小结 20

第三章 单个传感器的应变和裂纹的仿真分析 22

3.1贴片传感器的设计 22

3.1.1介质基层的选取 22

3.1.2辐射源和其他尺寸的确定 22

3.1.3馈电方式的比较和选择 23

3.1.4激励方式的确定 24

3.1.5网格划分 24

3.2微带贴片传感器的应力仿真 25

3.2.1 HFSS介绍 25

3.2.2有限元建模仿真分析 25

3.2.3仿真结果与分析 27

3.3微带贴片传感器的裂纹仿真 28

3.3.1裂纹产生的介绍 29

3.3.2非贯穿裂纹仿真分析 29

3.3.3贯穿裂纹的仿真分析 31

3.4本章小结 34

第四章 阵列结构的应变与裂纹仿真 35

4.1阵列结构的设计 35

4.1.1阵元设计分析 35

4.1.2馈电网络的设计分析 35

4.1.3微带天线阵结构设计分析 35

4.2天线阵列结构的应变仿真 36

4.2.1建模与仿真流程 37

4.2.3仿真结果分析 38

4.3阵列结构中的裂纹仿真分析 40

4.3.1阵列结构中非贯穿裂纹的仿真分析 40

4.3.2阵列结构中贯穿裂纹的仿真分析 44

4.4阵列结构中耦合作用分析 46

4.4.1耦合仿真分析 47

4.4.2数据处理分析 49

4.4.3解耦分析 53

4.5本章小结 55

第五章 总结与展望 56

5.1研究工作总结 56

5.2后续研究展望 57

参考文献 59

致 谢 61

第一章 绪论

1.1研究背景和目的

在社会不断发展的大背景下，人们所居住和工作的楼层越来越多，越来越高，工作中所使用的大型金属机械也越来越多，使用的各种高端、高精度的设备也越来越广泛。其中的基本部分大部分是金属结构。金属结构在其中的重要作用之一就是承载，而在承载过程中，由于使用寿命的限制，以及现实使用环境的变化多端，金属承载结构可能在反复承载作用下，产生应力集中的情况，使得损伤积累不可避免的出现，金属结构的抗疲劳性能和承载能力就会下降。而当这种积累超过某种程度时，就会产生过大的应变和裂纹，由此产生严重的安全隐患。通过研究发现，尽管如今的工程实际的运用以及相关的理论研究已经很成熟，各种结构设计也在不断的优化完善，但每年仍是有百分之五十到百分之九十的机械失效是由疲劳裂纹引起的^[1]。同样，对于结构的应变监测亦是重中之重，因此对应变以及裂纹的精确监测，即如今所运用的结构健康监测，是对工程结构最有效的保护，也是延长使用寿命的根本方式之一。特别是如今新材料结构以及工程类结构的创新发展突飞猛进，此类的结构健康监测的安全意义与经济意义越来越突出。

结构健康监测这个概念在上世纪九十年代被提出来，自提出之日起，它就一直朝着保障结构安全稳定、保证使用寿命的方向不断优化发展。传统的结构健康监测技术只是单一的属于某一工科范围，现如今结构健康监测不断发展，不断联合不同学科进行新的监测技术发展和传统技术的优化工作。传统的结构健康监测一开始用于大型工程中，投资巨大，且在安装使用中耗费很多人力物力。并且在实际使用中需要足够的时间来通过传感器进行系统的响应采集，再对这些响应信号进行筛选和处理，从而确定结构是否健康。这些并不能保证监测过程中的实时性反馈，从而结构健康监测的效果无法达到最佳状态。随着技术的发展，如今的结构健康监测使用行业越来越广泛，无论是传统的桥梁检测^[2]、大型机器的监测^[3]，还是人体健康的监测^[4]，都在运用该技术，而且越来越成熟。这其中传感器是实现所有功能的核心器件，是实现工程结构问题与数据解决技术的一座桥梁。

结构的健康监测主要借用传感器来监测结构的应变、压力，湿度、温度、裂纹等状态。对于应变和裂纹的监测，经历了几十年的发展，如今已经有包括超声波金属探伤、金属箔应变计、裂纹传感器等相关技术方法，但是就目前而言，大多数都是采用传统的检测技术，结构设计的快速的发展导致传统应变裂纹监测技术无法在大范围继续适用下去，不能够满足如今的结构监测要求，比如实时性，耐久性，精度要求等，同时也出现了诸如成本过高，监测麻烦，布线过多等问题。

