基于人工局域表面等离激元的非金属复合材料缺陷检测

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　　摘 要 文章提出了一种基于人工局域表面等离激元的新型微波传感器，用于检测非金属复合材料中的缺陷。所提出的人工局域表面等离激元结构使该传感器的电场高度集中，大大提高了传感器的检测灵敏度。传感器的检测机理是基于缺陷对传感器近场的干扰，导致谐振频率的偏移。实验结果中可成功检测到距离被测物表面0.5mm，其半径为5mm，厚度为0.5mm的亚表面缺陷。仿真和实验结果具有较好的一致性，表明所提出的人工局域表面等离子体激元传感器对非金属复合材料的亚表面缺陷有较好的检测效果。
　　关键词 人工局域表面等离激元 非金属复合材料 微波无损检测 亚表面缺陷
　　中图分类号：TH742 文献标识码：A
　　非金属复合材料具有密度低、抗压强度高、刚度好等特点，广泛应用于石油天然气管道、航空航天及航海装备等结构材料。然而，非金属复合材料在制造或使用过程中会产生缺陷。其中空洞、分层、解体是最典型的缺陷类型。而这些无法直接观察到的缺陷会影响到材料的性能和强度，甚至会在之后使用中产生更严重的损伤。因此，有必要建立对非金属复合材料的无损检测方法。
　　微波可以穿透介质材料，可敏感地对材料内部的缺陷进行检测。近场谐振法以其灵敏度高、设计简单等优点，其研究得到了迅速发展，包括互补分裂环谐振器（CSRR），电小尺寸的谐振器已被广泛开发设计。然而，以往提出的CSRR传感器的工作大多针对非金属材料的表面缺陷。而实际中形成在亚表面或者内部材料的缺陷会更加影响材料的性能和强度，所以开展对非金属复合材料亚表面或内部缺陷的微波检测研究是非常有必要的。
　　近年来，微波频率下的超材料得到了广泛的研究。Shen等提出了一种具有局域表面等离激元性质的人工超薄超材料，并通过实验证明了可激发平面多极局域表面激元。Annamdas等将人工局域表面等离激元传感器用于结构健康监测。本文提出了一种检测非金属复合材料缺陷的新型传感器。在微波频率下，螺旋亚波长结构的金属圆盘可以激发LSP。相邻金属圆盘间的耦合使电场增强，梯度大，有利于提高检测灵敏度。实验结果表明，该传感器对非金属复合材料的亚表面缺陷有较好的检测效果。
　　1人工局域表面等离激元传感器设计
　　所设计的传感器介质基板选用相对介电常数（ r） 为2.65和厚度d = 1.2mm的F4b材料。为了提高检测的方便性和效率，采用了一种易于集成的方法来激发局域表面等离激元，如图1（a）所示。所设计的人工局域表面等离激元传感器由SMA接口通过过孔技术馈电。在厚度t=0.035mm，宽度ws=1.6mm的微带线末端，附加一个半径r1 = 1mm的圆形金属圆盘，增加电磁能量的耦合。每个螺旋结构由一个半径为r = 1mm的小圆盘组成，周围有六个半径为R = 11.25 mm的螺旋臂。螺旋结构臂宽0.5 mm，相邻臂间距a=1.5 mm。
　　在微波频段下，高阶的局域表面等离激元模式对周围材料折射率的频移较大。因此我们选择高阶模态谐振频率11.03GHz作为检测频率。实验结果表明，在没有被测材料的情况下，所设计传感器在谐振频率为11.03GHz的电场如图1（b）所示，可以看出，两个螺旋金属结构之间的相互耦合导致电场主要集中在相邻金属盘的间隙中，将有利于缺陷的检测。
　　当传感器放置在无缺陷的被测物表面时，与无被测物时的谐振频率相比，谐振频率发生向左移动。将放置无缺陷被测物时的传感器谐振频率作为参考谐振频率。当被测物内部存在缺陷时，会导致参考谐振频率向右偏移，如图2所示。
