玻璃幕墻結(jié)構(gòu)松動(dòng)的高精度無(wú)線監(jiān)測(cè)研究

徐達(dá)志，王勝密，胡明哲

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

1 引言

玻璃幕墻快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于確保其結(jié)構(gòu)的可靠性和城市人民生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。玻璃幕墻結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)最重要的損傷指標(biāo)之一是玻璃幕墻由于結(jié)構(gòu)松動(dòng)后造成較大的相對(duì)位移。這一位移是玻璃結(jié)構(gòu)膠隨著時(shí)間的推移而緩慢老化所造成的。這種有相對(duì)位移變化的振動(dòng)與玻璃幕墻多個(gè)物理參數(shù)密切相關(guān)，可以說(shuō)是其固有的頻率振動(dòng)特性。因此，可以通過(guò)對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的測(cè)量來(lái)間接判斷玻璃幕墻結(jié)構(gòu)受損等關(guān)鍵信息，可用于監(jiān)控玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的老化問(wèn)題。

2 玻璃幕墻的無(wú)線監(jiān)測(cè)

目前，國(guó)內(nèi)已有用激光位移傳感器等技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)玻璃幕墻的位移和振動(dòng)頻率變化的研究[1，2]。但本文提出的通過(guò)無(wú)線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)測(cè)試幕墻結(jié)構(gòu)松動(dòng)的傳感器具有更好的工程應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)樗軌蛞酝耆珶o(wú)損且快速的方式來(lái)表征玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)超材料的研究日益深入。與傳統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上作無(wú)線位移傳感器，來(lái)監(jiān)測(cè)其結(jié)構(gòu)是否松動(dòng)與失效。本文設(shè)計(jì)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(gè)超材料諧振器，用于無(wú)線監(jiān)測(cè)與傳感。傳感器部件通過(guò)邊連接件分別固定在幕墻玻璃的玻璃支撐基體結(jié)構(gòu)和玻璃本身上，他們之間由于結(jié)構(gòu)膠失效后會(huì)產(chǎn)生相互位移運(yùn)動(dòng)。如果知道這兩者之間的位移距離產(chǎn)生的振動(dòng)頻率就可根據(jù)諧振點(diǎn)的位移信息計(jì)算玻璃的松動(dòng)程度。

3 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感探頭的超材料結(jié)構(gòu)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(cè)量位移的結(jié)構(gòu)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(lì)是采用一個(gè)位于受測(cè)結(jié)構(gòu)近場(chǎng)外部的天線，用于向傳感器探頭發(fā)送信號(hào)和接收來(lái)自該探頭的信息，如圖1 所示。傳感器探頭在其近場(chǎng)內(nèi)與天線耦合，并在耦合響應(yīng)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(jié)構(gòu)和周期性排列的諧振單元

無(wú)線傳感器包括柔性介質(zhì)基板，其正面設(shè)有周期排列的矩形分形結(jié)構(gòu)諧振單元，包括二級(jí)分形的矩形金屬和菱形空槽。介質(zhì)板的背面設(shè)有金屬電諧振結(jié)構(gòu)，它由相交90°的2 條金屬微帶構(gòu)成。整個(gè)二維結(jié)構(gòu)由柔性的PET 介質(zhì)支撐，PET 兩邊鋪設(shè)在玻璃幕墻的玻璃體和其框架上。當(dāng)玻璃發(fā)生松動(dòng)時(shí)，通過(guò)玻璃與窗框間的間距變化，從而帶動(dòng)PET 介質(zhì)發(fā)生拉伸，帶動(dòng)其上的金屬層發(fā)生相應(yīng)的拉伸，改變金屬貼片的幾何尺寸，其X軸發(fā)生伸長(zhǎng)，Y軸發(fā)生收縮，這轉(zhuǎn)化為傳感器中諧振單元的等效電容、等效電感變化，進(jìn)而改變耦合系統(tǒng)響應(yīng)的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃幕墻松動(dòng)的實(shí)時(shí)無(wú)損探測(cè)。