同时目前主要应用于应变或裂纹监测的常规传感器主要有电阻传感器和无线传感器、光纤传感器。其中电阻传感器最常见，其中有一个金属弹性体当作一个弹性敏感体，能够很灵敏的感受到外部载荷的作用，并产生变形，然后通过相关的计算分析，借助电阻的数值变化获得相关应变的数据变化。这种的优点就是简单而且相关精度高，有很大的测量范围。但由于需要电源，其中的布线复杂，实际运用时过于麻烦。无线传感器的一大特点就是免去了过于复杂的布线，使得检测系统向简便化和低成本化方向发展。马祖长等人^[5]在无线传感器的基础上，探讨了无线传感器网络的结构及其特点，并分析了其目前存在的问题和未来发展方向。比如此类传感器虽然可以降低相关的安装和维修费用，但常常需要电池来维持生命，因此电池在很大程度上限制了无线传感器的使用寿命。光纤传感器的外在优势很多，其能量损失小可以实现远程控制，质量轻，占用空间小。但光纤传感器的造价和维护成本很高，且在应变测量中有范围的局限性。其原理是所需要监测的参数在调制区与光发生相互作用，并改变光的一些性质，在通过检测光的改变的性质的参数，来进行监测和测量。

以上传感器在实际运用中均有不可忽视的缺陷，因此为了避免上述传感器的不足，此次论文的研究内容是以矩形微带贴片天线传感器为基础，设计阵列结构的工程“智能皮肤”。关于贴片天线传感器在结构监测系统中的应用，目前国内主要集中在单一的测量中（应变或者裂纹），并且主要是进行理论性的研究和方法上的创新，没有很多的运用到工程实际中。在国外对于该传感器的研究也很少有在实际监测中的运用。但即使这样，微带贴片天线传感器在工程运用中的优势在目前依旧无法替代，如今国内外各研究机构越来越多的对微带贴片传感器进行工程相关的研究。

首先微带天线的体积小，重量轻，剖面低，在使用过程中不会占用很大空间位置，且由于重量轻，不会对结构产生很大影响。其次微带天线由于本身的柔软性，它可以与结构表面有很好的贴合，从而避免了实际运用中的很多问题。而且对于矩形贴片，其制造更加容易，更容易实现产业化。最重要的一点是微带贴片天线传感器的谐振频率能够同时感知裂纹大小及其扩展方向、结构应变，这将是本论文所围绕的中心点。希望通过本文的研究，能够准确的展现出应变与裂纹在贴片天线传感器阵列结构中的规律，由此在以后的工程实际运用中，能够将这种新型的贴片天线运用在结构检测中，通过其组成的阵列结构在损伤敏感处的布置，达到“智能皮肤”的效果，保证金属结构的实时监测，实时反馈，从而实现对工程的更精确的诊断与保护。

1.2发展历史与研究现状

1.2.1微带贴片天线的研究

在1953年，微带天线第一次被美国的Deschamps G.A.教授提出。由于前期理论不足，微带天线在开始一段时间内并没有很大的发展，也没有引起足够的重视。一直到上世纪七十年代，在敷铜、敷金介质基片光刻技术的大发展和理论模型的完善下，由Munson R. E.^[6]和Howell J. Q.^[7]等人成功研制出第一批可用于实际工程中的新型微带天线后，才真正的开始发展。

2008年Tata U,Huang H等人第一次提出基于贴片天线的应变测量方法，他们发现应变改变金属片的尺寸，能够使得天线的共振频率发生了改变，通过贴片天线与铝悬臂连接起来，并在悬臂梁自由端的梁和施加不同载荷，使其产生不同应力，获得不同的应变。在此基础上探究谐振频率与应变的关系^[8]，打开了贴片天线的又一个大门。同一年，张天喻借助HFSS软件研究了不同形状的微带贴片天线的特点^[9]。他通过设计矩形微带贴片天线和圆形微带天线，在HFSS的仿真实验分析下，比较二者的带宽、在其他设计条件相同下二者满足要求的贴片面积，以及二者的增益与阻抗匹配特性。并得出矩形贴片天线相对于圆形微带天线在实际运用中有更大的优势的结论。

2011年I Mohammad等人运用矩形贴片天线研究裂纹的监测。由于地面上存在裂缝，天线的平面改变其导电性，从而降低了天线传感器的共振频率。并且通过实验得出传感器可以用亚毫米的空间分辨率监测裂纹生长^[10]。2012年I Mohammad，Haiying Huang等人在研究天线传感器在裂纹检测的基础上，通过研究分析四中不同的裂纹结构（一是平行与贴片长度的裂纹，二是沿贴片对角方向的裂纹，三是不同倾斜角裂纹，四是扭结裂纹），获得不同结构下的谐振频率，从而得到裂纹对天线谐振频率的定性认识^[11]，在最后的研究中，最终确定天线传感器能够提供关于裂纹方向的量化信息 ^[12]。

2011年Xiaohua Yi a,Terence Wu等人采用特殊的低介电衰减的基质材料，和RFID芯片进行信号调制，通过对铜和铝的拉伸实验，验证了拉伸样件的应力应变是通过基质传递到贴片^[13]。

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