一种幕墙松动监测传感器、监测系统及监测方法与流程

本发明涉及建筑监测领域，特别是一种幕墙松动监测传感器、监测系统及监测方法。

背景技术：

随着当今建筑业迅猛发展，对各类美观的幕墙玻璃结构需求量迅猛增长。但由此带来幕墙玻璃硅酮胶老化或外力作用后幕墙玻璃松动、脱落造成重大安全事故的概率不断增大，幕墙玻璃成为悬挂于城市上空的达摩克里斯剑，给人民群众的生命财务安全带来巨大隐患。而且，目前市面上尚没有一种有效可靠实时监测幕墙玻璃松动失效的有效办法。

与此同时，幕墙玻璃的发展及引申出的各种结构多种多样，变化丰富，给幕墙玻璃的松动监测提出了高难度复杂的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种幕墙松动监测传感器、监测系统及监测方法。本发明能够实时监测幕墙玻璃的松动情况，能实现无损监测，能将松动情况量化，监测精确度、灵敏性高，监测简单方便。

本发明的技术方案。一种幕墙松动监测传感器，包括可拉伸的介质板、介质板的正、背面上分别分布有磁谐振结构和电谐振结构；所述的磁谐振结构和电谐振结构均能沿介质板的拉伸方向拉伸变形；所述的磁谐振结构与设置于介质板背面的电谐振结构一一对应。

前述的幕墙松动监测传感器中，所述磁谐振结构和电谐振结构为多个且呈矩阵式排列。

前述的幕墙松动监测传感器中，所述的磁谐振结构为向内嵌套的两个分形结构；所述的分形结构包括矩形金属贴片，矩形金属贴片内部设有镂空的菱形凹孔；所述的向内嵌套为，菱形凹孔内嵌套有下一分形结构。

前述的幕墙松动监测传感器中，所述的菱形凹孔的顶点位于矩形金属贴片的边长的中点。

前述的幕墙松动监测传感器中，所述的磁谐振结构还可为内部镂空的矩形金属环。

前述的幕墙松动监测传感器中，所述的电谐振结构为两条正交的金属微带。

前述的幕墙松动监测传感器中，其中一条所述的金属微带与水平方向夹角为45°。

前述的幕墙松动监测传感器中，其中一条所述的金属微带水平设置。

由前述的幕墙松动监测传感器构成的监测系统，还包括用于发射监测无线信号和接收来自监测传感器的无线反馈信号的微波天线。

前述的监测系统用的监测方法，按下述步骤进行：

a.测绘出所述监测传感器的谐振频点随该监测传感器拉伸变化量发生漂移的特性曲线；

b.将监测传感器一端固设于幕墙玻璃上，另一端固设于安装幕墙玻璃的幕墙框架上；

c.使用微波天线向步骤b的监测传感器发射无线监测信号，并接收来自该监测传感器的无线反馈信号，依据该无线反馈信号得到对应的谐振频点，将该谐振频点对照步骤a的特性曲线，即知晓监测传感器拉伸变形变化量，进而知晓幕墙玻璃松动情况。

有益效果

与现有技术相比，本发明在可拉伸的介质板的正、背表面上分别分布有能沿该介质板的拉伸方向拉伸变形的磁谐振结构和电谐振结构，磁谐振结构与设置于介质板背面的电谐振结构一一对应；将该结构的监测传感器固设于幕墙玻璃和幕墙框架间，进而能够根据电/磁谐振结构随介质板的拉伸量与监测传感器反射参数的谐振频点的漂移量间的特性曲线确定幕墙玻璃的松动情况；通过该结构，不仅能够实现幕墙玻璃松动情况的无损监测，而且更够根据监测传感器的特性曲线对松动情况进行量化，有效提高了监测精度。除此外，本发明的监测系统能够通过微波天线实时地发射无线监测信号并接收来自于监测传感器的无线反馈信号，通过反馈信号得到对应的谐振频点，进而得知松动情况，该系统有效实现了幕墙玻璃松动情况的实时监测，且监测方法简单方便。本发明的监测传感器的平面化电路结构还能实现与其他微波电路的集成，以实现监测传感器的小型化，具有体积小、功耗低、检测灵敏度高、抗外界干扰能力强、易于高度集成等优势，因而能更好地适应当今物联网技术的发展。

