阅读说明：本技术 一种结构形变检测传感器及检测系统与检测方法 (Structural deformation detection sensor, detection system and detection method ) 是由 胡明哲 李立 霍玲玲 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种结构形变检测传感器及检测系统与检测方法,属于结构形变检测领域。本结构形变检测传感器,包括：第一固定座,所述第一固定座上设有第一介质基板,所述第一介质基板的一端设有第一微带电路；第二固定座,所述第二固定座与所述第一固定座平行设置,所述第二固定座上设有第二介质基板,所述第二介质基板的一端设有第二微带电路,所述第二微带电路朝向所述第一微带电路,所述第一微带电路与所述第二微带电路之间留有互感耦合缝隙。本结构形变检测传感器的效果是能够简单方便快速的检测结构微小形变,检测准确度高,检测成本低,消耗的能源低,同时利于进行检测操作。(The invention relates to a structural deformation detection sensor, a detection system and a detection method, and belongs to the field of structural deformation detection. This structural deformation detection sensor includes: the first fixing seat is provided with a first dielectric substrate, and one end of the first dielectric substrate is provided with a first microstrip circuit; the second fixing seat is arranged in parallel with the first fixing seat, a second medium substrate is arranged on the second fixing seat, a second micro-strip circuit is arranged at one end of the second medium substrate, the second micro-strip circuit faces the first micro-strip circuit, and a mutual inductance coupling gap is reserved between the first micro-strip circuit and the second micro-strip circuit. The effect of this structural deformation detection sensor is that can be simple and convenient quick the small deformation of detection structure, and detection accuracy is high, detects with low costs, and the energy of consumption is low, does benefit to simultaneously and carries out the detection operation.)

一种结构形变检测传感器及检测系统与检测方法

技术领域

本发明属于结构形变检测领域，具体涉及一种结构形变检测传感器及检测系统与检测方法。

背景技术

结构形变是指结构变形或结构松动后，结构内部造成相对位移。一般而言，随着相对位移的发生，结构内部会不断积累应力造成最终受损。因此及时监控结构的形变信息对预防结构失效至关重要，对于确保其结构的可靠性和安全性至关重要。

目前国内已经报道了用激光位移传感器等技术来监测结构的微小位移。但这种监测方法线路复杂、成本较高。与此同时，建筑等的发展引申出的各种结构变化丰富，给结构形变监测提出了高难度复杂的要求。因此迫切需要一种简单、低成本、高准确度的传感器对结构形变进行检测。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种结构形变检测传感器及检测系统与检测方法，能够简单方便快速的检测结构微小形变，检测准确度高，检测成本低，消耗的能源低，同时利于进行检测操作。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种结构形变检测传感器，包括：第一固定座，所述第一固定座上设有第一介质基板，所述第一介质基板的一端设有第一微带电路；第二固定座，所述第二固定座与所述第一固定座平行设置，所述第二固定座上设有第二介质基板，所述第二介质基板的一端设有第二微带电路，所述第二微带电路朝向所述第一微带电路，所述第一微带电路与所述第二微带电路之间留有互感耦合缝隙。

本结构形变检测传感器的有益效果是：通过将第一固定座和第二固定座分别安装在易形变位置和不易形变位置，使得第一微带电路和第二微带电路之间留有互感耦合缝隙，当发生结构形变时，第一固定座或第二固定座跟随移动，从而互感耦合缝隙产生变化，从而通过检测互感耦合缝隙的变化来检测出结构形变，通过此检测传感器进行检测，检测精确度高，不易受到其他检测干扰，同时检测成本低，本检测传感器结构简单，易于制造，制造的成本同样低，能够提高对结构形变检测的效率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述第一固定座内设有第一内腔，所述第一固定座的一侧边设有第一开口，所述第一开口与所述第一内腔连通，所述第一介质基板设在所述第一内腔中，所述第一介质基板设有所述第一微带电路的一端从所述第一开口伸出所述第一固定座。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过第一固定座能够对第一介质基板形成保护，使得检测传感器使用寿命更长。

进一步，所述第二固定座内设有第二内腔，所述第二固定座的一侧边设有第二开口，所述第二开口与所述第二内腔连通，所述第二介质基板设在所述第二内腔中，所述第二介质基板设有所述第二微带电路的一端从所述第二开口伸出所述第二固定座。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过第二固定座能够对第二介质基板形成保护，检测传感器的使用寿命更长。

