面向結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)的貼片天線(xiàn)傳感器技術(shù)研究進(jìn)展*

李云飛 韓國(guó)棟 王鳴杰 許晨旭 左天一

1 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430070

0 引言

在長(zhǎng)期承載工作過(guò)程中，金屬結(jié)構(gòu)會(huì)不可避免地出現(xiàn)各類(lèi)型損傷，當(dāng)其缺陷積累到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)的承載能力和抗疲勞性能將會(huì)隨之降低，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患。利用傳感器對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)是保證金屬結(jié)構(gòu)在服役期間安全運(yùn)行的重要手段。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已具備了一個(gè)較完善的體系。金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)[1]、壓電陶瓷波動(dòng)法監(jiān)測(cè)[2]、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)[3]和光纖FBG 傳感器法[4]和薄膜傳感器法[5]等。其中，機(jī)器視覺(jué)法監(jiān)測(cè)需清除結(jié)構(gòu)表面油漆涂層，安裝視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，難度大且成本高；壓電陶瓷波動(dòng)法有較好的裂紋識(shí)別能力，但受被測(cè)構(gòu)件復(fù)雜形狀影響顯著；聲發(fā)射法常用于金屬結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)，但易受外部聲源干擾，難以區(qū)分活動(dòng)構(gòu)件摩擦等生成的與裂紋擴(kuò)展相似信號(hào)特征的聲源，無(wú)法實(shí)施大型裝備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和裂紋定量識(shí)別；光纖FBG 傳感器法主要應(yīng)用于高端裝備的裂紋監(jiān)測(cè)，常需通過(guò)疲勞試驗(yàn)等方法建立前期數(shù)學(xué)關(guān)系，以預(yù)測(cè)裂紋定位與長(zhǎng)度，但其過(guò)高的成本限制了大范圍投產(chǎn)使用。

基于新材料和新工藝的結(jié)構(gòu)薄膜傳感器具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)共形特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被用于金屬材料的裂紋測(cè)試研究。物理氣象沉積(PVD)薄膜傳感器的導(dǎo)電傳感層具有隨附損傷特性，會(huì)隨基體金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞裂紋在相同部位出現(xiàn)裂紋，從而引起監(jiān)測(cè)傳感層電阻發(fā)生變化，得到基體結(jié)構(gòu)的裂紋損傷情況，其不足在于需對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)表面作復(fù)雜工藝處理，且鍍膜工藝參數(shù)等對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大[6-8]；薄膜軟彈性電容器（SEC）傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可直接感知表面裂紋擴(kuò)展，但其陣列布線(xiàn)復(fù)雜，影響測(cè)試結(jié)果的因素較多[9-12]。

微帶天線(xiàn)傳感器是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、質(zhì)量輕、成本低等特點(diǎn)，能無(wú)線(xiàn)被動(dòng)式地測(cè)量多種金屬結(jié)構(gòu)健康參數(shù)，獲取結(jié)構(gòu)損傷信息。基于微帶貼片天線(xiàn)傳感器技術(shù)在裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的巨大潛力，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)裂紋識(shí)別領(lǐng)域中的瓶頸問(wèn)題開(kāi)展了廣泛研究。

1 基于微帶天線(xiàn)的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

在金屬結(jié)構(gòu)裂紋信息的監(jiān)測(cè)方面微帶天線(xiàn)傳感器極具潛力。當(dāng)裂紋萌生或擴(kuò)展時(shí)，裂紋的存在對(duì)天線(xiàn)接地板（即被測(cè)金屬結(jié)構(gòu)）表面的電流路徑造成了擾動(dòng)，迫使電流沿著裂紋尖端繞行，增加了電長(zhǎng)度，導(dǎo)致天線(xiàn)諧振頻率發(fā)生偏移，然后通過(guò)量化分析諧振頻率偏移量實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的監(jiān)測(cè)感知。

