论文部分内容阅读
应变传感器可广泛应用于建筑、桥梁、车辆、航空航天等领域中的工程安全监管、损伤检测、损害预防。然而,对于一些高温高压、易燃易爆等恶劣环境和动力旋转部件,有线有源应变传感器的应用将受到极大的限制,有时甚至不可用,在这些特殊场合,只有应用无线无源应变传感器。因此开展无线无源应变传感器研究具有十分重要的意义。本文主要研究了一种平面螺旋电感和平面叉指电容串联结构的LC谐振回路无线无源应变传感器。首先对传感器的平面螺旋电感和平面叉指电容进行了理论分析与设计,得到了近似计算公式。其次,运用Matlab软件对传感器进行了多目标优化设计,设计出高Q值、高平面叉指电容电极几何尺寸比率η、Q值与η综合优化的三种不同传感器,三种传感器的Q值分别为21、20.7、15.4,η值分别为0.75、0.8、0.67,几何尺寸分别为30mm、30.2mm、21.6mm。最后,采用光刻、刻蚀工艺完成最小线宽为100μm的LC谐振应变传感器样品的制备,设计了应变测试悬臂梁系统,采用矢量网络分析仪对传感器样品的性能进行了测试。结果表明,所设计的不同LC谐振应变传感器的谐振频率随张应变增加而降低。沿叉指电容电极长度方向,三种传感器谐振频率对应变的响应灵敏度分别为0.641kHz/ppm、0.677kHz/ppm、0.596kHz/ppm,Q值分别为22.5、20.9、16.3。传感器的最远探测距离可以达到4.5cm。采用铁氧体磁性材料解决了基于LC谐振的无线无源应变传感器在金属表面无法使用的问题。铁氧体磁性材料削弱了检测线圈天线磁场在金属表面所产生的涡流损耗,使检测线圈天线磁力线更加集中,实验结果表明,当在金属表面和传感器之间所加铁氧体磁性材料厚度达到1.5mm时,LC谐振应变传感器可以很明显的被检测到。