进一步，所述第一微带电路包括多个第一矩形凹槽，多个所述第一矩形凹槽成阵列排布，每个所述第一矩形凹槽中均设有相对设置的两个第一金属条，两个所述第一金属条弯折设在对应所述第一矩形凹槽内，两个所述第一金属条与对应所述第一矩形凹槽的内壁固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过第一金属条弯折形成人工等离激元结构，能够集中形成电场，检测精度更高。

进一步，所述第二微带电路包括多个第二矩形凹槽，多个所述第二矩形凹槽成阵列排布，每个所述第二矩形凹槽中均设有相对设置的两个第二金属条，两个所述第二金属条弯折设在对应所述第二矩形凹槽内，两个所述第二金属条与对应所述第二矩形凹槽的内壁固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过第二金属条弯折形成人工等离激元结构，能够集中形成电场，检测精度更高。

进一步，所述互感耦合缝隙的取值为0-10mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：提高检测精度。

本发明还提供了一种结构形变检测系统，包括上述的结构形变检测传感器、微波收发天线和载具，所述微波收发天线连接在所述载具上，所述微波收发天线的发射端朝向所述第一微带电路与所述第二微带电路之间的互感耦合缝隙处。

本结构形变检测系统的有益效果是：通过微波收发天线发射微波和接收反射波，从而能够检测出互感耦合缝隙是否发生变化，能够准确检测出结构形变，同时通过载具带动微波收发天线进行移动，能够提高对结构形变检测的检测效率，相对现有的检测系统来说，本检测系统检测方便，检测精度高，检测效率高，同时检测成本低，利于进行推广使用。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述微波收发天线包括微波基片、金属贴片和天线馈线，所述金属贴片的一侧面贴合在所述微波基片的一侧面上，所述天线馈线固定连接在所述微波基片上，所述金属贴片上设有发射凹槽，所述发射凹槽为长条状，所述发射凹槽正对朝向所述第一微带电路与所述第二微带电路之间的互感耦合缝隙处。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于微波收发天线发射的微波集中到达互感耦合缝隙处，提高了检测精度。

进一步，所述载具为遥控汽车或无人机。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过遥控汽车或无人机携带微波收发天线进行移动，能够对狭小地方或者房屋外墙面等人工无法方便到达的地方进行检测，使得对结构形变的检测范围更广，更利于推广运用。

本发明还提供了一种采用上述结构形变检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1、将所述第一安装座和所述第二安装座分别安装在检测位置的两侧，将所述第一微带电路和所述第二微带电路相对设置，所述第一微带电路与所述第二微带电路之间留设有互感耦合缝隙；

S2、通过所述载具带动所述微波收发天线移动到所述互感耦合缝隙的正前方，启动微波收发天线发射微波，所述互感耦合缝隙接收微波后产生反射波；

S3、对步骤S2中的反射波检测，绘制出反射曲线得到谐振频点，当出现谐振频点发生漂移时，说明产生结构形变。

本检测方法的有益效果是：通过本检测方法提高了检测精度，降低了检测成本，通过微波收发天线发射微波与检测传感器相配合，当出现结构形变时，能够及时检测出来，检测效率更高，不再需要激光检测方法的过多条件，检测更方便。

附图说明

图1为本发明结构形变检测传感器立体结构示意图；

图2为本发明结构形变检测传感器正面剖视图；

图3为本发明第一微带电路局部结构示意图；

图4为本发明结构形变检测系统立体结构示意图；

图5为本发明互感耦合缝隙大小与微波收发天线之间关系示意图；

图6为本发明谐振频点与互感耦合缝隙大小的线性关系示意图；

图7为本发明互感耦合缝隙为0mm时电场分布示意图；

图8为本发明互感耦合缝隙为3mm时电场分布示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、第一固定座，2、第一开口，3、第一介质基板，4、第一微带电路，5、第二固定座，6、第二介质基板，7、第二微带电路，8、第一内腔，9、第二内腔，10、第二开口，11、第一矩形凹槽，12、第一金属条，13、微波基片，14、金属贴片，15、发射凹槽，16、天线馈线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

