Миниатюрный беспроводной пассивный антеннный сенсор с меандрической структурой для интегрированного многоплоскостного измерения деформации и температуры

Наблюдение за машинами без проводов

От ветряных турбин и промышленных роботов до аккумуляторов электромобилей — многие критически важные устройства работают при высоких температурах и механических нагрузках. Точное знание того, насколько они изгибаются и насколько горячие, необходимо, чтобы предотвращать отказы и пожары — но установка громоздких проводных датчиков в тесные, горячие или вращающиеся узлы крайне затруднена. В этой статье представлен крошечный беспроводной сенсор, который может одновременно «слушать» деформацию и температуру в нескольких направлениях, даже в экстремальной жаре, предлагая новый способ сделать современную инфраструктуру безопаснее и долговечнее.

Миниатюрное радио, которое ощущает нагрузку

В основе работы — особый вид плоской радиантенны, называемой микрополосковой пластиной (microstrip patch). Вместо батарей или кабелей сенсор пассивен: внешняя антенна посылает микроволновый сигнал, сенсор откликается резонансом на определённых частотах, а внешняя антенна «слышит» эти эхо. При растяжении, сжатии или нагреве резонансные частоты сдвигаются предсказуемым образом. По измерениям этих сдвигов инженеры могут судить о величине деформации и температуры конструкции, не касаясь её проводами.

Уменьшение размера сенсора без потери характеристик

Обычные антенные сенсоры часто слишком велики для тесных мест и обычно работают только в одном направлении или при умеренных температурах. Авторы решают эту проблему путём продуманного изменения геометрии антенны. Они используют субстрат из корунда с высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет создавать меньшие антенны при той же рабочей частоте. Кроме того, в металлических пластинах проделаны Т-образные меандрические вырезы. Эти щели заставляют электрические токи идти более длинным, извилистым путём, что понижает резонансную частоту и позволяет уменьшить физические размеры пластины. По сравнению с традиционными конструкциями на тех же частотах, три пластины в новом сенсоре сокращают площадь излучения примерно на одну треть — одну вторую, приводя к общему уменьшению размера почти на 60 процентов.

Измерение деформации в нескольких направлениях и температуры одновременно

Сенсор интегрирует три миниатюрные пластины в ступенчатую трёхмерную компоновку на одном керамическом чипе. Одна пластина настроена на измерение деформации вдоль основного направления (0 градусов), вторая — на деформацию вдоль двух диагональных направлений (45 и 135 градусов), а третья посвящена измерению температуры. Каждая имеет собственную резонансную частоту в диапазоне примерно 2–3,5 гигагерца, с дистанцировкой не менее 0,3 гигагерца, чтобы их можно было считывать независимо. Когда конструкция изгибается в определённом направлении, смещается лишь соответствующий резонансный пик, в то время как остальные в основном меняют амплитуду, но не позицию. При повышении температуры диэлектрическая проницаемость керамики увеличивается, и резонансная частота температурной пластины устойчиво смещается вниз. Таким образом, чип одновременно даёт многоплоскостную картину механического напряжения и отслеживает, насколько нагрета среда.

Разработан для высоких температур, дистанции и реальных помех

Чтобы система работала в суровых, горячих зонах, где обычные металлические рупорные антенны могут не выдержать, команда также разработала отдельную антенну опроса на основе ко-планарной волновой дорожки. Эта комплектующая антенна, выполненная из тех же материалов — корунд и платина, выдерживает температуры до 800 °C и обеспечивает широкую полосу пропускания, покрывающую все резонансные пики сенсора. Испытания показали, что беспроводная связь оптимальна при расстоянии между сенсором и антенной 4–5 сантиметров, где наблюдаются четыре чётких резонанса с высокими добротностями. Исследователи собрали три экспериментальные установки: стенд для деформации при комнатной температуре, печную систему для чистых температурных измерений и систему для деформации с переменной температурой, способную создавать контролируемые деформации до 500 микрострейна при подъёме температуры от 15 до 800 °C.

Преобразование смещающихся пиков в надёжные численные значения

Тщательные эксперименты подтверждают, что резонансные частоты воспроизводимо отслеживают и деформацию, и температуру. При комнатной температуре каждое направление деформации показывает заметный нисходящий сдвиг частоты с увеличением деформации, с чувствительностями порядка десятков килогерц на микрострейн и погрешностями аппроксимации ниже 0,1 процента. Температурная пластина демонстрирует чёткое падение частоты при нагреве в печи, с максимальной чувствительностью выше 300 килогерц на градус Цельсия и стабильным поведением в трёх циклах нагрев‑охлаждение. Поскольку температура также влияет на пластины, чувствительные к деформации, авторы разработали математическую коррекцию: двумерную полиномиальную модель, которая использует как измеренную температуру, так и наблюдаемую резонансную частоту для определения «истинной» деформации. По всем направлениям, деформациям и температурам итоговые ошибки деформации остаются примерно в пределах 5 процентов, а ошибки повторяемости в частоте значительно ниже мегагерца.

Почему это важно для более безопасных технологий

Проще говоря, работа демонстрирует, что почтовая марка размером кусок инженерной керамики и металла может служить беспроводным «нервным окончанием» для крупных машин, измеряя, насколько сильно они растягиваются в нескольких направлениях и насколько нагреваются, — всё через короткую беспроводную связь и без батареи. Комбинируя приёмы миниатюризации, жаропрочные материалы и интеллектуальную обработку данных, устройство преодолевает давние ограничения по размеру, проводке и температуре. При установке на лопасти турбин, манипуляторы роботов или аккумуляторы электромобилей такие сенсоры могли бы предупреждать о усталостных повреждениях и перегреве задолго до отказа, обеспечивая более надёжные, эффективные и безопасные промышленные системы.

Цитирование: Guo, L., Dong, H., Liang, S. et al. A miniaturized wireless and passive antenna sensor with meandering structure for integrated multi-directional strain and temperature sensing. Microsyst Nanoeng 12, 165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01271-8

Ключевые слова: беспроводное измерение деформации, датчики для высоких температур, микрополосковая пластинчатая антенна, мониторинг состояния конструкций, многоплоскостные напряжения