Design and characterization of passive wireless strain sensor

Abstract

In order to predict and avoid disasters due to the structure failure, reliable strain information is necessary to be monitored in real time. Existing strain sensing technologies offer outstanding performance in terms of the resolution and time response. However, these technologies require either physical connection of signal communication, battery power supply or expensive equipment for acquiring strain information. These limitations make existing strain sensing technologies unsuitable for structures such as aircraft and vehicle. A novel passive wireless strain sensor has been developed in this research to overcome the limitations of existing strain sensing technologies. The sensor employs a planar inductor which is series connected to an interdigital capacitor to eliminate the wire connection for power supply and data transmission. The sensor is activated by electromagnetic wave and the resonant frequency of the sensor is interrogated remotely with a single loop antenna by monitoring the frequency response of the voltage across it. The sensor was modeled and the strain effect on resonant frequency of the sensor was investigated. The prototype sensor and the rudiment of a hand-held reader circuit were designed and fabricated. By carrying out an efficient and systematic multi-objective optimization method, the sensor geometric size can be minimized, and strain sensitivity, quality factor and reading distance can be maximized. Experiments for measuring the dielectric permittivity of piezoelectric polymer based on micro-strip transmission line theory were carried out in order to study its strain dependent dielectric permittivity and possibility of strain sensing enhancement. A very friendly graphic interface for real-time data display was programmed in MATLAB. The results of sensor calibration on a cantilever beam with III position-independent surface strain showed a great linearity and sensitivity. The innovative wireless strain sensing technology presented has demonstrated a great potential to extend its applications in structural health monitoring, damage detection, condition-based maintenance, failure prevention and non-destructive evaluation.

Para predecir y evitar desastres debido a fallos en estructuras, es necesario monitorear en un tiempo real recursos de información confiables sobre la deformación. Tecnologías ya existentes sobre la detección de la tensión, ofrecen un desempeño sobresaliente en términos de resolución y tiempo de respuesta se refiere. Aun así, estas tecnologías requieren ya sea de una conexión física, comunicación por señales, ser abastecidas por el poder de alguna batería o de equipo costoso para poder obtener información sobre la deformación. Estas limitaciones hacen que las tecnologías ya existentes para obtener información sobre la tensión no sean aptas para estructuras como aereonaves o vehículos. En este proyecto se desarrolló una nueva tecnología para la detección de la tensión y así superar las limitaciones que encontramos en los detectores de tensión, ya existentes. Este proyecto se desarrolló luego de haberse llevado a cabo una vasta y amplia revisión literaria. El detector emplea un inductor planar, el cual está conectado en serie a un capacitor interdigital para así eliminar la conexión de cables al suplidor de poder y transmisor de la data. El sensor es activado por ondas electromagnéticas y la frecuencia resonante del sensor es controlada remotamente con una antena de una curva, mediante el monitoreo de la respuesta de frecuencia del voltímetro a través de ella. El sensor fue modelado y se investigó el efecto de la tensión en la resonancia de frecuencia del sensor fue investigada. El sensor prototipo y el rudimento del lector de circuito de mano fueron diseñados y fabricados. Llevando a cabo un método de optimización eficiente y a su vez sistemático y con múltiples objetivos, el tamaño geométrico del sensor se puede minimizar y a su vez se puede maximizar la sensitividad de la tensión, así como el factor de calidad y la distancia de la V lectura. Se estudió la permitividad dieléctrica de la dependencia de deformación en el polímero piezoelectric (PVDF). Se llevaron a cabo experimentos para medir la permitividad dieléctrica basados en la teoría de líneas de transmisión de micro strips. Se creó una interfaz amiga para comunicarse con el circuito y para que los datos fueran interpretados en tiempo real por medio de MATLAB. Los resultados de la calibración en una viga voladiza con la tensión superficial de posición-independiente demostraron grandes linealidades y sensibilidad. La innovadora tecnología inalámbrica en censores de tensión descrita ha demostrado un gran potencial al extender sus aplicaciones al monitoreo de la condición estructural, detección de daños, mantenimiento de acuerdo a las condiciones, prevención de fallas y evaluaciones no destructivas.