如图1-图3所示，本实施例提供一种结构形变检测传感器，包括：第一固定座1和第二固定座5。

第一固定座1为长方形，第一固定座1上设有第一介质基板3，第一介质基板3的一端设有第一微带电路4。第二固定座5同样为长方形，第一固定座1和第二固定座5尺寸相同，第一固定座1和第二固定座5为塑料材质制成，第二固定座5与第一固定座1平行设置，第二固定座5上设有第二介质基板6，第二介质基板6的一端设有第二微带电路7，第二微带电路7朝向第一微带电路4，其中第一介质基板3和第二介质基板6相对平行设置，第一微带电路4与第二微带电路7之间留有互感耦合缝隙。使得第一微带电路4和第二微带电路7之间形成互感电场。当结构未产生形变时，第一微带电路4和第二微带电路7完全相对设置，当结构产生形变时，第一微带电路4和第二微带电路7之间会出现交错。产生电场会出现波动。其中第一介质基板3和第二介质基板6的介电常数为3-5。

具体地，本实施例中第一固定座1内设有第一内腔8，第一固定座1的一侧边设有第一开口2，第一开口2与第一内腔8连通，第一介质基板3设在第一内腔8中，第一介质基板3设有第一微带电路4的一端从第一开口2伸出第一固定座1，通过第一固定座1能够对第一介质基板3进行保护，能够避免第一介质基板3损坏。当使用时，直接将第一固定座1通过粘胶粘设在对应位置。

具体地，本实施例中第二固定座5内设有第二内腔9，第二固定座5的一侧边设有第二开口10，第二开口10与第二内腔9连通，第二介质基板6设在第二内腔9中，第二介质基板6设有第二微带电路7的一端从第二开口10伸出第二固定座5。通过第二固定座5能够对第二介质基板6进行保护，能够避免第二介质基板6损坏。当使用时，直接将第二固定座5通过粘胶粘设在对应位置。

具体地，本实施例中第一微带电路4包括多个第一矩形凹槽11，多个第一矩形凹槽11成阵列排布，其中第一矩形凹槽11为长条形，其中第一矩形凹槽11的深度为10-25mm，多个第一矩形凹槽11呈周期性排布，其中每个第一矩形凹槽11之间的间距为0.5-3.5mm，第一矩形凹槽11的槽口宽度为0.5-3mm。每个第一矩形凹槽11中均设有相对设置的两个第一金属条12，两个第一金属条12弯折设在对应第一矩形凹槽11内，其中两个第一金属条12弯折成矩形，形成人工等离激元结构，两个第一金属条12与对应第一矩形凹槽11的内壁固定连接。其中第一金属条12的厚度为0.1-0.25mm，长度为1-20mm。

具体地，本实施例中第二微带电路7包括多个第二矩形凹槽，多个第二矩形凹槽成阵列排布，其中第二矩形凹槽为长条形，其中第二矩形凹槽的深度为10-25mm，多个第二矩形凹槽呈周期性排布，其中每个第二矩形凹槽之间的间距为0.5-3.5mm，第二矩形凹槽的槽口宽度为0.5-3mm。每个第二矩形凹槽中均设有相对设置的两个第二金属条，两个第二金属条弯折设在对应第二矩形凹槽内，两个第二金属条与对应第二矩形凹槽的内壁固定连接。其中两个第二金属条弯折成矩形。其中第二金属条的厚度为0.1-0.25mm，长度为1-20mm。

具体地，本实施例中互感耦合缝隙的取值为0-10mm。可以根据需要检测的结构的大小进行调整，以便能够准确检测出微小形变。

如图4所示，另外本实施例还提供一种结构形变检测系统，包括上述的结构形变检测传感器、微波收发天线和载具，微波收发天线连接在载具上，微波收发天线的发射端朝向第一微带电路4与第二微带电路7之间的互感耦合缝隙处。通过微波收发天线发射微波，由于微波收发天线的发射端正对互感耦合缝隙处，使得第一微带电路4和第二微带电路7之间形成电场完全接收到微波收发天线发射的微波，并全部进行反射，形成反射波，通过微波收发天线对反射波进行检测接收以便得出是否有发生结构形变。在实际检测中，通过载具带动微波收发天线朝向互感耦合缝隙移动，使得微波收发天线发射的微波更稳定，从而能够提高检测的稳定性和准确性。当然微波收发天线也可以通过人工手持靠近互感耦合缝隙。

