CN109342460A - 一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器及其制备方法 - Google Patents

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康文芳
熊继军
谭秋林
张文栋
赵利辉
王红亮
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Abstract

本发明属于传感器技术领域，提出了一种裂缝检测和监测的无线无源传感器及其制备方法，该传感器包括接地板、介质层和辐射贴片，所述接地板和辐射贴片为导电金属制成，所述介质层的材料为低温共烧陶瓷，所述介质层位于所述接地板上方，所述辐射贴片为矩形且位于所述介质层上方，并与所述接地板之间形成谐振腔。本发明既能检测裂缝存在而且能对裂缝的宽度进行量化表征，可以应用到高温、高压、高旋转、高负载的恶劣环境下，如航天发动机涡轮叶片领域。

Description

一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器及其制备方法。
背景技术
结构退化是世界许多地区的主要基础设施问题，尤其在机械制造、冶金、风力发电、航空航天、铁路运输等工程领域尤为严重，在这些领域金属构件会受到不同程度的损伤，而这些金属结构的损伤可能对人们的生命和财产造成严重的损失，这些金属结构的损伤很大程度是由于裂缝的生成和扩展造成，因此对金属结构裂缝的检测显得尤为重要。近些年一些国内外学者提出了许多关于裂缝检测的方法，常见的检测方法可以分为以下三类：基于振动的，基于超声的和基于应变的技术。对于基于振动的技术，通过监测裂缝形成和生长影响结构的振动参数的变化来完成裂缝检测。在大多数情况下，裂缝对振动参数的影响通常很小，因此，只能检测到大的裂缝，而且，根据振动参数的变化裂缝的扩展难以监测。基于超声波的裂缝检测测量由裂纹传播产生的弹性波或传播的超声波与裂缝之间的相互作用。超声波可以在一个长距离的结构中传播，因此只需要很少的传感器来监测大面积裂缝的存在。但是使用超声波检测裂纹通常需要一个参考信号，并且需要很多专业知识来分析超声波信号。基于应变的裂缝检测技术是通过使用分布式应变传感器测量裂缝附近的应变变化来检测裂缝。只要应变传感器放置在裂缝附近，这些技术就非常灵敏，只有有限数量的传感器才能实现这种技术，尤其是在裂纹位置未知的情况下。在以上这些检测方法里大多数是检测裂缝的存在，并不能对裂缝的宽度进行量化的检测，而裂缝的宽度是构件受损程度评估的重要指标，最重要的一点是以上的一些测量方法受到应用范围的限制。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器，该传感器既能检测裂缝存在而且能对裂缝的宽度进行量化表征。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器，包括接地板、介质层和辐射贴片，所述接地板和辐射贴片为导电金属制成，所述介质层的材料为低温共烧陶瓷，所述介质层位于所述接地板上方，所述辐射贴片为矩形且位于所述介质层上方，并与所述接地板之间形成谐振腔。
本发明还提供了上述的一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据传感器的频率，确定传感器的尺寸参数；
S2、氧化铝生瓷片的制备：将氧化铝粉末、水、分散剂按3:2:1的比例混合并进行一次球磨，时间为24小时，加入苯丙乳液2ml作为粘结剂，加入1.5ml甘油作为塑化剂，使它们混合均匀后进行第二次球磨混合，然后加入除泡剂进行真空除泡，调节合适的刀口高度和流延速度在流延机上成型，然后对坯片进行干燥和脱膜处理获得氧化铝生瓷片；
S3、切片：将制作好的氧化铝生瓷片按设定尺寸切割，切割出多片同样大小的生瓷带；
S4、丝网印刷：根据接地板和辐射贴片的尺寸制作两个网板，利用制作好的网板在切割好的生瓷带上分别旋涂出接地板和辐射贴片；
S5、叠片和层压：将辐射贴片放在最上层，接地板放在最底层，中间用没有金属图案的生瓷带进行叠加，叠加完成后得到基片；然后将基片利用包膜进行包裹，设置层压机的温度为70℃，静压大小为21MPa，将包裹后的基片置于层压机中进行20min的等静压层压；
S6、烧结：将层压后的传感器结构置于有氢气保护的高温炉中进行热流传感器结构的高温共烧，最后完成了传感器的制备。
所述步骤S1中，确定传感器的尺寸参数包括以下步骤：
S201、初步确定传感器的尺寸参数；所述传感器的尺寸参数包括辐射贴片的宽度w和辐射贴片的长度L；辐射贴片的宽度W和长度L应分别满足：
