基于贴片天线传感器的金属结构体积型损伤检测研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1、目的及意义

1.1研究现状分析

本课题是对结构健康监测中使用的贴片天线传感器的金属结构体积型损伤的研究,以下为国内外的研究现状分析。

(1) 关于贴片天线传感器的研究

张天瑜(2008年)等人通过HFSS 软件的仿真分析,比较矩形微带贴片天线与圆形微带贴片天线各自的优缺点。得出在一般情况下矩形微带贴片天线相对于圆形微带贴片天线的优势非常明显,无论从贴片的尺寸大小还是增益上, 矩形微带贴片天线都应是首选。

李艳等人(2010年)根据微带天线的辐射原理和实际修正,设计了一种谐振频率为7.55GHz的矩形微带天线,利用Ansoft公司的HFSS10.0对其进行了建模并对其进行仿真,分析了天线的S参数图,驻波比以及方向图。仿真结果跟理论结果很吻合,证明了方法的可行性,同时也证明了HFSS是一种对微带天线有效的仿真工具。

Irshad Mohammad和Haiying Huang(2011年)介绍了超高频(UHF)无源RFID传感器系统,用于裂纹检测和潜在的结构监测。 针对传感器系统的新概念提出了工作原理和主要研究挑战。 一个使用3D天线和内核主成分分析(PCA)的新方法被研究和验证,结合两个案例研究评估开放和封闭裂缝。这个提出的方法可以部分减轻来自无线信道的非线性,并证明通过幅值和标签的反向散射信号的相位的原位驱动的可行性。

葛航宇等人(2014年)设计了四种不同尺寸的微带贴片天线,微带天线的中心频率偏移与应变之间存在很强的线性关系; 微带天线应变传感器的初始中心频率与尺寸共同影响其灵敏度, 中心频率越高、尺寸越大, 灵敏度越高。

Jun-Yao等人(2015年)设计了一种新型无线振动应变传感系统的设计、实现和验证,静态测试结果表明,天线的谐振频率位移是其所经历的应变的线性函数,而校准后的天线传感器与应变计测量值的归一化差小于1%,而且还发现从天线传感器测得的应变与粘贴在试样上的应变片之间的差异随着振动频率的增加而增大。

Xiaohua Yi和Terence Wu(2015年)为了解决用于应变感测的天线传感器中的这个基本问题,提出了一种用于考虑在应变下的衬底介电常数变化的新的应变灵敏度模型。研制了一种基于超高频折叠贴片天线的低成本无源RFID传感器,用于测量金属表面的应变。天线的谐振频率随天线在应变作用下的伸长而变化设计并执行谐振器的拉伸试验以量化应变传递比和介电常数变化。除了用于应变感测的天线传感器,发现的结果还可以用于柔性光学和高频电子的分析。

Wen-Juan Wang等人(2016年)通过HFSS软件的仿真,发现以矩形贴片作为应变传感器的微带天线,当可以忽略贴片尺寸引起的边缘效应时,给出了结构应变与谐振频移百分比之间的- 1系数的线性关系,这种天线传感器在工程中可以方便地测量结构应变,甚至在必要时无需标定。

Md.Saddam Hossain等人(2016年)设计了E形贴片天线,其工作频率为5.75 GHz。所有的模拟都是采用高频仿真软件(HFSS)实现。在E型贴片天线与常规的矩形微带贴片天线的比较中发现,E形贴片的传感器性能得到了改进,在天线总回波损耗中增幅达到50.72%,带宽提高25.76%,增益提高8.95%。

周凯,刘志平等人(2018年)提出了一种组合贴片天线传感器,在经过仿真实验以后证实了用此贴片天线进行平面结构二维平面应变测量的可行性。

宋国荣等人(2019年)设计了3种不同中心频率的矩形贴片天线,矩形贴片天线的中心频率偏移与应变之间存在良好线性关系,且中心频率越高其应变灵敏度越大。又因贴片天线中心频率越高其尺寸越小,越有利于对应力集中处进行应变测量,因此,利用贴片天线应变传感器可实现结构部件应变的定量表征。

此外,关于贴片天线国内目前还有这些研究:1)新型电磁 (光子 )晶体贴片天线的研究2)双频天线的应用3)基于新型介质和结构的小型低剖面贴片天线研究4)GIS局部放电检测的微带贴片天线研究。

(2) 关于裂纹的研究:

Srikar Deshmukh等人(2009年)提出随着裂纹长度的增加,天线传感器向低频方向移动。为了确定天线传感器对裂纹长度的灵敏度,绘制了天线传感器的谐振频移与裂纹扩展谐振频移与裂纹扩展之间出现线性关系,故可以很容易地实现毫米级分辨率的裂纹检测。

I Mohammad and H Huang(2010年)提出了一种天线传感器能够以亚毫米分辨率监测疲劳裂纹的扩展。根据微带贴片天线理论,双频贴片天线的谐振频率与相应天线辐射模态的电长度成反比。接地面的裂纹或裂纹张开引起的天线贴片伸长增加了电长度,从而引起相应谐振频率的偏移。因此,可以通过贴片天线的谐振频率位移来监测裂纹的传播和裂纹的张开。

I Mohammad等人(2012年)基于地面裂纹对这两个谐振频率的影响取决于它的方向。因此,可以通过分析两种天线谐振频率的裂纹诱导位移来监测裂纹的方向。首先讨论工作原理,然后对数值模拟、传感器制作、实验过程、结果和分析进行详细说明。仿真和实验结果表明,该天线传感器能够提供裂纹方向的量化信息。

Mabao Liu等人(2015年)基于当时所处环境,发现没有一种方便、低成本、高灵敏度的装置来检测裂纹,设计了一种基于贴片天线的新型裂缝监测传感器,因为当天线贴片上引入裂纹时,会发生共振频率偏移。因此,可以利用测量贴片天线的共振频率偏移来监测裂缝长度和方向。通过仿真和实验验证了该方法的有效性。

(3)关于腐蚀坑的研究:

A. Turnbull等人(2010年)采用有限元分析方法,对受拉远应力作用的圆柱形钢试样中单个腐蚀坑的应力应变分布进行了分析。结果表明,塑性应变集中在坑口下方的坑壁上,而不是在坑底。

V. Sabelkin等人(2016年)研究了在周围正常环境和盐水环境下,铝合金的腐蚀坑产生裂纹的情况,重点分析了从角点和穿透点过渡到裂纹的应力强度因子情况,提出了一个经验关系来估计点裂纹过渡疲劳循环。

(4)关于体积型缺陷的研究:

在检索文档的过程中,未发现有将贴片天线传感器用于体积型缺陷的检测工作,现有文件仅考虑裂纹的长度对天线谐振频率的影响,但在实际的情况分析中,发现裂纹的深度对频率的影响有而且不能忽略,本文在研究裂纹的基础上将研究体积型缺陷的影响。

1.2 研究目的及意义

贴片天线传感器由于其体积小,操作方便,所监测的指标易于监控和单一变量分析,并且能够检测裂纹的生长和方向,还具有优于可用的无线传感器的特点,从而成为了近年来在无线传感器中发展较好的一种。但现阶段在钢结构损伤检测领域内,大多都研究裂纹对天线传感器谐振频率的影响,而忽略钢结构表面由于制造时的气孔等缺陷形成的体积型缺陷以及长久暴露在环境中后所形成的腐蚀坑缺陷。在仿真以及实际实验中发现腐蚀坑的深度、阵列形式和体积型缺陷的深度和半径大小均对天线传感器的谐振频率有较大影响,我们不能忽略。

本次的研究是为了探索裂纹参数、腐蚀坑参数、体积型损伤分别对天线传感器谐振频率的影响,并用HFSS或COMSOL进行建模仿真,分析数据、得出影响结果,判断其是否能够作为结构健康监测的一种传感器。

提出体积型损伤对谐振频率影响的共性规律,争取在学术上做出贡献,未后来学者提供微薄的研究经验。

2. 研究的基本内容与方案

2、研究(设计)的基本内容、拟采用的技术方案及措施

2.1 研究的基本内容

本课题是以贴片天线结构传感器为研究对象,以HFSS分析软件为主要手段,研究体积型缺陷对天线传感器谐振频率的影响,提出共性规律。

课题主要研究工作为:

(1)通过查阅文献、阅读文献后,研究分析贴片天线传感器的工作原理及其使用特点。

(2)基于贴片天线传感器的原理,学习贴片天线传感器三维建模,确定初始频率。

(3)用HFSS仿真软件对贴片天线传感器进行物理建模和数值仿真分析。在基质上设置裂纹,研究谐振频率的变化。

(4)提出共性结论。

2.2 技术方案及措施

(1)文献查阅和理论研究:了解金属结构产生裂纹的机理和贴片天线传感器的原理,并分析国内外基于贴片天线传感器检测裂纹的研究现状

(2)查阅关于AnsoftHFSS的操作文献,掌握软件的HFSS的操作页面、HFSS仿真建模的基本操作、仿真的基本设置、仿真数据的后处理、HFSS优化设计。

(3)设计天线传感器仿真模型:第一步完成建模前数据处理:计算矩形微带贴片的宽度、等效介电常数、等效辐射缝隙长度、矩形微带贴片长度、同轴馈电位置。第二步创建工程设计:设置求解类型、模型尺寸单位。第三步创建矩形微带天线的仿真模型:定义设计变量、创建参考平面、基质和馈电位置、设置端口激励、求解设置。

(4)仿真系统的构建:几何建模模块的构建,网格剖分模块的构建,求解器模块的构建,用户界面的构建。

(5)仿真系统结果分析。

(6)提出结论。

流程图如下:


3. 研究计划与安排

3、进度安排

完成任务的时间节点:

(1)02.20-02.26完成文献检索、专业外文资料翻译;

(2)02.27-03.20建模、数据分析,撰写开题报告并上传;

(3)03.21-04.11共性规律研究;

(4)04.12-05.12完成论文基本内容;

(5)05.13-05.30撰写毕业论文并上传;

(6)06.03-06.08论文答辩;

4. 参考文献(12篇以上)

[1]张天瑜.基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计.吉林师范大学学报(自然科学版)第4 期Nov .2008.

[2] Wen-Juan Wang, Xiang Ren, Yang Sun, Hao Li and Ma-Bao Liu#8727;. Developmentof a strain measurement method utilizing a rectangular microstrip patch antenna.International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics 50 (2016)263–273.

[3] Md.Saddam Hossain*, Md.Masud Rana,Md.Shamim Anower, and Alok KumarPaul.Enhancing the Performance of rectangular patch antenna using E Shapedslot technique for 5.75 GHz. 2016 5th International Conference on Informatics,Electronics and Vision (ICIEV).

[4] Xiaohua Yi, Terence Wu, Student Member, IEEE, Yang Wang, Member, IEEE,andManos M. Tentzeris, Fellow, IEEE.Sensitivity Modeling of an RFID-BasedStrain-Sensing Antenna With Dielectric Constant Change.IEEE SENSORS JOURNAL,VOL. 15, NO. 11, NOVEMBER 2015.

[5]李艳,戴亚文.基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计. 机电工程技术 2010 年第 39 卷第 10 期.

[6] 宋国荣,王学东,吕炎. 基于矩形贴片天线的应变测量技术.北京工业大学学报第45卷第1期,2019.

[7]Irshad Mohammad, Haiying Huang.An Antenna Sensorfor Crack Detection and Monitoring.Advances in StructuralEngineering,2011,Vol.14(1), pp.47-53.

[8] 周凯,刘志平,毛艳飞,孔璞萍,柯亮. 贴片天线传感器平面二维应变测量方法研究.仪器仪表学报,第39卷第1期,2018.

[9] 葛航宇, 李浩, 陈跃良, 刘马宝, 王巧云. 一种基于微带天线的应变测量技术. 中国科学: 技术科学,第 44 卷第 9 期: 973 ~ 978,2014.

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[11] Srikar Deshmukh, Irshad Mohammad,Manos Tentzeris, TerenceWu. Proceedings of the ASME 2009 Conference on Smart Materials, AdaptiveStructures and Intelligent Systems.USA,California,Oxnard,2009.

[12] V. Sabelkin, H.E. Misak, V.Y. Perel, and S. Mall. CrackInitiation from Corrosion Pit in Three Aluminum Alloys Under Ambient andSaltwater Environments. JMEPEG (2016) 25:1631–1642.

[13] A. Turnbull *, L. Wright, L. Crocker. Newinsight into the pit-to-crack transition from finite element analysis of thestress and strain distribution around a corrosion pit. Corrosion Science 52 (2010) 1492–1498.

[14] I Mohammad1, V Gowda2, H Zhai3 and H Huang1. Detectingcrack orientation using patch antenna sensors. Meas.Sci. Technol. 23 (2012) 015102 (9pp)

[15] I Mohammad and H Huang. Monitoring fatigue crack growth and

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