本发明的电谐振结构、磁谐振结构产生的高度局域化的电磁场能有效避免外界电磁场对监测传感器探测精度、探测灵敏度和线性度的干扰，从而实现实时、高效、低成本的探测。

为了证明本发明的有益效果，申请人进行了如下实验：

实验例1。

1.1实验器材

监测传感器样品a，无人飞行器，微波天线；

本实验例的监测传感器样品a的结构如下(参见图1-图4)：

可拉伸的介质板为pet柔性介质板，其介电常数为3.00；磁谐振结构和电谐振结构在介质板的两面呈8行11列矩阵式排列。电谐振结构为两条正交的等长等宽的金属微带，其中一条金属微带与水平方向夹角为45°。磁谐振结构为向内嵌套的两个分形结构。分形结构包括矩形金属贴片，矩形金属贴片内部设有镂空的菱形凹孔；向内嵌套的结构具体为，菱形凹孔内嵌套有下一分形结构。菱形凹孔的顶点位于矩形金属贴片的边长的中点；所述的电谐振结构与设置于介质板另一面的磁谐振结构一一对应。

本实验例的监测传感器样品a的尺寸如表1。

表1

1.2实验方法

将监测传感器样品a的两端(如图1的a、b两端)分别固设于幕墙玻璃和安装幕墙玻璃的幕墙框架上；沿监测传感器样品a的拉伸方向同时拉幕墙玻璃和幕墙框架，使监测传感器样品a拉伸变形；此时，使用微波天线向监测传感器发射无线监测信号，并接收来自该监测传感器的无线反馈信号，依据该无线反馈信号得到对应的谐振频点；此时，测绘出监测传感器样品a拉伸变形量与对应的谐振频点间的特性曲线。

1.3结果分析

拉伸过程中，监测传感器样品a的工作曲线随拉伸变形量变化的曲线如图5所示：图5中，横轴为谐振频率，纵轴为监测传感器样品a参数，箭头方向为拉伸量增加对应的工作曲线移动方向。

拉伸过程中，监测传感器样品a的拉伸变形量与对应的谐振频点间的特性曲线如图6所示：图6中，横轴为拉伸量百分比，纵轴为谐振频率。

由图5可知，监测传感器样品a的谐振频点随拉伸变形变化量发生漂移的特性良好，且其随拉伸变形变化量发生连续平移。由图6可知，在20％的形变程度内，谐振频点随拉伸变形量的变化呈现非常好的线性特性，且可以计算出，此时传感器随1％拉伸形变，谐振频点漂移量为83.2mhz，具有非常好的探测灵敏度。线性的关系则表明可以由其频点漂移量精确地反推出幕墙玻璃的松动程度。

图7示意了监测传感器样品a工作在无拉伸7.723ghz时的正面垂直表面电场分布。图8示意了监测传感器样品a工作在无拉伸7.723ghz时的背面垂直表面电场分布。图9为监测传感器样品a工作在无拉伸7.723ghz时的正面垂直表面磁场分布示意图。图10为监测传感器样品a工作在无拉伸7.723ghz时的背面垂直表面磁场分布示意图。

对监测传感器样品a，当无拉伸量，并工作于7.722ghz时的表面电场分布做计算，结果如图7和图8所示。对监测传感器样品a工作于7.722ghz时的表面磁场分布做计算，结果如图9和图10所示。由图7-图10得知，该监测传感器样品a在谐振频点工作时，电场能量、磁场能量主要集中电、磁谐振结构附近，谐振频点处具有最大的探测灵敏度，而且，高度局域化的电磁场也可使得监测传感器抗电磁干扰的能力大大加强。

此外，发明人在进行大量试验后发现，当该磁谐振结构为两级分形结构，电谐振结构为相互正交的金属微带时监测传感器具有很好的灵敏度。

实验例2

2.1实验器材

监测传感器样品a’，无人飞行器，微波天线；

本实验例的监测传感器样品a’的结构如下(参见图11-图14)：

可拉伸的介质板为pet柔性介质板，其介电常数为3.00；磁谐振结构和电谐振结构在介质板的两面呈8行11列矩阵式排列。磁谐振结构为内部镂空的矩形金属环，电谐振结构为两条正交的等长等宽的金属微带，其中一条金属微带水平设置。所述的电谐振结构与设置于介质板另一面的磁谐振结构一一对应。