得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校Huang H Y 團(tuán)隊(duì)作為研究微帶天線(xiàn)傳感器的先行者，開(kāi)展了關(guān)于微帶天線(xiàn)傳感器測(cè)量金屬結(jié)構(gòu)裂紋的大量研究工作。2009 年，Deshmukn S 等[13]提出將矩形微帶貼片天線(xiàn)傳感器用于金屬結(jié)構(gòu)的裂紋測(cè)試，并揭示了測(cè)試原理，研究了接地板上的裂紋擴(kuò)展對(duì)微帶天線(xiàn)諧振頻率的影響，其結(jié)果表明諧振頻率隨裂紋長(zhǎng)度的增加而線(xiàn)性減小，裂紋的監(jiān)測(cè)靈敏度為29.6 MHz/mm，可實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)的裂紋監(jiān)測(cè)；2010 年，該團(tuán)隊(duì)研究了裂紋的開(kāi)閉合效應(yīng)對(duì)裂紋長(zhǎng)度測(cè)量的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了傳感器的諧振頻率會(huì)隨貼片下裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展而降低的關(guān)系[14]；2011 年，為了繼續(xù)研究垂直于貼片長(zhǎng)度方向的裂紋對(duì)其長(zhǎng)度方向諧振頻率的影響，該團(tuán)隊(duì)采用雙懸臂梁模擬裂紋進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示天線(xiàn)諧振頻率與裂紋長(zhǎng)度呈線(xiàn)性關(guān)系[15]。

基于上述研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器裂紋識(shí)別方面也開(kāi)展了相應(yīng)的研究。2015 年，Liu M B等[16]基于天線(xiàn)背面自帶接地板的形式，設(shè)計(jì)了9 種不同類(lèi)型的裂紋進(jìn)行微帶貼片天線(xiàn)的裂紋監(jiān)測(cè)研究，試驗(yàn)表明裂紋擴(kuò)展使得諧振頻率降低，線(xiàn)性度約為10 MHz/mm；2019 年，毛艷飛[17]通過(guò)仿真對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器的饋線(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)化，使傳感器具備更好的性能，通過(guò)研究貼片和接地板的電流分布得出諧振頻率的變化隨裂紋長(zhǎng)度的增加而越明顯，同時(shí)得出貼片尺寸的增大會(huì)導(dǎo)致微帶天線(xiàn)的裂紋監(jiān)測(cè)靈敏度降低的結(jié)論。

以上研究大部分都圍繞裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與諧振頻率偏移的關(guān)系進(jìn)行，而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)裂紋方向識(shí)別的研究同樣具有工程價(jià)值。2012 年，Mohammad I 等[18]利用矩形微帶貼片天線(xiàn)傳感器進(jìn)行了斜裂紋方向測(cè)量的研究，運(yùn)用仿真軟件HFSS 分析并驗(yàn)證了不同種類(lèi)裂紋擴(kuò)展與微帶天線(xiàn)諧振頻率的關(guān)系，結(jié)果顯示裂紋擴(kuò)展角度不同則對(duì)2 個(gè)方向諧振頻率的影響不同；當(dāng)裂紋長(zhǎng)度沿貼片對(duì)角線(xiàn)擴(kuò)展時(shí)，2 個(gè)方向的諧振頻率隨之減??；可將相對(duì)諧振頻率變化的比值r＝f10/f01作為觀(guān)測(cè)指標(biāo)，根據(jù)r-裂紋尖端位置圖線(xiàn)識(shí)別任意方向的斜裂紋以及轉(zhuǎn)角裂紋。

