在传感与通信领域,经常要使用传感器来检测在户外、高温等恶劣环境下工作的大型金属结构因外界作用而导致的裂纹。由于大型金属结构工作环境复杂,用于裂纹检测的传感器受到环境的挑战越来越大。与传统传感器相比,使用介质谐振器作为裂纹检测手段能满足低成本、高可操作性且灵活地在各种环境下使用的要求。本文基于介质谐振器传感机理,围绕裂纹检测这一问题展开研究与设计,主要工作如下:1、关于圆柱形介质谐振器传感机理的研究。基于介质谐振器的小型化、高灵敏度等特点,本文设计了一种圆柱形的介质谐振器,通过圆柱形介质谐振器的理论公式计算出了谐振器的结构参数并对其微扰理论进行了仿真和验证。文中首先对介质谐振器作为传感器检测裂纹的传感机理进行研究分析,仿真提取了裂纹扩张过程中裂纹和介质谐振器的电磁场能量变化数据,通过微扰理论公式可知,裂纹的扩张引起了介质谐振器的谐振频率偏移。其次通过仿真和实测该介质谐振器监测裂纹后得到的数据表明,谐振器在保持其灵敏度的同时,也有着良好的通信能力。最后通过模拟裂纹与谐振器中心的相对位置的不同情况,分析裂纹位置对谐振频率的干扰影响。该介质谐振器检测深度变化裂纹的仿真灵敏度为-33MHz/mm,最大极差为85 MHz,实测灵敏度为-37.2MHz/mm,最大极差为108 MHz。检测宽度变化裂纹的仿真灵敏度为-25 MHz/mm,最大极差为90 MHz,实测灵敏度为-21 MHz/mm,最大极差为89 MHz。2、关于介质谐振器组阵的研究,用以消除裂纹相对位置对谐振器灵敏度的影响。在复杂环境下,金属结构上的裂纹会出现在随机的位置,与传感器中心的相对位置也是随机的。介质谐振器的能量分布不均匀造成不同位置裂纹检测灵敏度不同,从而导致谐振器对裂纹位置敏感。为实现高灵敏度且对位置不敏感的裂纹检测,使用多个介质谐振器以交错方式排列成阵。通过调整谐振器阵列的间距,产生较为均匀的空间场分布,从而减小裂纹位置不确定对检测一致性的影响。提出的介质谐振器阵列检测裂纹深度变化的仿真灵敏度为-37 MHz/mm,最大极差为12 MHz,实测灵敏度为-73.8MHz/mm,最大极差为17 MHz。阵列检测裂纹宽度变化的仿真灵敏度为-30 MHz/mm,最大极差为10 MHz,实测灵敏度为-53.2 MHz/mm,最大极差为20 MHz。