[發明專利]一種基于微帶天線式RFID標簽的陣列應變傳感器

在審

• 申請號: 201711133072.3
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN107946759A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 宋國榮;文碩;呂炎;張斌鵬;竇致夏;何存富
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/48;H01Q1/22;G06K17/00;G01N27/26
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明屬于結構健康監測技術和天線技術領域，設計一種基于微帶天線式RFID標簽的陣列應變傳感器。

背景技術

風能是無污染的能源之一，也是可再生的能源類型。作為將風能轉化為電能的主要設備，風力發電機的平穩運行與生產安全息息相關。因此，對風機葉片的監測也至關重要。造成風電機組葉片失效的原因是風機在運行過程中會承受載荷，當載荷達到葉片結構所能承受的強度極限時，葉片會產生裂紋直至斷裂。目前現行的風機葉片表面缺陷檢測方法包括地面敲擊辨音、望遠鏡觀測，以及將其拆下進行離線檢測，耗時耗力，精度也無法保證。

為了克服傳統監測結構復雜的缺點，本文將無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術與傳感器技術相結合，提出一種基于微帶天線式RFID標簽的陣列應變傳感器，降低成本、提升檢測距離，對風機結構的健康監測具有重要意義。RFID系統主要由標簽和閱讀器兩個部分組成，其中標簽包括：天線和芯片。將標簽直接作為傳感器使用，利用超高頻RFID系統通過電磁波相互工作的原理，把標簽天線設計成微帶天線形式，接收RFID閱讀器傳來的能量，傳輸到標簽芯片將傳感器激活，芯片再通過信號調制技術，消除環境帶來的噪聲干擾，將標簽天線諧振頻率變化的信息返回給閱讀器，實現無源無線的應變檢測，由于每個標簽芯片上存儲著唯一的信息，利用閱讀器可以同時讀取多個標簽的功能，本發明將多個標簽傳感器埋置在風機葉片結構中，實現大面積應力監測。

發明內容

本發明采用的技術方案是設計一種基于微帶天線式RFID標簽的陣列應變傳感器，具有成本低和非接觸式實時監測等優點，完全可以滿足實驗分析的需要。傳感器的整體裝配圖如圖1所示，內部結構示意圖如圖2和3所示。

本發明采用的技術方案為一種基于微帶天線式RFID標簽的陣列應變傳感器，該傳感器由標簽天線和標簽芯片(4)組成。標簽天線包括金屬輻射面(1)、短路墻(2)、第一饋線(3)、第二饋線(5)、介質基層(6)、金屬接地板(7)和短路孔(8)；標簽天線用于接收閱讀器傳來的電磁波能量并傳輸到標簽芯片(4)，以激活傳感器；金屬輻射面(1)和介質基層(6)決定標簽天線的諧振頻率；標簽芯片(4)能與閱讀器進行數據通信，標簽芯片(4)位于第一饋線(3)和第二饋線(5)之間，第一饋線(3)嵌入到凹槽(9)中然后與金屬輻射面(1)連接，第二饋線(5)通過短路孔與金屬接地板(7)連接，短路墻(2)設置在金屬輻射面(1)的側部，金屬輻射面(1)通過短路墻(2)與金屬接地板(7)相連。

金屬輻射面(1)長度范圍為50mm～55mm，寬度范圍為50mm～55mm，厚度范圍為0.017mm。金屬輻射元(1)通過第一饋線(3)與芯片(4)正極相連，負極與第二饋線(5)相連，第一饋線(3)的長度范圍為5mm～10mm，寬度范圍為1mm～3mm；第二饋線(5)長度范圍為5mm～20mm，寬度為1mm～3mm。

標簽傳感器與被測結構相貼合，即標簽傳感器的金屬接地板(7)的下表面通過膠水粘合在被測結構的應變集中處，當被測結構受力形變時，被設計成微帶天線形式的標簽天線尺寸也會跟著改變，諧振頻率會發生偏移，標簽芯片再通過信號調制技術，消除環境帶來的噪聲干擾，將標簽天線諧振頻率的漂移信息通過傳感器傳遞給外部設備，實現應變量的非接觸式檢測。

對于標簽傳感器，將標簽芯片與標簽天線直接相連，當兩者阻抗共軛匹配時，滿足工作需求。金屬輻射面(1)末端設有凹槽(9)，第一饋線(3)嵌入到凹槽(9)中連接金屬輻射面，通過改變調第一饋線(3)的長和寬，調節標簽天線實部阻抗；金屬輻射面(1)，第一饋線(3)，第二饋線(5)下表面與介質基層(6)上表面貼合，介質基層(6)下表面與金屬接地板(7)的上表面貼合。第二饋線(5)通過短路孔(2)與金屬接地板(7)相連形成短路短截線，調節標簽天線虛部阻抗，金屬輻射面(1)通過短路墻(2)與金屬接地板(7)相連，形成λ/4矩形貼片天線，用于減小天線尺寸。

介質基層(9)是高頻板材材料，其長度取值在80mm～100mm，寬度取值在80mm～100mm，厚度d取值在0.254mm～0.787mm。介質基層(6)與金屬接地板(7)粘結，金屬接地板(7)的長寬尺寸與介質基層(6)的長寬尺寸相同。其中，金屬輻射面(1)，第一饋線(3)，第二饋線(5)，介質基層(6)，金屬接地板(7)的厚度與金屬輻射面(1)一致。

金屬輻射面(1)、第一饋線(3)、第二饋線(5)、金屬接地板(7)均為銅箔片。