上述關(guān)于裂紋方向識(shí)別的研究?jī)H定性分析了裂紋長(zhǎng)度和角度與諧振頻率之間的關(guān)系，并未給出一個(gè)定量的裂紋信息的計(jì)算算法。2018 年，Liang K 等[19]提出了一種基于微帶天線(xiàn)傳感器的裂紋識(shí)別算法，該算法根據(jù)諧振頻率偏移預(yù)測(cè)隨機(jī)裂紋的算法，將裂紋近似為寬度無(wú)窮小的斜線(xiàn)，基于接地板表面電流密度分布規(guī)律對(duì)裂紋中點(diǎn)位置、二維坐標(biāo)、角度和長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)應(yīng)的裂紋通量進(jìn)行計(jì)算，擬合仿真數(shù)據(jù)得到裂紋通量與頻率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，建立裂紋參數(shù)與頻率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過(guò)對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果及算法預(yù)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了該算法在裂紋參數(shù)識(shí)別上的有效性；2021 年，李潤(rùn)發(fā)[20]提出了一種斜裂紋定量識(shí)別算法，該算法以接地板上表面的電場(chǎng)及電流分布規(guī)律為基礎(chǔ)，通過(guò)斜裂紋引起的電流路徑增量大小定義有效裂紋長(zhǎng)度，而各模式下的投影因子則由有效裂紋長(zhǎng)度和實(shí)際投影長(zhǎng)度決定，再利用投影因子將斜裂紋識(shí)別問(wèn)題轉(zhuǎn)化為垂直裂紋和平行裂紋展開(kāi)識(shí)別，最后斜裂紋的長(zhǎng)度與角度即可利用該裂紋識(shí)別算法進(jìn)行計(jì)算。

在基于微帶天線(xiàn)的裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)中，不僅裂紋的長(zhǎng)度和方向會(huì)影響微帶天線(xiàn)的諧振頻率，裂紋的體積參數(shù)也會(huì)對(duì)諧振頻率產(chǎn)生影響。2019 年，Dong H L 等[21]設(shè)計(jì)了一種裂紋寬度控制裝置，將接地板分解為2 部分，模擬裂紋寬度擴(kuò)展通過(guò)位移平臺(tái)控制2 塊鋼板的間隙實(shí)現(xiàn)，分別對(duì)平行裂紋、垂直裂紋和斜裂紋的寬度變化進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，得到3 種裂紋的方向均可由傳感器表征，水平和垂直裂紋寬度的監(jiān)測(cè)靈敏度分別為-35 MHz/mm和-45 MHz/mm；同年，Liu Z P 等[22]在監(jiān)測(cè)裂紋長(zhǎng)度和寬度的研究基礎(chǔ)上引入了裂紋深度參數(shù)，針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)體積型損傷提出了電流路徑繞行理論，通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究了不同裂紋參數(shù)下傳感器諧振頻率的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)了接地板表面電流密度分布和電流路徑走向會(huì)隨體積型損傷發(fā)生變化，在裂紋深度逐漸增大至貫穿的過(guò)程中，裂紋長(zhǎng)度與諧振頻率的關(guān)系由線(xiàn)性變?yōu)槎涡浴?/p>

此外，Liu Z P 等[23]將微帶天線(xiàn)傳感器應(yīng)用于FRP加固后的鋼結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)研究，基于FRP 材料屬性提出雙層基質(zhì)模型，推導(dǎo)出雙基質(zhì)天線(xiàn)傳感器的頻率計(jì)算公式，仿真分析了裂紋長(zhǎng)度對(duì)雙基質(zhì)傳感器諧振頻率以及FRP 厚度對(duì)裂紋檢測(cè)效果等的影響，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證雙基質(zhì)傳感器的諧振頻率隨裂紋長(zhǎng)度的增加其變化趨勢(shì)與單基質(zhì)基本一致，隨裂紋長(zhǎng)度增加呈拋物線(xiàn)減??；FRP 厚度越大則相同長(zhǎng)度的裂紋對(duì)諧振頻率的影響越小，即裂紋長(zhǎng)度識(shí)別的靈敏度提高。

由國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)展可知，關(guān)于微帶天線(xiàn)傳感器的裂紋識(shí)別研究正在逐漸深入。近年來(lái)，研究成果從裂紋定性識(shí)別發(fā)展到裂紋參數(shù)定量識(shí)別，從研究較易被識(shí)別的裂紋長(zhǎng)度和方向參數(shù)發(fā)展至探究復(fù)雜度較高的裂紋位置、寬度和深度等體積參數(shù)，推動(dòng)了微帶天線(xiàn)傳感器在實(shí)際工程中裂紋參數(shù)識(shí)別的應(yīng)用進(jìn)程。