其中，εr表示介质层的介电常数；c表示光速，f表示传感器的工作频率，εe表示有效介电常数，ΔL表示等效辐射缝隙长度；
S202、通过电磁仿真软件HFSS对步骤S201得到的尺寸参数进行优化，最后确定传感器的尺寸。
所述有效介电常数εe和等效辐射缝隙长度ΔL的计算式分别为：
其中，h表示介质层的高。
所述步骤S1中，当传感器的谐振频率为2.1GHz时，传感器的尺寸参数为：介质层高为1mm，辐射贴片长为30.21mm，辐射贴片宽为22.78mm，介质层的介电常数为9.8。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出了一种无线无源传感器及其制备方法，该传感器既能检测裂缝存在而且能对裂缝的宽度进行量化表征，可以以无线方式进行询问，并且不需要本地电源进行供电，本传感器最大的特点是应用广泛，可以应用到高温、高压、高旋转、高负载的恶劣环境下，如航天发动机涡轮叶片，同时传感器具有高灵敏、低轮廓、重量轻、制造成本低、能够快速、实时有效的检测裂缝等优点。
附图说明
图1为本发明提出的一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器的结构示意图；
图2为本发明提出的一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器在不同裂缝宽度下的S(1,1)曲线；图中以尖峰为参考，从左到右依次对应的裂缝宽度为3.5mm，3mm，2.5mm，2mm，1.5mm，1mm，0.5mm，0。
图3为本发明提出的无线无源传感器的谐振频率与裂缝宽度的线性拟合示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出的一种用于检测和监测裂缝的无线无源传感器，包括接地板1、介质层2和辐射贴片3，所述接地板1和辐射贴片3为导电金属制成，所述介质层2的材料为低温共烧陶瓷，所述介质层2位于所述接地板1上方，所述辐射贴片3为矩形且位于所述介质层2上方，并与所述接地板1之间形成谐振腔。谐振腔有两个重要的参数，即谐振频率和回波损耗。由于传感器的辐射贴片是矩形，谐振腔会以一种基本的辐射模式辐射，其电场平行贴片的几何长度，这种模式的谐振频率用f表示。由于与网络分析链接的天线会给传感器辐射电磁波，电磁波会在传感器内部形成谐振，因此传感器的辐射贴片和接地板会有电流。通常大的尺寸导致较小的谐振频率，谐振频率还取决于接地板的特性，例如当沿着接地板宽度方向存在裂纹时，会扰动沿长度方向的电流，裂缝的出现增加了电流沿长度方向的路径，相当于增加了贴片的长度。由于谐振频率与贴片的长度方向的谐振频率成反比，所以谐振频率会随着裂缝宽度的增加谐振频率会减小。因此，通过测量传感器的谐振频率，可以对裂缝宽度进行检测和监测。
本发明实施例还提供了一种用于检测和监测裂缝的无线无源传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据传感器的频率，确定传感器的尺寸参数。
首先确定传感器的频率，然后根据传感器的频率，对传感器的尺寸参数进行初步确定。其中，辐射贴片的宽度为W应满足下式：
式中，c是光速，εr表示介质层的介电常数，f传感器的工作频率。
辐射贴片的长度L一般取为λe/2，这里λe指介质内的导波波长，其表达式为：
考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射贴片的长度L应满足下式：
式(3)中，εe是有效介电常数，ΔL是等效辐射缝隙长度。它们可以分别用下式计算：
式(4)中，h表示介质层高，W表示辐射贴片的宽度，由于介质尺寸几乎不对传感器的参数造成影响，一般把介质的长和宽确定为：L1＝L+L/10，W1＝W+W/10，由于介质层的高h对传感器影响较小，一般可以根据实际情况将其取值为0.8mm～3mm。
通过式(1)和式(3)，以及选用的介质的介电常数，可以初步估算出传感器的尺寸参数，为了使传感器的性能参数更优，可以借助高频仿真软件HFSS(High FrequencyStructure Simulator)对传感器结构参数进行优化设计，以传感器频率f0＝2.1GHz为例，最后确定传感器的参数和基本尺寸如表1所示。
表1
S2、氧化铝生瓷片的制备。
