[發(fā)明專利]一種無芯片RFID應變傳感標簽及其無損檢測方法

有效

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• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN113065627B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發(fā)明（設計）人: 于亞婷;程西蒙;王磊;王偉;王振偉;林長海
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學;電子科技大學廣東電子信息工程研究院
• 主分類號: G06K19/077
• 分類號: G06K19/077;H01Q1/22;H01Q1/38;G01B7/16
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

本發(fā)明公開一種無芯片RFID應變傳感標簽及其無損檢測方法，應用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和無損檢測領域，針對現(xiàn)有技術存在的僅能檢測單一應變方向且易受環(huán)境干擾的問題，本發(fā)明使用傳輸線轉(zhuǎn)發(fā)型天線與C型諧振器組成無芯片RFID應變傳感標簽，應變表征基于C型諧振器結(jié)構(gòu)變化導致諧振頻率變化；利用發(fā)射天線發(fā)射交叉極化的電磁波減少金屬與天線結(jié)構(gòu)的RCS對回波信號的干擾；本發(fā)明提出的這種結(jié)構(gòu)可以有效保障響應信號強度與工作穩(wěn)定性；與現(xiàn)有的散射型應變傳感標簽相比，本發(fā)明抗干擾能力更強，通信性能更好，對應變檢測的靈敏度更高，可以檢測應變的方向，可以減少環(huán)境噪聲的影響。

技術領域

本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和無損檢測領域，特別涉及一種無芯片RFID應變傳感檢測技術。

背景技術

金屬結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代工程中的使用量極為龐大。金屬結(jié)構(gòu)常年工作在惡劣的環(huán)境中，并長期承受重載及疲勞載荷，難以避免地會產(chǎn)生各種損傷和缺陷。當損傷和缺陷積累到一定程度時，會造成金屬結(jié)構(gòu)的承載能力和抗疲勞性能降低，釀成極其嚴重的后果。應變是表征工程結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的重要指標，通過對應力集中處的應變檢測可有效判斷結(jié)構(gòu)的安全狀況因此，采用可靠、實用的技術手段監(jiān)測金屬結(jié)構(gòu)表面的應變，進而采取相應的預防措施對減少或避免結(jié)構(gòu)性失效事故的發(fā)生具有重要意義。

傳統(tǒng)的應變檢測與健康監(jiān)測技術歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個較完善的理論體系，應變檢測方法有應變片電測法、光纖Bragg光柵測試法等。但是傳統(tǒng)無損檢測技術由于設備笨重、檢測速度慢、可檢測范圍小及自動化程度低，在檢測大規(guī)模設施中的潛在損傷，特別是在復雜環(huán)境下的損傷時，往往可行性差且花費巨大。針對大規(guī)模金屬設施的表面應力健康監(jiān)測的問題，無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)脫穎而出。WSN網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個自組織網(wǎng)絡。RFID 技術可以用于搭建無線傳感器網(wǎng)絡。RFID即射頻識別技術，指通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，從而達到識別目標和數(shù)據(jù)交換的目的。經(jīng)典的RFID系統(tǒng)由一個閱讀器和多個RFID標簽組成。RFID標簽因為其成本低廉，可以組成陣列，可以遠距離通信等優(yōu)點，開發(fā)傳感功能后可以作為無線傳感網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點。目前RFID無線傳感技術分為有源與無源兩種，有源需要電池對天線與傳感器提供能量，使用電池的RFID無線傳感技術因為其體型相對較大、昂貴的更換成本、傳感器壽命較低、電池對環(huán)境造成的污染等問題，并未成為無線檢測技術的主流技術方案。無源RFID應變傳感技術無需額外的集成電源，只需外部射頻信號供電即可工作，可植入設備內(nèi)部而無需更換部件，擁有更佳的魯棒性與穩(wěn)定性，可常年無人值守工作等優(yōu)點成為目前主流的技術方案。

RFID無源傳感技術又分為有芯片RFID應變傳感與無芯片RFID應變傳感技術兩種。有芯片RFID傳感技術基本工作過程為標簽天線接收閱讀器發(fā)送的連續(xù)電磁波，當天線發(fā)生應變時，因為本身結(jié)構(gòu)的變化，天線電磁場分布、天線輸入阻抗和增益等近遠場參量亦相應發(fā)生變化，這一變化通過反向散射通信被閱讀器以反向散射功率等模擬量接收，進而可以根據(jù)接收到的信號提取特征信息并反演所標識物體的應變。無芯片RFID傳感技術則不需要任何數(shù)字芯片，其工作原理是閱讀器發(fā)出一串寬頻帶的電磁波，當電磁波照射到無芯片RFID標簽后，因為標簽本身結(jié)構(gòu)的特性，對不同頻率信號有不同的反射能力，導致反射信號攜帶天線的結(jié)構(gòu)參量，當天線本身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，標簽天線的頻域特征隨之發(fā)生變化，通過提取回波信號的特征信息可以反演結(jié)構(gòu)的應變。

最接近的現(xiàn)有技術

(1)有芯片RFID應變傳感標簽

例如Sari Merilampi等在Embedded wireless strain sensors based onprinted RFID tag 中提出了一種基于印刷RFID標簽的嵌入式無線應變傳感標簽，該設計通過閱讀器喚醒 RFID標簽的閾值功率P_t來反演應變。

該方法存在以下缺點：

1.使用信號的幅值來建立閾值功率特征值與應變的關系，當受到外界環(huán)境電磁噪聲信號的干擾時，很難保證信號幅值的穩(wěn)定性，誤差很大。