2 基于微帶天線(xiàn)的陣列設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀

由于微帶天線(xiàn)傳感器尺寸較小且監(jiān)測(cè)范圍有限，為了實(shí)現(xiàn)大面積監(jiān)測(cè)，需要在被測(cè)金屬結(jié)構(gòu)上布置微帶天線(xiàn)傳感器陣列。2012 年，Xu X 等[24]設(shè)計(jì)了一種測(cè)量裂紋長(zhǎng)度的二元貼片天線(xiàn)傳感器陣列，天線(xiàn)貼片尺寸分別為10.4 mm×8.6 mm、15.25 mm×12.75 mm，通過(guò)空間分隔和頻率分隔來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的區(qū)分；將2 個(gè)二元貼片天線(xiàn)傳感器布置于金屬試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，裂紋會(huì)依次擴(kuò)展至大貼片和小貼片下方，影響二者的某一諧振頻率變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器陣列可實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的裂紋監(jiān)測(cè)，隨著裂紋在2 貼片下方的擴(kuò)展，傳感器的諧振頻率呈拋物線(xiàn)下降。

2013 年，Yi X 等[25]設(shè)計(jì)了一種三貼片傳感器陣列用于測(cè)量應(yīng)變，在不同應(yīng)變下測(cè)試了傳感器的測(cè)量靈敏度，證明了該陣列傳感器的測(cè)量應(yīng)變可行性，每個(gè)傳感器的諧振頻率和應(yīng)變之間為線(xiàn)性關(guān)系；2018 年，周凱等[26]設(shè)計(jì)了一種二元組合貼片天線(xiàn)傳感器用于測(cè)量平面二維應(yīng)變，該傳感器可測(cè)量結(jié)構(gòu)表面多個(gè)方向的應(yīng)變，根據(jù)該傳感器測(cè)量結(jié)果可推導(dǎo)出主應(yīng)變的大小和方向，該方法能有效測(cè)量金屬結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變大小及方向。

2019 年，Liu Z P 等[27]基于焊縫長(zhǎng)而窄的形狀特性設(shè)計(jì)了一種基于微帶天線(xiàn)傳感器的三元線(xiàn)陣，3 個(gè)陣元并饋連接，通過(guò)一個(gè)激勵(lì)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，擴(kuò)大傳感器監(jiān)測(cè)范圍，利用延時(shí)線(xiàn)原理實(shí)現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展下相同尺寸陣元諧振頻率的提取。

2019 年，毛艷飛設(shè)計(jì)了一種微帶天線(xiàn)傳感器陣列和饋線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，陣列陣元貼片尺寸為30 mm×24 mm，陣元間距為20 mm，基于試驗(yàn)探究了裂紋擴(kuò)展對(duì)傳感器陣列各陣元諧振頻率的影響，得出結(jié)論為：傳感器陣列陣元之間的耦合強(qiáng)度隨陣元間距增大而降低；相同陣元間距下垂直面耦合強(qiáng)度高于水平面耦合強(qiáng)度；隨裂紋長(zhǎng)度的增大，各陣元的裂紋監(jiān)測(cè)靈敏度隨之增大。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器陣列的研究較少，僅提出了較少幾種傳感器陣列監(jiān)測(cè)裂紋、應(yīng)變方法，研究中也只分析了裂紋擴(kuò)展到每個(gè)陣元下方時(shí)對(duì)傳感器諧振頻率的影響，實(shí)際上研究的仍是單傳感器的裂紋、應(yīng)變擴(kuò)展監(jiān)測(cè)，故需進(jìn)一步研究微帶天線(xiàn)傳感器陣列的一體化多參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3 基于微帶天線(xiàn)的多參數(shù)解耦監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