本实验例的监测传感器样品a’的尺寸如表2。

表2

2.2实验方法

将监测传感器样品a’的两端分别固设于幕墙玻璃和安装幕墙玻璃的幕墙框架上；沿监测传感器样品a’的拉伸方向同时拉幕墙玻璃和幕墙框架，使监测传感器样品a’拉伸变形；此时，使用微波天线向监测传感器发射无线监测信号，并接收来自该监测传感器的无线反馈信号，依据该无线反馈信号得到对应的谐振频点；此时，测绘出监测传感器样品a’拉伸变形量与对应的谐振频点间的特性曲线。

2.3结果分析

拉伸过程中，监测传感器样品a’的工作曲线随拉伸变形量变化的曲线如图15所示：图15中，横轴为谐振频率，纵轴为监测传感器样品a’参数，箭头方向为拉伸量增加对应的工作曲线移动方向。

拉伸过程中，监测传感器样品a’的拉伸变形量与对应的谐振频点间的特性曲线如图16所示：图16中，横轴为拉伸量百分比，纵轴为谐振频率。

由图15可知，监测传感器样品a’的谐振频点随拉伸变形变化量发生漂移的特性良好，且其随拉伸变形变化量发生连续平移。由图16可知，在20％的形变程度内，谐振频点随拉伸变形量的变化呈现非常好的线性特性，其线性度r²>0.99，且可以计算出，此时传感器随1％拉伸形变，谐振频点漂移量为79.6mhz，具有非常好的探测灵敏度。线性的关系则表明可以由其频点漂移量精确地反推出幕墙玻璃的松动程度。

附图说明

图1为实验例1的监测传感器样品a的正面结构示意图；

图2为实验例1的监测传感器样品a的背面结构示意图；

图3为实验例1的磁谐振结构示意图；

图4为实验例1的电谐振结构示意图。

图5为实验例1中监测传感器样品a的s11工作曲线随拉伸量变化的关系；

图6为实验例1中监测传感器样品a的谐振频点与拉伸量的关系曲线示意图；

图7为实验例1中监测传感器样品a工作在无拉伸7.723ghz时的正面垂直表面电场分布示意图；

图8为实验例1中监测传感器样品a工作在无拉伸7.723ghz时的背面垂直表面电场分布示意图；

图9为实验例1中监测传感器样品a工作在无拉伸7.723ghz时的正面垂直表面磁场分布示意图；

图10为实验例1中监测传感器样品a工作在无拉伸7.723ghz时的背面垂直表面磁场分布示意图。

图11为实验例2的监测传感器样品a’的正面结构示意图；

图12为实验例2的监测传感器样品a’的背面结构示意图；

图13为实验例2的磁谐振结构示意图；

图14为实验例2的电谐振结构示意图；

图15为实验例2中监测传感器样品a’的s11反射曲线随拉伸量变化的关系；

图16为实验例2中监测传感器样品a’的谐振频点与拉伸量的关系曲线示意图。

附图标记：1-介质板,2-磁谐振结构,21-矩形金属贴片,21’-矩形金属环,22-菱形凹孔,3-电谐振结构,31-金属微带。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。一种幕墙松动监测传感器，构成如图1-4所示，包括可拉伸的介质板1、介质板1的正、背面上分别分布有磁谐振结构2和电谐振结构3；所述的磁谐振结构2和电谐振结构3均能沿介质板1的拉伸方向拉伸变形；所述的磁谐振结构2与设置于介质板1背面的电谐振结构3一一对应。

前述的磁谐振结构2和电谐振结构3为多个且呈矩阵式排列。如图1和2所示，本实施例中为8行11列呈矩阵式排列。

前述的磁谐振结构2为向内嵌套的两个分形结构；所述的分形结构(参见图3)包括矩形金属贴片21，矩形金属贴片21内部设有镂空的菱形凹孔22；所述的向内嵌套为，菱形凹孔22内嵌套有下一分形结构。

