1. 研究目的与意义（文献综述）

1 设计目的与意义

1.1研究背景

结构健康监测（SHM）是指对工程结构实施损伤检测和识别，如今结构健康监测已经广泛应用于机械、航空、土木等众多领域进行结构的安全性评定，单就国内而言目前已有香港青马大桥结构健康监测系统、苏通长江公路大桥结构健康监测系统以及福州海峡会展中心扩建工程结构健康监测系统等众多工程案例。在长期的服役过程中，重要的承载结构因疲劳、腐蚀以及材料老化等众多原因不可避免地存在损伤积累，当损伤加剧到一定程度后就会萌生裂纹，如果不能够及时检测到裂纹的产生，将会为后续的生产生活埋下巨大的安全隐患，裂纹扩展以后将会造成结构的失效，带来巨大的经济损失。结构健康监测系统的应用能够在很大程度上及时发现隐患，做出有效的处理措施，避免损失的产生。

通过对大型港机金属结构的健康情况进行监测统计发现，当门座起重机工作10年左右时易发生故障，表1.1展示了门座起重机发生故障的主要原因及其所占比例。从表中数据可见，因为裂纹和应变导致的结构故障比例高达92.5%。不仅是港口机械，裂纹和应变同时也是钢结构建筑、钢架桥、海上钻井平台以及大跨度桁架等结构失效的主要原因。裂纹通常起始于应力集中处，所以在关键位置布置传感器对应变进行监视可以很大程度上达到结构健康监测的目地。

表1.1 门座起重机主要故障原因及其所占比例

随着传感器技术的不断进步以及人们对应变监测的重视，应变测量技术有了很长远的进步，先后出现了电测法、压电法、磁测法、振弦法、超声法以及光测法等众多测试方法，尤其是光测法更是发展迅速，衍变出了光弹性法、光纤测量法、莫尔光栅测量法以及光学三维测量法等。但是，传统的应变测量方法存在着许多不足：1.布置时需要大量的线缆，布置复杂，成本高，而且线缆的布置很容易对测量的准确性产生影响；2.需要较为庞大的传感器列阵，这就更加剧了测量系统的复杂程度；3.传感器本身受环境影响较大，不能适应恶劣的环境。在此背景下，人们渴望一种无源、无线、结构简单、造价低廉的传感器能够克服上述缺陷，而贴片天线传感器无疑潜力巨大。

1.2国内外研究现状

感器诞生之初多为有线传感器，为有线有源传感器。随着传感器技术的发展，出现了传统的无线传感器，无线传感器的诞生克服了线缆的限制，但是没能解决有源的问题，而且传感器本身结构复杂、尺寸较大。

为了彻底解决传统传感器存在的问题，2008年，U Tata和H Huang等人提出了将微带贴片天线用于金属结构的应变测量，推导了金属结构应变与微带贴片天线谐振频率变化之间的关系。

2009年，Uday Tata, S Deshmukh, J C Chiao等人在传感器的有线检测基础上提出了信号的无线访问方法 ，阐述了微带天线传感器的无线射频信号传输与接收原理，即通过矢量网络分析仪产生射频信号并对接收信号进行分析，并利用号角天线进行信号的无线传输与接收，但没有信号的成分与信号分析方法进行具体的描述。

2011年，Xiaohua Yi等人设计制作了一种基于射频识别（RFID）的无线应变传感系统，用于测量金属结构的表面应力。该系统由访问RFID读取器和RFID标签组成，RFID标签包括微带贴片天线和IC芯片。还在此基础上做了12inch和24inch两种无线访问距离下的拉力试验，两种情况下谐振频率与应变之间均呈良好的线性关系。而且，该团队还研究了基质厚度对于贴片天线传感器的影响。选用了厚度分别为0.79mm和1.58mm的基质，并进行了应变转移试验、24inch访问距离的拉伸试验和零应变下访问距离试验。结果表明：较厚的基质会降低应变转移比例，但均能转移较大比例的应变；相同的访问距离下，较厚的基质使得谐振频率-应变的线性度更好，也能增大无线访问距离。

2012年，I Mohammad和Haiying Huang等人设计了基于微带贴片天线的剪切传感器。试验方法主要是预先在贴片天线的接地板开槽，当传感器受剪切力时贴片与接地板发生相对位移，从而导致谐振频率变化，即可测出剪切应力。同年，X Xu and H Huang提出了一种高分辨率的无源无线访问系统，用于检测金属结构应变，通过在传感器端集成微阻抗开关，实现信号的调制，便于进行信号识别。并建立了能量传输模型，通过试验验证得出这种无线访问系统的最小访问距离可以达到。

2012年，Xiaohua Yi等人研究了由三个贴片天线组成的应变传感器阵列，通过防冲突的RFID机制来减小相邻传感器之间的干扰，从而实现对各个传感器的单独无线访问。对传感器的拉伸试验表明，相邻贴片传感器之间的干扰不可避免，但干扰作用不会明显影响各传感器的单独工作。作者推测可设计不同原始频率的传感器组成阵列，以减小相互之间的干扰作用。2012年，Yixiaohua,Chunhee Cho,Yang Wang等人利用倍频天线传感器进行了无线应变测量。采用Ansoft HFSS和ADS软件对传感器的接收天线、传输天线、匹配网络进行了仿真设计与计算，通过仿真建立了传感器输出功率/输入功率与频率的曲线，最终得出了倍频天线传感器谐振频率与结构应变的线性关系。