在結(jié)構(gòu)參數(shù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，微帶天線(xiàn)傳感器的諧振頻率會(huì)同時(shí)受到裂紋、應(yīng)變、溫度耦合等的影響。通過(guò)對(duì)多層微帶天線(xiàn)的尺寸、結(jié)構(gòu)、基質(zhì)材料等進(jìn)行設(shè)計(jì)可使其具備多頻特性，以此提高天線(xiàn)帶寬和增益，優(yōu)化天線(xiàn)的輻射性能，這種多頻特性為多參數(shù)解耦監(jiān)測(cè)微帶天線(xiàn)傳感器的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。因此，為了實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)對(duì)單一參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，研究人員基于多層微帶貼片天線(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋與應(yīng)變進(jìn)行了解耦設(shè)計(jì)。

2018 年，Raheja D K 等[28]提出了一種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的同軸饋電雙極化三頻疊層微帶天線(xiàn)，一層由截角正方形貼片構(gòu)成，一層由橢圓貼片構(gòu)成。試驗(yàn)結(jié)果顯示，天線(xiàn)在4.2 GHz、4.8 GHz 和5.8 GHz 處出現(xiàn)3 個(gè)頻段諧振，在前2 個(gè)諧振處表現(xiàn)出圓極化特性，在第3 個(gè)諧振處表現(xiàn)出線(xiàn)性極化特性。

2022 年，郭謙[29]提出了一種多層微帶天線(xiàn)傳感器設(shè)計(jì)方法用于應(yīng)變裂紋解耦監(jiān)測(cè)，首先基于多諧振腔模型下的電流分布情況分析了應(yīng)變裂紋解耦監(jiān)測(cè)機(jī)理；其次對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器的雙層基質(zhì)尺寸及布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，裂紋測(cè)量貼片（110 mm×80 mm）布置于應(yīng)變測(cè)量貼片（35 mm×28 mm）下層；最后，仿真分析應(yīng)變與裂紋擴(kuò)展對(duì)各層貼片諧振頻率的影響，驗(yàn)證了多層微帶天線(xiàn)傳感器的應(yīng)變裂紋解耦監(jiān)測(cè)可行性。結(jié)果表明，裂紋在0 ～12 mm 的擴(kuò)展對(duì)應(yīng)變識(shí)別效果幾乎無(wú)影響；應(yīng)變狀態(tài)只會(huì)影響裂紋測(cè)量貼片的工作諧振頻率，由應(yīng)變帶來(lái)的諧振頻率偏移量可由上層貼片的應(yīng)變測(cè)試值進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償。

為了研究溫度與應(yīng)變、溫度與裂紋的耦合特性并進(jìn)行解耦測(cè)量，2015 年Sanders J 等[30]以溫度對(duì)基質(zhì)介電常數(shù)和尺寸的影響關(guān)系為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)公式從理論角度推導(dǎo)了溫度與傳感器諧振頻率偏移量之間的數(shù)值關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)得出基質(zhì)的介電常數(shù)不僅與溫度有關(guān)，還受接地板材料影響。

2018 年，Tchafa F M 等[31]量化分析了溫度和應(yīng)變對(duì)傳感器諧振頻率的影響，建立起諧振頻移、溫度和應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制作了矩形輻射貼片天線(xiàn)傳感器；之后，對(duì)微天線(xiàn)傳感器進(jìn)行了拉伸和機(jī)械熱性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了歸一化天線(xiàn)諧振頻率位移與外加應(yīng)變和溫度變化呈線(xiàn)性關(guān)系的理論預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變的解耦測(cè)量。

2021 年，李潤(rùn)發(fā)通過(guò)仿真分析了溫度、裂紋以及溫度裂紋耦合分別對(duì)諧振頻率的影響，得知溫度同時(shí)改變傳感器的2 個(gè)諧振頻率，2 個(gè)諧振頻率的偏移量之比與諧振頻率之比相同，溫度測(cè)量靈敏度之比與諧振頻率之比相同，溫度和裂紋的耦合為線(xiàn)性耦合。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種二元微帶天線(xiàn)傳感器陣列，用于溫度裂紋解耦測(cè)量。該傳感器陣列由裂紋測(cè)量陣元與溫度測(cè)量陣元組成，將溫度測(cè)量陣元所測(cè)得的溫度信息回代到裂紋測(cè)量陣元測(cè)得的2 個(gè)諧振頻率中，進(jìn)行溫度裂紋解耦測(cè)量。由于2 個(gè)陣元尺寸不相同，在VNA 的頻域信號(hào)中兩者諧振頻率不會(huì)相互疊加干擾，故可直接并聯(lián)2 個(gè)陣元進(jìn)行裂紋與溫度的信號(hào)輸出。