所使用的天線是一種設(shè)計(jì)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(guò)沿基板背面X方向的微帶線激勵(lì)，從而使X極化E 場(chǎng)從基板另一側(cè)引入的插槽傳輸，該天線插槽在實(shí)際工程測(cè)試中保持與傳感器正面電路平行，并激勵(lì)傳感器的諧振。天線和傳感器之間形成強(qiáng)耦合，整體傳感器尺寸較小，可以用于更小和更薄的結(jié)構(gòu)部件的探測(cè)。為了預(yù)測(cè)這種傳感器的探測(cè)特性，從而更好地研究其探測(cè)靈敏度，使用時(shí)域有限積分電磁方法對(duì)本傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究。

如圖2 所示為該樣品的S11參數(shù)曲線，可以看到樣品具有諧振頻點(diǎn)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(diǎn)隨拉伸量的具體變化關(guān)系圖（見(jiàn)圖3），由圖3 可知，在20%的形變程度內(nèi)，諧振頻點(diǎn)隨拉伸量的變化呈現(xiàn)非常好的線性特性，且可以計(jì)算出，此時(shí)傳感器隨1%拉伸形變，諧振頻點(diǎn)漂移量為83.2MHz，具有非常好的探測(cè)靈敏度。線性的關(guān)系則表明可以由其頻點(diǎn)漂移量精確的反推出玻璃幕墻的松動(dòng)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(nèi)，線性度均高于0.98。在超過(guò)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(dǎo)致較低的靈敏度。因此，可根據(jù)玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)幾何形狀和傳感器所需工作頻率的限制來(lái)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(shù)）

圖3 諧振頻點(diǎn)與PET變形拉伸的關(guān)系曲線

圖4 是傳感器樣品工作于7.723GHz 時(shí)的垂直表面磁場(chǎng)分布圖。由圖4 可以看出，對(duì)于這種共振情況，在傳感器金屬貼片上實(shí)現(xiàn)了高度的電磁場(chǎng)局部化，創(chuàng)建了一個(gè)局部特征場(chǎng)，它反射回我們耦合系統(tǒng)響應(yīng)的天線。該傳感器呈奇模諧振狀態(tài)，在諧振頻點(diǎn)工作時(shí)，電磁場(chǎng)能量主要集中于金屬單元處，諧振頻點(diǎn)處具有最大的探測(cè)靈敏度。圖4 中所示電場(chǎng)的大小無(wú)關(guān)緊要，無(wú)論位移水平如何，都能獲得很高的定位。場(chǎng)的高局部化意味著更高的靈敏度，并且由于近場(chǎng)耦合系統(tǒng)中存儲(chǔ)能量的增加，共振變得更深。而且，這也可使得傳感器在實(shí)際工程測(cè)試中，能在應(yīng)用中提高對(duì)灰塵、水蒸氣等電磁介質(zhì)的抗干擾能力。

圖4 傳感器樣品工作于7.723GHz 時(shí)的垂直表面磁場(chǎng)分布圖

4 結(jié)論與展望

綜上所述，本文提出并論證了一種無(wú)線傳感器，可用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)中所經(jīng)歷的微米尺度到毫米尺度的位移。該傳感器主要用于探測(cè)玻璃結(jié)構(gòu)松動(dòng)失效及其損傷評(píng)估。傳感器具有高線性和高分辨率（監(jiān)測(cè)位移變化小于1μm）。傳感器也顯示出其在工作頻率范圍內(nèi)的線性工作特點(diǎn)。該傳感器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它在25%形變范圍內(nèi)均是線性工作區(qū)間，其線性擬合度大于98%，所以可以根據(jù)其頻率漂移精確地計(jì)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(dòng)的，傳感器可以遠(yuǎn)程探測(cè)位移形變，因此，設(shè)計(jì)免除了破壞性測(cè)試和更換電源帶來(lái)的復(fù)雜性。未來(lái)在實(shí)際工程的應(yīng)用中，將進(jìn)一步研究周圍介質(zhì)對(duì)傳感器性能的影響，以測(cè)試真實(shí)工程場(chǎng)景下傳感器的性能。但作為概念驗(yàn)證，本文提出的無(wú)線傳感器，還是得到了仿真數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，表明這種超材料傳感器所支持的位移形變探測(cè)在遠(yuǎn)程玻璃幕墻結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和診斷中具有重大的工程應(yīng)用前景。