【摘要】：金屬結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的受載過(guò)程中,會(huì)難以避免地產(chǎn)生各種損傷和缺陷。當(dāng)損傷和缺陷積累到一定程度時(shí),會(huì)造成結(jié)構(gòu)的承載能力和抗疲勞性能降低,進(jìn)而釀成嚴(yán)重的后果。為了保證金屬結(jié)構(gòu)在服役期間安全運(yùn)行并延長(zhǎng)其使用壽命,普遍的方法是利用傳感器對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展,已經(jīng)形成了一個(gè)較完善的體系,常用到的傳感器包括金屬箔式應(yīng)變片、光纖傳感器、基于超聲原理的傳感器、渦流傳感器、壓電傳感器等。這些傳感器能在一定情況下滿足工程實(shí)際需求,但仍各自存在一些問(wèn)題限制了其推廣與應(yīng)用。微帶天線傳感器是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器,其構(gòu)造簡(jiǎn)單、重量輕、制作方便、成本低,能無(wú)線被動(dòng)式地測(cè)量金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)變和識(shí)別裂紋,具有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)了一種微帶天線傳感器,并通過(guò)理論推導(dǎo)、有限元仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證等方法研究了其應(yīng)變測(cè)量和裂紋識(shí)別性能。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)根據(jù)“傳輸線模型”設(shè)計(jì)微帶天線傳感器參數(shù),并推導(dǎo)傳感器諧振頻率與所受應(yīng)變之間的理論關(guān)系�；凇爸C振腔模型”推導(dǎo)傳感器內(nèi)部的電磁場(chǎng)解析解,得到貼片和接地板表面的電流密度解析表達(dá)式,進(jìn)而分析傳感器的裂紋識(shí)別原理以及應(yīng)變和裂紋對(duì)傳感器諧振頻率的耦合作用機(jī)理。(2)利用Ansoft HFSS軟件模擬微帶天線傳感器的應(yīng)變測(cè)量和裂紋識(shí)別,探究傳感器諧振頻率隨應(yīng)變大小和裂紋參數(shù)變化的響應(yīng)規(guī)律。在COMSOL Multi-physics軟件中建立傳感器的“力學(xué)-電磁學(xué)”雙物理場(chǎng)耦合仿真模型,分析應(yīng)變和裂紋耦合工況下傳感器的諧振頻率響應(yīng)情況。(3)制作微帶天線傳感器試件,搭建試驗(yàn)平臺(tái),首先測(cè)試不同應(yīng)變或裂紋單獨(dú)作用時(shí)傳感器的諧振頻率響應(yīng)規(guī)律,然后測(cè)試應(yīng)變和裂紋耦合工況下傳感器的諧振頻率變化情況。將測(cè)試結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證,得到微帶天線傳感器在金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要結(jié)論。上述研究工作驗(yàn)證了微帶天線傳感器用于金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的可行性,并定量地闡釋了傳感器的應(yīng)變測(cè)量和裂紋識(shí)別特性,在該領(lǐng)域具有顯著的學(xué)術(shù)參考價(jià)值,也將為微帶天線傳感器的實(shí)際工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖 1-1 H. Huang團(tuán)隊(duì)的微帶天線傳感器應(yīng)變測(cè)量研究 年，該團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上做了該微帶天線傳感器的無(wú)線訪問(wèn)試無(wú)線測(cè)量。作者利用號(hào)角天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口連接頻信號(hào)，并接收其返回信號(hào)；用快速傅里葉反變換將頻域內(nèi)的域信號(hào)，經(jīng)一系列處理后用矩形窗函數(shù)截?cái)�，再進(jìn)行快速傅里信號(hào)即可得到傳感器的諧振頻率[40]。 年，該研究團(tuán)隊(duì)介紹了一種微帶天線的無(wú)線問(wèn)詢技術(shù)。在微

圖 1-2 基于微帶天線的剪切傳感器利用微帶天線傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試領(lǐng)域。作者利用連續(xù)調(diào)線的反射信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，從而實(shí)樣頻率下可達(dá)到 9.26ppm 的頻率分辨得的動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)與箔式應(yīng)變片獲也相應(yīng)增大，，可能是基質(zhì)材料的非理
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG115

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本文編號(hào)：2705768