4 基于微帶天線(xiàn)的抗干擾設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

在金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中，常會(huì)遇到非常惡劣的工作環(huán)境（如溫度差異性大，水、灰塵和冰層等異物覆蓋等因素），惡劣的環(huán)境會(huì)耦合進(jìn)天線(xiàn)，直接影響微帶天線(xiàn)傳感器的諧振頻率變化，降低實(shí)際工況中結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的可靠性，故對(duì)微帶天線(xiàn)的抗干擾設(shè)計(jì)研究也是部分學(xué)者研究的方向。

溫度改變引起的諧振頻率偏移會(huì)對(duì)裂紋（尤其是微小裂紋）的識(shí)別精確度有較大影響，故微帶天線(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償研究成為工程實(shí)際中必不可少的環(huán)節(jié)。2018年，Yan D 等[32]以FR4 作為傳感器的基質(zhì)材料，分析了溫度為-40℃～125℃內(nèi)傳感器的諧振頻率變化規(guī)律，結(jié)果表明，溫度每改變1℃會(huì)引起諧振頻率偏移347.45 kHz。

為補(bǔ)償溫度波動(dòng)引起的諧振頻率偏移，2020年，Li D 等[33]采用介電常數(shù)熱系數(shù)5 ppm/℃的RT/DUROID?6202 材料作為基質(zhì)，有效提高了傳感器在環(huán)境溫度波動(dòng)時(shí)的可靠性；Zhang L 等[34]為了提高微帶天線(xiàn)的熱穩(wěn)定性，制備了一種聚合物-陶瓷的復(fù)合材料作為天線(xiàn)的基質(zhì)材料，經(jīng)驗(yàn)證，該方案可將天線(xiàn)諧振頻率溫度系數(shù)-20℃～60℃保持在23.6 ppm/℃。

2022 年，王元昊[35]提出了一種面向微帶天線(xiàn)傳感器裂紋測(cè)量的溫度自補(bǔ)償方法。該方法基于多層基質(zhì)理論對(duì)傳感器尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得出需采用介電常數(shù)溫度系數(shù)符號(hào)相反的雙層基質(zhì)抵消溫度對(duì)諧振頻率的影響，從而實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)傳感器的溫度自補(bǔ)償功能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)該方法設(shè)計(jì)的雙基質(zhì)微帶天線(xiàn)傳感器可使傳感器在0℃～60℃溫度環(huán)境下能更準(zhǔn)確地計(jì)算出結(jié)構(gòu)裂紋的長(zhǎng)度信息，識(shí)別誤差為±0.2 mm 以?xún)?nèi)，極大地提高了微帶天線(xiàn)傳感器在溫度差異較大的環(huán)境下裂紋識(shí)別的可靠性。

針對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器對(duì)環(huán)境異物的抗干擾研究，2017 年，陳璐[36]通過(guò)對(duì)微帶天線(xiàn)接收信號(hào)傳感器進(jìn)行分形設(shè)計(jì)，有效提高了微帶傳感器的抗干擾性,且結(jié)構(gòu)緊湊,方便現(xiàn)場(chǎng)使用；2021 年，Rafieipour H 等[37]采用真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型工藝進(jìn)行電子玻璃、芳綸、聚酯面板和聚乙烯氯化泡沫芯的堆疊，設(shè)計(jì)了一種夾層結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)罩，使其在不同環(huán)境條件下都具備出色的物理與機(jī)械性能。