为了使传感器可以工作在高温、高压、高氧化环境下，可以选用dupomt公司951PT型低温共烧陶瓷Green Tape)，LTCC材料是一种优良的陶瓷材料，主要由陶瓷颗粒、玻璃成分和有机物等成分组成，具有集成性好、耐高温、抗腐蚀等特性。此外，也可以将氧化铝粉末、水、分散剂按3:2:1的比例混合并进行一次球磨，时间为24小时，加入苯丙乳液2ml作为粘结剂，加入1.5ml甘油作为塑化剂，使它们混合均匀后进行第二次球磨混合，然后加入除泡剂进行真空除泡，调节合适的刀口高度和流延速度在流延机上成型，然后对坯片进行干燥和脱膜处理获得氧化铝生瓷片。
S3、切片。
将制作好的氧化铝生瓷片按确定的介质层的尺寸大小进行切割，切割出15片同样大小的生瓷带。
S4、丝网印刷。
根据接地板1和辐射贴片3的尺寸制作两个网板，利用制作好的网板分别在切割好的两个生瓷带上旋涂出接地板1和辐射贴片3。
S5、叠片和层压。
将辐射贴片放在最上层，接地板放在最底层，中间用没有金属图案的生瓷带进行叠加，叠加完成后得到基片。
然后将基片利用包膜进行包裹，设置层压机的温度为70℃，静压大小为21MPa，将包裹后的基片置于层压机中进行20min的等静压层压。
S6、烧结。
将层压后的传感器结构置于有氢气保护的高温炉中进行热流传感器结构的高温共烧，温度从室温上升到300℃，时间3小时，最后完成了传感器的制备。
传感器制备完成后，将其加载在不同宽度的裂缝上，测试其辐射参数，即回波信息S(1，1)的曲线，得到的结果如图2所示。通过对不同裂缝宽度下传感器的谐振频率与对应的裂缝宽度之间进行线性拟合，得到的结果如图3所示，从图3中可以看出，本发明制备的传感器的线性度是非常理想的，其传感器的灵敏度为0.68MHz/mm，可以测量的最小裂缝宽度为0.5mm，最大可以测的裂缝宽度为3.5mm。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器，其特征在于，包括接地板(1)、介质层(2)和辐射贴片(3)，所述接地板(1)和辐射贴片(3)为导电金属制成，所述介质层(2)的材料为低温共烧陶瓷，所述介质层(2)位于所述接地板(1)上方，所述辐射贴片(3)为矩形且位于所述介质层(2)上方，并与所述接地板(1)之间形成谐振腔。
2.根据权利要求1所述的一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据传感器的频率，确定传感器的尺寸参数；
S2、氧化铝生瓷片的制备：将氧化铝粉末、水、分散剂按3:2:1的比例混合并进行一次球磨，时间为24小时，加入苯丙乳液2ml作为粘结剂，加入1.5ml甘油作为塑化剂，使它们混合均匀后进行第二次球磨混合，然后加入除泡剂进行真空除泡，调节合适的刀口高度和流延速度在流延机上成型，然后对坯片进行干燥和脱膜处理获得氧化铝生瓷片；
S3、切片：将制作好的氧化铝生瓷片按设定尺寸切割，切割出多片同样大小的生瓷带；
S4、丝网印刷：根据接地板(1)和辐射贴片(3)的尺寸制作两个网板，利用制作好的网板在切割好的生瓷带上分别旋涂出接地板(1)和辐射贴片(3)；
S5、叠片和层压：将辐射贴片放在最上层，接地板放在最底层，中间用没有金属图案的生瓷带进行叠加，叠加完成后得到基片；然后将基片利用包膜进行包裹，设置层压机的温度为70℃，静压大小为21MPa，将包裹后的基片置于层压机中进行20min的等静压层压；
S6、烧结：将层压后的传感器结构置于有氢气保护的高温炉中进行热流传感器结构的高温共烧，最后完成了传感器的制备。
3.根据权利要求2所述的一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，确定传感器的尺寸参数包括以下步骤：
S201、初步确定传感器的尺寸参数；所述传感器的尺寸参数包括辐射贴片的宽度w和辐射贴片的长度L；辐射贴片的宽度W和长度L应分别满足：
其中，εr表示介质层的介电常数；c表示光速，f表示传感器的工作频率，εe表示有效介电常数，ΔL表示等效辐射缝隙长度；
S202、通过电磁仿真软件HFSS对步骤S201得到的尺寸参数进行优化，最后确定传感器的尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器的制备方法，其特征在于，所述有效介电常数εe和等效辐射缝隙长度ΔL的计算式分别为：
其中，h表示介质层的高。
5.根据权利要求2所述的一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，当传感器的谐振频率为2.1GHz时，传感器的尺寸参数为：介质层高为1mm，辐射贴片长为30.21mm，辐射贴片宽为22.78mm，介质层的介电常数为9.8。
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