柔性无线无源谐振环传感器用于金属结构裂纹无损监测

《Micromachines》：Flexible Wireless Passive Resonance Ring Sensor for Nondestructive Crack Monitoring of Metal Structures

　　

尽管基础设施、轨道交通、航空航天等领域对结构裂纹长期在线监测存在需求，传统检测方法无法实现无源无线、柔性共形及非接触测量。研究人员提出一种基于谐振环的柔性无线无源裂纹传感器。该传感器以聚酰亚胺（PI）为基底，集成敏感叉指谐振环结构。裂纹宽度变化扰动电磁场，进而导致谐振频率偏移，从而实现裂纹宽度检测。传感机制基于微波谐振与等效电路理论阐释。通过电磁仿真开展结构优化与裂纹宽度灵敏度分析。采用柔性印刷技术制备样品并建立测试平台。实验表明，该传感器在0~2.5 mm裂纹宽度范围内具有优良线性度，谐振频率随裂纹宽度增加单调下降，灵敏度为67.02 MHz/mm。其在不同距离、安装角度及弯曲条件下均可稳定工作，展现出优异柔性共形性。该传感器无需供电、无芯片设计、结构简单且抗干扰能力强，适用于金属结构长期裂纹监测。相较已有研究，所提传感器在柔性适应性、无线无源性能及工程实用性方面优势突出，可为结构健康监测提供新型无线无源解决方案。

研究背景方面，结构健康监测是保障现代工程装备安全运行、延长寿命及降低运维风险的关键技术，其中裂纹监测最为核心。桥梁、隧道、高层建筑及飞机、高铁、风电叶片、高压管道等在长期循环载荷、冲击振动、温度波动与腐蚀环境下易萌生微裂纹并持续扩展，最终引发断裂灾难。传统方法如目视检查、超声检测、涡流检测、X射线、压电与应变片测量虽适用部分场景，但普遍存在需接触扫描、有线供能、布线易老化、难以大规模无人值守部署、刚体体积大成本高、曲面与旋转密封高温高压工况共形困难等问题。无线无源传感器因免电池、无布线、寿命长、易部署成为热点，微波谐振传感器以谐振环、开口环谐振器（SRR）、互补开口环谐振器（CSRR）为敏感单元，借裂纹引起的谐振频率偏移定量检测，精度高响应快抗干扰强；然而现有研究多刚基适应性差、读距短、环境敏感、线性范围窄。为此，研究人员在《Micromachines》发表研究，构建谐振环与波导天线集成的柔性结构，系统建立原理—等效电路—仿真—制备—测试体系，旨在实现金属表面裂纹的高线性无线无源柔性监测。

主要关键技术方法上，研究人员采用Ansys HFSS建立三维柔性无线无源裂纹传感器模型，以PI为柔性基底集成叉指谐振环与两侧波导天线（WR-340），通过参数扫描优化环边长a=15 mm、线宽b=1 mm、开口g=1 mm及天线间距h=15 mm，并以Q因子最大为目标；借S11回损曲线提取0~2.5 mm裂纹宽度下的谐振频率偏移与电场分布；制备上采用等离子活化结合高精度丝印或磁控溅射沉积金属电路再激光蚀刻修正，搭配矢量网络分析仪（VNA，Keysight N5061B）与线圈耦合天线对铝板预制裂纹开展静态标定、距离/角度/弯曲环境实验及五次重复测量。

研究结果部分，“无线无源裂纹传感器工作原理”小节指出，传感器由柔性基底、谐振环敏感结构、波导天线组成；外部VNA经波导辐射微波，频率匹配谐振环固有频时环内强电磁谐振并于S11曲线形成陷波，裂纹破坏金属完美电导体（PEC）边界使等效电感L_S与电容C_S变化，谐振频率f=(2π√L_SC_S)^-1偏移，借电磁场扰动公式Δf/f_r∝∫(ΔεE₀E₁+ΔμH₀H₁)dV/∫(ε₀E₀²+μ₀H₀²)dV定量反演宽度。“无线无源裂纹传感器仿真”小节通过HFSS参数化扫描发现谐振频率随环边长与线宽增大而降、随开口gap增大而升、天线距h=20 mm时回损达-38 dB最优；裂纹宽度0~2.5 mm仿真显示频率线性下降且峰值无畸变；电场云图表明能量集中于环隙，裂纹位于最强场区S1时拟合y=2.181-0.062x灵敏度最高，偏离至S2、S3斜率递减证实场位敏感。“无线无源裂纹传感器加工与测试”小节中，样品经印刷蚀刻封装后贴附铝板，VNA扫频得S11谷值即谐振点；静态标定五点宽0.5~2.5 mm五次重复平均拟合y=2.139-0.06702x、R²=0.99，实测灵敏度67.02 MHz/mm；环境实验显示距离拟合f=2.11-0.00177h（R²=0.88）、倾角f=2.087-0.000368β（R²=0.89）、弯曲f=2.007-0.00043θ（R²=0.895），距离影响最大倾角最小，证明非接触读距容忍、安角宽容、弯曲共形稳定；对比表指出该柔性无源方案在六指标上优于刚基同类。

讨论与结论翻译部分，研究人员成功研制基于谐振环的柔性无线无源裂纹传感器，完成机理—设计—仿真—制备—测试全链条，以PI为基集成谐振环与波导天线，借微波回波非接触读out裂纹宽；仿真与实验证得0~2.5 mm内频率单调降、线性优、灵敏度高、重复性好，变距变角弯曲下输出稳，柔性共形与环境适应性强的结论。该传感器可广布桥梁隧道轨交航天风电管阀新能源等长周期在线监测，支撑早识裂纹与趋势预测。未来可探微型化、阵列组网、扩距读码与智能解调，推柔性无线无源裂纹传感向分布智能网联发展，为重大工程结构健康监测提供可靠低成本创新支撑。