用于金属表面裂纹检测的新型高灵敏度传感器设计

钢桥、油罐、电厂设备以及飞机机身等金属结构的老化和过载，尤其是在极端环境下，可能会导致疲劳或失效，最终造成灾难性事故。这些问题通常始于金属结构表面的细微裂纹。因此，定期监测金属结构的表面微小裂纹至关重要。

为此，业界已经提出了基于声学、超声波以及涡流原理的各种无损检测技术。尽管这些方法具有简单、低成本以及在理想条件下有效等优点，但面对亚毫米级裂纹被污垢、灰尘掩盖或被电介质涂层或油漆覆盖的实际情况下，这些方法可能无法奏效。

为了解决上述问题，微波技术在金属裂纹检测中的应用得到了深入探索。在各种微波传感方法中，基于微波谐振器的传感技术应用最为广泛，它具有高灵敏度、应用相对简单以及电磁频谱可扩展等优势。

据麦姆斯咨询报道，伊朗技术和职业大学（Technical and Vocational University）和波兰格但斯克工业大学（Gdansk University of Technology）的研究人员对基于平面微波谐振器的裂纹传感原理和理论基础进行了详尽研究，特别是包括互补开环谐振器（CSRR）的缺陷地面结构（DGS）。研究人员从等效电路模型和电磁场角度进行了分析，并制定了高灵敏度裂纹传感器的设计指南。

（a）已有文献基于双环CSRR提出的裂纹传感器，（b）根据已有文献方法改进的双环CSRR裂纹传感器和（c）基于单环CSRR的高灵敏度裂纹传感器的俯视图和侧视图。

另外，研究人员对所提出的理论分析进行了数值和实验验证。并利用所制定的指南设计了基于单环CSRR的裂纹传感器。实验结果表明，所提出的传感器的灵敏度几乎达到传统双环CSRR传感器灵敏度的三倍。此外，还证明了折叠哑铃形DGS谐振器可用于实现更高的灵敏度。

研究人员提出的基于折叠哑铃形DGS传感器的俯视图和侧视图，能够感测任意方向的裂纹。

不仅如此，对于其他研究中提出的CSRR裂纹传感器仅对特定方向的裂纹敏感，研究人员提出了一种DGS改进版本，以略低的灵敏度为代价，实现检测任意方向的裂纹，并通过电磁仿真、等效电路模型提取和制造原型的测量，验证了所提出传感器的性能。

审核编辑：刘清