2013年Xiaohua Yi等人利用微波仿真软件对贴片天线传感器进行仿真，研究了天线传感器的表面电流分布和电磁场分布，仿真结果表明当发射信号频率在传感器的谐振频率附近时，贴片的表面电流和辐射强度最大，而且谐振频率随应变而变化。作者还研究了贴片天线传感器的应变灵敏度，仿真得到的归一化灵敏度为-0.8927ppm/ ，试验值为-0.7404ppm/ ，差别应该是应变转移效应造成的。同年，Trang T. Thai等人设计了一种全新的高灵敏度被动无线射频应变传感器，通过在微带天线的贴片边缘增加一个环状负载带，通过应变可以改变环状带的重合长度，从而改变重合部分的电容，通过这种方式可以实现每1%应变带来2.35%的频率变化。

2014年葛航宇等人研究了基于贴片天线传感器的应变测量方法。作者结合HFSS仿真设计了四种尺寸的贴片天线传感器。四种贴片天线传感器的应变试验结果表明：传感器的谐振频率与应变之间存在良好的线性关系，且中心频率越高则灵敏度越好，几何尺寸越大灵敏度越高；而天线传感器的中心频率与几何尺寸呈负相关，因此设计微带天线应变传感器时应综合考虑两者的影响。

2015年，Neeraj Sharma等人用微波仿真软件对贴片天线传感器的应变测量效果进行了分析，结果表明谐振频率偏移与应变呈线性关系，灵敏度为25.40MHz/1%应变。A. Benchirouf等人同样用（CST） Microwave Studio软件对贴片天线传感器的应变效应做了仿真分析，其结果为表明谐振频率对相应辐射方向上的应变敏感，沿贴片长度方向的灵敏度大于宽度方向。相比于传统的应变传感器，贴片天线传感器的应变灵敏度仍然较低。Xiaohua Yi等人利用通过将COMSOL中的力学模块和电磁模块耦合，对贴片天线传感器的应变效应进行仿真，得到相对谐振频率变化关于应变的灵敏度为-0.8982，而试验测量结果为-0.7404，并建立了考虑应变传递效应与基质介电常数变化的理论模型，并设计了一个谐振器试验，以量化“接地板-贴片”应变传递效率和基质介电常数变化，试验数据表明应变传递效率约为90%，，将基质介电常数随应力改变的关系输入到COMSOL再次仿真，得到的应变灵敏度为-0.8752，与试验测量值更加接近。

2016年，Yixiao hua团队又提出了利用被动无线倍频天线传感器进行应变和裂纹的检测方法，并针对应变和裂纹的检测设计了相应的实验，通过设置多不同等级的应变和不同长度的裂纹，提取传感器的谐振频率信息。结构表明，倍频天线传感器的谐振频率随着应变或者裂纹的变化而呈线性变化。西安交通大学Wen-Juan Wang等人设计了尺寸满足 的贴片天线传感器，其边缘效应可以忽略。理论上该传感器的应变和与相对谐振频率变化之间的线性系数为-1，作者用HFSS仿真得到的结果为-1.011，试验测量值为-0.994。得出当贴片天线传感器的边缘效应可忽略不计时，能获得很好的“应变-相对谐振频率变化”线性度。

1.3研究的目的与意义

鉴于传统的应变测试技术存在的诸多不足与目前国内外对于贴片天线应变测试的研究现状，进一步研究贴片天线在应变测量方面的基本原理以及实践应用方法意义重大，主要体现在以下两个方面：

（1）.从研究学习的角度看，贴片天线体积小、造价低、能实现无线无源测量且易与载体表面共形等诸多优点，与传统的应变测量传感器相比具有得天独厚的优势。然而，目前的研究实验还只停留在简单应变的测量上，证明了贴片天线用于应变测量的可行性，初步得出了应变量与天线频率移位量之间的线性关系，距离工程实际应用还有非常远的距离。对于实际工程中剪切应力、扭转应力等复杂应力作用下的应变测量仍有待研究，温度、湿度以及传感器周边环境对测量结果、测量精度的影响也有待解决，这些问题的存在正是继续研究该课题的意义所在。

（2）.从工程实际需要的角度看，结构健康监测工作对于及时发现结构存在的安全隐患、保证结构安全稳定运行意义重大，而目前工程中实际采用的传感器结构复杂、线缆庞杂，使用成本高昂，对于资金有限的企业或事业主题而言结构健康监测系统根本不切实际，只能采取简单的监测措施，甚至完全借助于技术人员的肉眼观察，很难发现隐秘处的问题，且根本无法实现及时监测。对于资金比较雄厚的企事业单位而言，布置一套监测系统的开支也不是一笔小的数目。价格低廉、布置方便的贴片天线传感器如果能成功普遍应用于实际工程领域，将推动结构健康监测的发展，使更多的工程能得到更加可靠的安全保障，意义重大。

无论是从研究学习的角度而言还是从工程实际需要而言，研究贴片天线在应变测量方面的应用都具有很高的价值，对本课题的研究目的就在于探究贴片天线更为详细、更为深层的的原理，使之应用于工程实际成为可能，在一定程度上推动其发展。

2. 研究的基本内容与方案

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

4.参考文献

[1] 周凯,刘志平,毛艳飞等.贴片天线传感器平面二维应变测量方法研究[j].仪器仪表学报,2018,39(01):136-143.

[2] 曲井致,徐人恒,李迪星等.超高频rfid微带天线设计与仿真[j].自动化与仪器仪表,2018(01):55-57.