徐達志，王勝密，胡明哲

（1.火箭軍指揮學院勤務保障系，武漢430000；2.深圳騰基建設科技有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

玻璃幕墻快速實時監(jiān)測對于確保其結構的可靠性和城市人民生命財產安全至關重要。玻璃幕墻結構監(jiān)測最重要的損傷指標之一是玻璃幕墻由于結構松動后造成較大的相對位移。這一位移是玻璃結構膠隨著時間的推移而緩慢老化所造成的。這種有相對位移變化的振動與玻璃幕墻多個物理參數密切相關，可以說是其固有的頻率振動特性。因此，可以通過對玻璃幕墻結構振動頻率的測量來間接判斷玻璃幕墻結構受損等關鍵信息，可用于監(jiān)控玻璃幕墻結構膠的老化問題。

2 玻璃幕墻的無線監(jiān)測

目前，國內已有用激光位移傳感器等技術來監(jiān)測玻璃幕墻的位移和振動頻率變化的研究[1，2]。但本文提出的通過無線監(jiān)測實時測試幕墻結構松動的傳感器具有更好的工程應用價值，因為它能夠以完全無損且快速的方式來表征玻璃幕墻結構的相關信息。

近年來，國內外對超材料的研究日益深入。與傳統傳感器結構相比，超材料傳感器可以提供更高的靈敏度和分辨率[3]。而本文則創(chuàng)新性地提出將超材料傳感器用到玻璃幕墻結構上作無線位移傳感器，來監(jiān)測其結構是否松動與失效。本文設計的傳感探頭由周期性排列的可拉伸的諧振電路組成，這些部件之間有電氣連接，組成一個超材料諧振器，用于無線監(jiān)測與傳感。傳感器部件通過邊連接件分別固定在幕墻玻璃的玻璃支撐基體結構和玻璃本身上，他們之間由于結構膠失效后會產生相互位移運動。如果知道這兩者之間的位移距離產生的振動頻率就可根據諧振點的位移信息計算玻璃的松動程度。

3 傳感器的結構設計

傳感探頭的超材料結構由一系列周期性排列的電諧振單元和磁諧振單元組成。傳感器探頭安裝在要測量位移的結構上，另一端安裝在固定的鋁型材框架上。傳感器探頭位移傳感的激勵是采用一個位于受測結構近場外部的天線，用于向傳感器探頭發(fā)送信號和接收來自該探頭的信息，如圖1 所示。傳感器探頭在其近場內與天線耦合，并在耦合響應上可直接觀察到傳感器諧振頻率的位移。

圖1 傳感器電路結構和周期性排列的諧振單元

無線傳感器包括柔性介質基板，其正面設有周期排列的矩形分形結構諧振單元，包括二級分形的矩形金屬和菱形空槽。介質板的背面設有金屬電諧振結構，它由相交90°的2 條金屬微帶構成。整個二維結構由柔性的PET 介質支撐，PET 兩邊鋪設在玻璃幕墻的玻璃體和其框架上。當玻璃發(fā)生松動時，通過玻璃與窗框間的間距變化，從而帶動PET 介質發(fā)生拉伸，帶動其上的金屬層發(fā)生相應的拉伸，改變金屬貼片的幾何尺寸，其X軸發(fā)生伸長，Y軸發(fā)生收縮，這轉化為傳感器中諧振單元的等效電容、等效電感變化，進而改變耦合系統響應的諧振頻率，實現對玻璃幕墻松動的實時無損探測。

所使用的天線是一種設計成單槽的微帶天線，工作頻率與傳感器諧振單元頻率一致，天線S11＜-10dB 帶寬約為10%。插槽天線通過沿基板背面X方向的微帶線激勵，從而使X極化E 場從基板另一側引入的插槽傳輸，該天線插槽在實際工程測試中保持與傳感器正面電路平行，并激勵傳感器的諧振。天線和傳感器之間形成強耦合，整體傳感器尺寸較小，可以用于更小和更薄的結構部件的探測。為了預測這種傳感器的探測特性，從而更好地研究其探測靈敏度，使用時域有限積分電磁方法對本傳感器進行了系統的數值仿真研究。

如圖2 所示為該樣品的S11參數曲線，可以看到樣品具有諧振頻點隨拉伸變化量發(fā)生漂移的特性，且其隨拉伸變化量發(fā)生連續(xù)平移。而且，隨著拉伸位移量的增大，電路諧振頻率連續(xù)減小。定義傳感器靈敏度為圖2 中諧振頻率與拉伸位移曲線的比值（單位為MHz/mm）。由此可以做出諧振頻點隨拉伸量的具體變化關系圖（見圖3），由圖3 可知，在20%的形變程度內，諧振頻點隨拉伸量的變化呈現非常好的線性特性，且可以計算出，此時傳感器隨1%拉伸形變，諧振頻點漂移量為83.2MHz，具有非常好的探測靈敏度。線性的關系則表明可以由其頻點漂移量精確的反推出玻璃幕墻的松動程度。

由圖3 可知，雖然線性隨著拉伸位移范圍的增加而降低，但在25%以下的范圍內，線性度均高于0.98。在超過25%高位移形變下諧振頻率才漸趨飽和，這也意味著諧振頻率隨位移形變量的變化率降低，從而導致較低的靈敏度。因此，可根據玻璃幕墻的結構幾何形狀和傳感器所需工作頻率的限制來選擇最佳工作范圍。

圖2 傳感S11 工作曲線隨拉伸量的變化圖（S11 參數）

圖3 諧振頻點與PET變形拉伸的關系曲線

圖4 是傳感器樣品工作于7.723GHz 時的垂直表面磁場分布圖。由圖4 可以看出，對于這種共振情況，在傳感器金屬貼片上實現了高度的電磁場局部化，創(chuàng)建了一個局部特征場，它反射回我們耦合系統響應的天線。該傳感器呈奇模諧振狀態(tài)，在諧振頻點工作時，電磁場能量主要集中于金屬單元處，諧振頻點處具有最大的探測靈敏度。圖4 中所示電場的大小無關緊要，無論位移水平如何，都能獲得很高的定位。場的高局部化意味著更高的靈敏度，并且由于近場耦合系統中存儲能量的增加，共振變得更深。而且，這也可使得傳感器在實際工程測試中，能在應用中提高對灰塵、水蒸氣等電磁介質的抗干擾能力。

圖4 傳感器樣品工作于7.723GHz 時的垂直表面磁場分布圖

4 結論與展望

綜上所述，本文提出并論證了一種無線傳感器，可用于檢測結構中所經歷的微米尺度到毫米尺度的位移。該傳感器主要用于探測玻璃結構松動失效及其損傷評估。傳感器具有高線性和高分辨率（監(jiān)測位移變化小于1μm）。傳感器也顯示出其在工作頻率范圍內的線性工作特點。該傳感器的一個主要優(yōu)點是，它在25%形變范圍內均是線性工作區(qū)間，其線性擬合度大于98%，所以可以根據其頻率漂移精確地計算出玻璃幕墻的形變程度。而且由于周期性諧振電路是被動的，傳感器可以遠程探測位移形變，因此，設計免除了破壞性測試和更換電源帶來的復雜性。未來在實際工程的應用中，將進一步研究周圍介質對傳感器性能的影響，以測試真實工程場景下傳感器的性能。但作為概念驗證，本文提出的無線傳感器，還是得到了仿真數值模擬實驗結果的支持，表明這種超材料傳感器所支持的位移形變探測在遠程玻璃幕墻結構監(jiān)測和診斷中具有重大的工程應用前景。