2022 年，郭謙[38]基于傳輸線(xiàn)理論建立多物理場(chǎng)數(shù)值模型，探討了環(huán)境異物對(duì)天線(xiàn)傳感器諧振頻率的影響機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種面向微帶天線(xiàn)傳感器的環(huán)境異物抗干擾覆層。該覆蓋層采用耐熱性和耐潮性?xún)?yōu)良的FR4 環(huán)氧板材料，設(shè)計(jì)覆層結(jié)構(gòu)形狀為邊緣凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的形式。通過(guò)對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器進(jìn)行環(huán)境模擬試驗(yàn)，在受水溫、灰塵與冰層厚度的分別干擾下，傳感器有覆層時(shí)諧振頻率的波動(dòng)與無(wú)覆層時(shí)相比，下降率平均達(dá)95%以上，此時(shí)異物層對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器的諧振頻率幾乎沒(méi)有影響，證明所設(shè)計(jì)覆層具備環(huán)境異物抗干擾性能。

目前，國(guó)內(nèi)外的抗干擾研究主要采用天線(xiàn)罩以及覆蓋層等結(jié)構(gòu)對(duì)微帶天線(xiàn)進(jìn)行防護(hù)，由于性能良好的天線(xiàn)罩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料特殊，制備難度較高，不利于微帶天線(xiàn)傳感器一體化集成，但其中涉及的多物理場(chǎng)基礎(chǔ)研究對(duì)于微帶天線(xiàn)傳感器的環(huán)境異物抗干擾研究具備一定的借鑒意義。

5 結(jié)論與展望

本文基于已有的微帶天線(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究，針對(duì)研究人員在天線(xiàn)傳感器對(duì)金屬結(jié)構(gòu)裂紋參數(shù)監(jiān)測(cè)等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要概括。綜合而論，主要包括以下幾點(diǎn)：

1）通過(guò)對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)裂紋機(jī)理的分析，研究了多種方法識(shí)別裂紋參數(shù)及方向；

2）為實(shí)現(xiàn)大面積監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了不同的微帶天線(xiàn)傳感器陣列和饋線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

3）探討了微帶天線(xiàn)傳感器在監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)中溫度與應(yīng)變、溫度與裂紋、應(yīng)變與裂紋的多參數(shù)解耦監(jiān)測(cè)方法，驗(yàn)證了多種解耦監(jiān)測(cè)方法的可行性；

4）針對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器應(yīng)用在溫度差異性大，水、灰塵等異物干擾的惡劣環(huán)境中，提出了溫度自補(bǔ)償、抗干擾覆蓋層等多種抗干擾設(shè)計(jì)方法。

依據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微帶天線(xiàn)傳感器的研究現(xiàn)狀，提出以下幾點(diǎn)建議：

1）由于目前微帶天線(xiàn)傳感器在監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，需去除金屬結(jié)構(gòu)油漆涂層后，在結(jié)構(gòu)的裸表面測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)將傳感器直接覆蓋在結(jié)構(gòu)表面油漆涂層上方粘接后直接測(cè)試，此時(shí)，涂層與天線(xiàn)原基質(zhì)一起構(gòu)成新的基質(zhì)層，由于二者性能、厚度差異都較大，研究雙層基質(zhì)貼片天線(xiàn)傳感理論和傳感器性能，油漆涂層的力學(xué)性能和厚度對(duì)傳感器諧振頻率的影響等有很大的應(yīng)用價(jià)值。

2）在基于微帶天線(xiàn)傳感器的各參數(shù)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中，受測(cè)試環(huán)境噪聲、異物等因素影響，實(shí)際無(wú)線(xiàn)問(wèn)詢(xún)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)存在一定偏差。未來(lái)可研究一種抗干擾性更強(qiáng)的無(wú)線(xiàn)問(wèn)詢(xún)技術(shù)以提高測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度。

3）目前無(wú)線(xiàn)問(wèn)詢(xún)距離仍不足以適應(yīng)更多的工程應(yīng)用。未來(lái)可通過(guò)添加功率放大器電路實(shí)現(xiàn)問(wèn)詢(xún)距離的進(jìn)一步優(yōu)化研究。