具体地，本实施例中微波收发天线包括微波基片13、金属贴片14和天线馈线16，金属贴片14的一侧面贴合在微波基片13的一侧面上，天线馈线16固定连接在微波基片13上，通过天线馈线16发送激励信号，金属贴片14上设有发射凹槽，发射凹槽15为长条状，发射凹槽15正对朝向第一微带电路4与第二微带电路7之间的互感耦合缝隙处。其中天线馈线16与发射凹槽15成交错设置。其中微波基片13的长度为10-30mm，宽度为10-25mm，厚度为0.05-1mm。金属贴片14的长宽与微波基片13的取值相同，厚度为0.018mm。其中发射凹槽15的宽度为0.25-3mm，长度为5-25mm，深度为0.008mm。其中天线馈线16的长度为6-8mm，宽度为1.3mm，从而能够保证微波收发天线的输入阻抗为50欧姆。

具体地，本实施例中载具为遥控汽车或无人机。通过无人机携带微波收发天线时能够对高空墙面或窗的微型结构形变进行检测，通过无人机带动微波收发天线飞向检测传感器，无人机带动微波收发天线飞行扫过墙面或者窗口时，能够快速检测到其位置是否有发生微型结构形变。

另外本实施例还提供一种采用上述结构形变检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1、将第一安装座和第二安装座分别安装在检测位置的两侧，其中第一安装座可安装在形变部位，第二安装座可安装在非形变部位，当然第一安装座和第二安装座也可调换位置，将第一微带电路4和第二微带电路7相对设置，第一微带电路4与第二微带电路7之间留设有互感耦合缝隙。从而第一微带电路4和第二微带电路7之间形成互感电场。若发生形变时，第一安装座的位置会出现移动，使得第一微带电路4和第二微带电路7之间的缝隙发生变化，从而互感电场发生变化。

S2、通过载具带动微波收发天线移动到互感耦合缝隙的正前方，启动微波收发天线发射微波，其中微波收发天线的发射端正对互感耦合缝隙，使得互感耦合缝隙之间的电场接收到最强的微波，互感耦合缝隙接收微波后产生反射波，由于微波收发天线发射的微波是处于恒定状态，而互感耦合缝隙之间的电场在不出现变化的情况下也处于稳定状态，当互感耦合缝隙发生变化时，带动电场发生变化，从而电场反射出的反射波同样会出现变化。

S3、对步骤S2中的反射波检测，绘制出反射曲线得到谐振频点，通过计算机绘制反射波曲线，能够明显直观的看到反射波处于稳定时的情况，从而能够得到反射波谐振的频点，当发射波出现变化时，反射波曲线同时出现变化，因此反射波谐振的频点出现变化，当出现谐振频点发生漂移时，说明产生结构形变，反之则未发生结构形变。

以下为采用上述实施例进行具体测量的情况。

根据上述实施例制备一个具有互感耦合缝隙的传感器样品和微波收发天线样品S₁₁，共同构成了检测系统，它各部分几何参数如表1所示。

表1检测系统各部分参数

其中第一介质基板3、第二介质基板6和微波基片13的介电常数均为2.65。

通过将运行本检测系统，调整互感耦合缝隙的宽度，对微波收发天线的接收的反射波绘制曲线图，得到微波收发天线样品的谐振频点，具体如图5所示，图中曲线为该检测系统中微波收发天线样品S₁₁的参数曲线，其中图5中g表示互感耦合缝隙的大小，可以看到微波收发天线样品S₁₁具有很好的谐振频点随互感耦合缝隙变化量发生漂移的特性，且其随互感耦合缝隙变化量发生连续平移。将图5中谐振频点跟随互感耦合缝隙变化绘制成图6，具体如图6所示，从图6中能够直观看出谐振频点跟随互感耦合缝隙变化正线性关系。从图6能够看出在3mm的形变程度内，谐振频点随耦合缝隙的变化呈现非常好的线性特性，线性度经过拟合大于99％，因此由此可以计算出，此时传感器产生1mm的结构形变量时，谐振频点漂移量为88.3MHz，具有非常好的探测灵敏度。另外通过线性的关系可以由其频点漂移量精确地反推出结构形变或松动的具体程度。

通过对制备的传感器样品的电场进行检测，得出传感器样品的互感耦合缝隙为0mm和3mm时附近的电场分布情况，具体如图7-图8。图7表示，当互感耦合缝隙为0mm，并工作于7.5GHz时的表面电流场分布。图8表示，当互感耦合缝隙为3mm，并工作于7.5GHz时的表面电流场分布。从图7和图8可以明显看出，传感器在工作频点附近时，电流能量主要集中在第一金属条12和第二金属条构成的人工等离激元结构周围，因此在此处具有最大的探测灵敏度，而且，这也可使得传感器抗外界电磁干扰的能力大大加强。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。