1. 研究目的与意义（文献综述）

为了准确评估民用、机械和航空航天结构的劣化，大型结构健康监测（shm）的研究在过去几十年中得到了激发，shm 系统可以将基于时间的维护提高到更具成本效益的状态维修。传感器被开发用来测量各种结构响应和操作条件，包括应变、位移、加速度、湿度、温度等。在测量中，应变可以作为应力集中和裂纹扩展的一个重要指标。传统的应变测量方法多为有线式金属箔式应变片，但结构健康监测通常需要大量传感器节点形成传感器网络，由金属箔式应变片传感器构建的传感器系统通常存在布线困难、安装成本高、结构复杂、效率低等问题，且不能直接监测裂纹，使用中具有一定的局限性。无线应变传感器的提出克服了这些缺点。贴片天线传感器是一种新型无源无线传感器，其谐振频率能同时感知结构应变、裂纹及其扩展，因结构简单、易于制作、成本低等特点受到了广泛关注。

国内少有相关方向的研究，2014年西安交通大学葛航宇利用hfss仿真软件对微带贴片天线进行仿真设计，得到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即当对金属接地板施加一定拉应力时，贴片天线几何尺寸会发生改变，其谐振频率也随之发生偏移，据此可推算出金属接地板的应变大小[1]。2015年西安交通大学liu教授研究了基于曲折技术的贴片天线传感器的裂纹检测机理，分析了裂纹对电流分布的影响，并讨论了基于相对谐振变化的斜裂纹识别方法[2]。2017年，北京工业大学何存富教授对新型微带贴片天线应变传感器辐射元尺寸和馈电位置对谐振频率的影响进行了实验研究，得到了微带馈线的位置会影响传感器激发的谐振模态，中心馈电时，将激发纯净的单一模态的谐振频率，馈线位于宽边1 /4 时，将激发双频的谐振模态的结论[3]。同年，同济大学蒋灿将无线射频识别技术（rfid）引入贴片传感器，从而实现无线无源应变检测[4]。同年，我校刘志平教授于提出了基于天线传感器的frp加固钢结构裂缝检测方法，得到了应变对天线传感器检测裂缝性能影响很小，因此在裂缝检测过程中应变对传感器谐振频率的影响可以忽略不计[5]。2018年，我校周凯硕士在“贴片天线传感器平面二维应变测量方法研究”中提出利用两个成45°角的贴片天线测量出平面内4个方向的应变从而得到平面内主应变的大小和方向[6]。

国外研究相对于国内来说较为丰富而且研究起点更早。2009年deshmukh等人首次提出了利用矩形贴片天线对金属表面裂纹进行检测的方法，他们的结果表明天线的谐振频率随着裂纹的长度增加而减少[7]。2010年，mohammad i使用贴片天线进行了疲劳裂纹长度的测试并讨论了裂纹的方向和裂纹闭合对天线传感器谐振频率的影响，得到了“平均来说,1 毫米裂纹的增长导致天线频率偏移22.1mhz”的结论[8]。2012年，yi 等人设计了一种折叠式贴片天线的无线无源智能皮肤传感器的裂纹传感性能，提出了用射频识别 (rfid) 芯片用于信号调制，实现了贴片天线的无线和无源[9]。同年，yi等人进一步研究了无线无源天线传感器的热影响，选择了一种新型的陶瓷填充聚四氟乙烯基材, 用于重新设计天线传感器[10]。2013年，yi等人总结前几年的研究结果，仿真了天线传感器的辐射模式、表面电流密度和电磁场分布的最新模拟结果，通过拉伸试验, 得到无线天线传感器能检测出小于20 με的小应变变化, 能在10000με的大品系上表现良好。利用高增益的读卡器天线, 无线审讯距离可提高到2.1 米。此外, 阵列天线传感器能够测量近距离的应变分布的结论[11]。2016年，cho c等人提出了一种新的天线传感器信号调制方法——倍频方案。并为了准确估计倍频天线传感器的性能, 提出了一种多物理耦合仿真框架, 在考虑机械和电磁行为的同时, 对传感器进行设计[12]。同年yi等人设计了一种缝隙贴片天线传感器，并将其应用于疲劳裂纹检测[13]。

2. 研究的基本内容与方案

设计（论文）任务

（1）贴片天线传感器应变，裂纹测试原理；

（2）贴片天线传感器的应变，裂纹耦合仿真；

3. 研究计划与安排

（1）第1周—第2周，熟悉题目背景，检索相关的中英文文献，了解微带其结构和工作原理，掌握天金属结构应变裂纹测试原理。

（2）第3周，阅读文献并分类整理，提交文献检索报告，完成20000字符的英文文献翻译，并撰写论文开题报告。

（3）第4周—第7周，建立应变、裂纹测试物理模型、数学模型，在此基础上建立微带天线传感器模型comsol有限元模型。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 葛航宇, 李浩, 陈跃良,等. 一种基于微带天线的应变测量技术[j]. 中国科学:技术科学, 2014(9):973-978.

[2] lium, li b, li h. a crack monitoring method based on microstrip patch antenna[j].proceedings - annual reliability and maintainability symposium, 2015:1-5.

[3] 何存富, 闫天婷, 宋国荣,等. 微带贴片天线应变传感器优化设计研究[j]. 仪器仪表学报, 2017, 38(2):361-367.