前述的菱形凹孔22的顶点位于矩形金属贴片21的边长的中点。

前述的电谐振结构3为两条正交的金属微带31。

其中一条所述的金属微带31与水平方向夹角为45°。

前述的介质板1的介电常数为3～5；如可使用介电常数为3～5的柔性可拉伸pet材料作为介质板1。

具体地，前述的矩阵式排列的行和/或列方向上的间隔周期p为0.5mm～5mm(最优为4mm)；磁谐振结构2为向内嵌套的两个分形结构；处于最外的分形结构的矩形金属贴片21的长和/或宽(即a和/或b)为0.05mm～3mm(最优为2mm)；电谐振结构3的两条正交的金属微带31长度相等，金属微带31的长b1为0.05mm～4mm(最优为2mm)，宽b2为0.05mm～3mm(最优为0.4mm)；矩阵式排列中的相邻的电谐振结构3和/或磁谐振结构2间保持有间隙。

一种由前述的幕墙松动监测传感器构成的监测系统，还包括用于发射监测无线信号和接收来自监测传感器的无线反馈信号的微波天线。具体地地，可将微波天线装载于无人飞行器上；此时，即可通过无人飞行器将微波天线运送至各幕墙玻璃以监测其松动情况，使用更加简单，方便，灵活，且能够实现大面积的监测。

前述的监测系统用的监测方法，按下述步骤进行：

a.测绘出所述监测传感器的谐振频点随该监测传感器拉伸变化量发生漂移的特性曲线；

b.将监测传感器一端固设于幕墙玻璃上，另一端固设于安装幕墙玻璃的幕墙框架上；

c.使用微波天线向步骤b的监测传感器发射无线监测信号，并接收来自该监测传感器的无线反馈信号，依据该无线反馈信号得到对应的谐振频点，将该谐振频点对照步骤a的特性曲线，即知晓监测传感器拉伸变形变化量，进而知晓幕墙玻璃松动情况。还能将微波天线装载于无人飞行器上，以方便监测大范围幕墙玻璃的松动情况。

实施例2。一种幕墙松动监测传感器，构成如图11-14所示，包括可拉伸的介质板1、介质板1的正、背面上分别分布有磁谐振结构2和电谐振结构3；所述的磁谐振结构2和电谐振结构3均能沿介质板1的拉伸方向拉伸变形；所述的磁谐振结构2与设置于介质板1背面的电谐振结构3一一对应。

前述的磁谐振结构2和电谐振结构3为多个且呈矩阵式排列。

前述的磁谐振结构2为内部镂空的矩形金属环21’。

前述的电谐振结构3为两条正交的金属微带31。

其中一条所述的金属微带31水平设置。

前述的介质板1的介电常数为3～5；如可使用介电常数为3～5的柔性可拉伸pet材料作为介质板1。

具体地，前述的矩阵式排列的行和/或列方向上的间隔周期p’为0.5mm～5mm(最优为4mm)；磁谐振结构2的矩形金属环21’的边长a’为0.05mm～3mm(最优为2mm)，矩形金属环21’的环宽b’为0.05mm～3mm(最优为0.4mm)；电谐振结构3的两条正交的金属微带31长度b1’相等，金属微带31的长b1’为0.05mm～4mm(最优为2mm)，宽b2’为0.05mm～3mm(最优为0.4mm)；矩阵式排列中的相邻的电谐振结构3和/或磁谐振结构2间保持有间隙。

一种由前述的幕墙松动监测传感器构成的监测系统，还包括用于发射监测无线信号和接收来自监测传感器的无线反馈信号的微波天线。具体地地，可将微波天线装载于无人飞行器上；此时，即可通过无人飞行器将微波天线运送至各幕墙玻璃以监测其松动情况，使用更加简单，方便，灵活，且能够实现大面积的监测。

前述的监测系统用的监测方法，按下述步骤进行：

a.测绘出所述监测传感器的谐振频点随该监测传感器拉伸变化量发生漂移的特性曲线；

b.将监测传感器一端固设于幕墙玻璃上，另一端固设于安装幕墙玻璃的幕墙框架上；

c.使用微波天线向步骤b的监测传感器发射无线监测信号，并接收来自该监测传感器的无线反馈信号，依据该无线反馈信号得到对应的谐振频点，将该谐振频点对照步骤a的特性曲线，即知晓监测传感器拉伸变形变化量，进而知晓幕墙玻璃松动情况。还能将微波天线装载于无人飞行器上，以方便监测大范围幕墙玻璃的松动情况。