　　2仿真设计与分析
　　被测物用相对介电常数（ m） 4.3和厚度hMUT = 6mm的FR-4环氧玻璃板。考虑简单的情况，缺陷是一个圆柱形的空气空洞缺陷，其半径为Rd和厚度hd，并将缺陷表面与被测物表面的距离用zd表示，如图3所示。我们对不同缺陷的半径Rd、厚度hd和距离zd进行模拟仿真。结果如图4所示。
　　值得一提的是，在图4（a）中，被测物缺陷的厚度hd会对传感器的检测能力产生影响。可以直观地看出，当被测物缺陷厚度hd的增加，谐振频率的变化也随之增大。而当厚度hd超过2mm后，频移不再快速增加，而是趋于稳定。这是因为电场高度集中在相邻金属盘的间隙附近，当超过一定厚度时，被测物对传感器近场的干扰达到饱和，这也将限制了传感器的检测能力。同样地，在图4（b）中，当距离zd超过2mm时，尽管缺陷半径Rd不断增大，但传感器的谐振频率并没有发生太大变化。
　　3实验验证与分析
　　为了验证提出的传感器的有效性，我们搭建了由矢量网络分析仪（VNA）、人工局域表面等离激元传感器、带缺陷的被测物和移位装置组成的实验系统，如图5（a）所示。在没有被测物的情况下，实测和仿真的反射系数如图5（b）所示。从图中可以看出，仿真的谐振频率与实验的谐振频率较小偏差，这可能是传感器的加工、实验设备或实验操作所造成。
　　在实验中，将FR-4样品通过移动装置以1 mm/步的速度移动。传感器对被测物样品进行扫描，并用（下转第273頁）（上接第268页）VNA记录共振频率的变化。FR-4样品为6mm厚的玻璃板。柱状人工层缺陷与样品前表面分别有0.5mm、1mm、2mm、3mm四个不同距离。人工缺陷的半径有2.5mm、5mm、10mm、20mm其厚度在0.5mm至3mm之间。图6（a）为缺陷半径Rd为10mm， zd为0.5mm时，不同厚度hd下的谐振频率的变化。在图6（b）中，将仿真值与实测值进行比较。结果表明，实验扫描结果与仿真结果的最大相对误差小于5%，进一步证明了所设计的传感器的有效性。
　　图7（a）为传感器扫描FR-4样品表面时，缺陷厚度hd为1mm， zd为0.5mm时，不同半径处的谐振频率的变化。从扫描结果可以看出，当缺陷经过电场集中的区域时，频移会发生明显的变化。图7（b）为缺陷半径Rd为10mm，hd为1mm时，谐振频率在不同缺陷与被测物前表面距离zd的变化。当超过传感器的近场能力（检测深度为2mm）时，无论是增加厚度hd还是增加距离zd，频移发生的变化很小。 　　4结论
　　文章提出了一种基于人工局域表面等离激元的新型非金属复合材料亚表面缺陷检测的传感器。采用该传感器对不同亚表面缺陷的FR-4复合材料样品进行了实验检测验证。用VNA记录了谐振频率的变化，并与仿真结果进行了比较。仿真值与实验值吻合较好，验证了所设计传感器的有效性。表明所设计的微波传感器可成功对亚表面缺陷进行检测，可良好应用于实际检测中。
　　*通讯作者：杨晓庆
　　作者简介：雷静（1994-），女，四川省内江市人，在读硕士研究生，主要研究方向为微波无损检测;杨晓庆（1987-），男，四川省成都市人，博士，教授，主要研究方向为微波传感器设计;陈俊龙（1994-），男，四川省成都市人，在读硕士研究生，主要研究方向為人工表面等离激元;雷雪雪 （1995-），女，安徽省安庆市人，在读硕士研究生，主要研究方向为微波无损检测。
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