采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器及位移传感系统技术方案

本发明专利技术属于建筑结构监测技术领域，具体涉及一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器及位移传感系统。所述位移传感器包括RFID芯片、上辐射贴片、圆形的基板和开设有变深度斜槽的铝板；上辐射贴片为基板上表面的镀铜层，上辐射贴片上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间部分为馈线，RFID芯片粘贴在馈线的表面上，基板与铝板紧密接触之后组成圆形贴片天线，当基板沿铝板的斜槽长度方向发生相对移动时，基板下部的斜槽的深度发生变化，当RFID芯片被激活后，圆形贴片天线的电长度、电容、电感等发生变化，随之谐振频率发生变化，进而通过圆形贴片天线谐振频率的变化可以监测待测构件的位移变化。

Passive Wireless Displacement Sensor and Displacement Sensing System Using Circular Patch Antenna

【技术实现步骤摘要】
采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器及位移传感系统
本专利技术属于建筑结构监测
，具体涉及一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器及位移传感系统。
技术介绍
建筑、桥梁等重要工程结构在使用荷载和环境作用下，随着时间的推移性能逐渐退化，为了准确评估结构的恶化，在过去的几十年中大量的结构健康监测研究得到了发展。作为结构健康监测系统关键部分的传感器，可检测如相对位移、应变、裂缝、加速度等各参数，这些参数为结构性能的评估提供了可靠的依据。在结构构件中，相对位移可直接反应结构的损伤状态，是结构评估中的重要参数。建筑物在地震发生后，会发生变形。当房屋的层间位移大于弹性限值时，材料可能会发生塑性变形，对结构产生不利影响；隔震橡胶支座、BRB等抗震构件发生的变形超过一定的限值后，就视为构件失效，需要进行更换。随着计算机科学、传感器技术及通信技术的飞速发展，在土木工程结构的施工和营运阶段开始引入传感器网络，用于采集与结构状态相关的物理量(位移、加速度、应变等)。为了监测这些物理量，过去数十年，研究者和工程师开发了许多传感技术，如利用压电阻抗、波导、声发射、光纤等技术，对这些物理量进行监测。但目前应用的大部分传感技术需要持续的电源供应，以及采用有线的方式进行采集信号的传输，这样在应用传感技术时，需要大量的电源线和数据线，且需要很多人力进行线路的布置，导致成本高昂，使结构健康监测系统变得复杂，也难以维护。当需要增加新的传感器时，整个监测系统可能难以调整，很难适应这些传感器网络之间的连接，因此也增加了系统的成本。为了解决传统传感器需要数据传输线的问题，将无线传感器网络(wirelesssensornetwork)应用在结构健康监测领域中，降低传感器的安装费用，可安装更多的传感器，以获取更多与结构健康状态相关的数据。针对传感器持续采集所需要的电源的问题，为了降低对电源线的需求，采用了energyharvest的技术，利用环境振动能源、太阳能、电池等对传感器进行供电，但是，以无线传感器网络为标志的第四代传感器网络还是处于研究阶段，正处于研究和开发阶段，暂时不可以成熟的应用到结构健康监测中。无线传感器网络在根本上无法解决电源的问题。土木工程结构的服役期一般为50年，重要的基础设施要求100年，由于服役期长、体量大，对传感器的要求有一定的特殊性：低成本、耐久性高、可覆盖(可埋置)。土木工程有其自身的特点，对传感器有着与其他领域的不同要求，需要针对土木工程的特有环境开发出满足需要的传感器。将健康监测系统应用在大规模的土木工程，为了监测局部的物理量，需要大量的传感器，形成具有分布式传感器的监测系统(distributedsensor-basedSHM)，同时要求传感器造价低、可靠性好，这样才可以提高传感器空间分布的密度(spatialgranularity)。因此，需要寻找一种无需能源供应、可无线传输、耐久性好且价格低廉的传感器，用于结构局部损伤的监测，如应变、位移、裂缝、腐蚀等。对于传统的传感器，传感器布置和信号采集采用有线的方式，作业复杂、引线众多、采集设备价格不菲，尽管目前采用一些如Zigbee、Wifi等无线通信方式进行了改善，但还不能从根本上克服这一缺点。传统的传感器在信号采集过程中需要实时的电源供电，而结构在经历灾害时可能发生供电失效的问题，导致信号采集系统无法获得灾害发生时的数据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为解决传统有源有线的位移计断电失效等问题，提供一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器及位移传感系统，针对土木工程结构受力和变形的特点，结合传感理论研究、数值模拟和试验测试，将无需能源供应、无线传输且成本低的射频识别技术(RadioFrequencyIdentification，RFID)应用于结构或者构件的位移监测，可避免因电源线、数据线引起的缺点，并可降低传感器的成本。为了实现上述目标，本专利技术提供了如下技术方案：一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，包括组件一和铝板；组件一包括RFID芯片、上辐射贴片、圆形的基板、馈线；上辐射贴片为基板上表面的镀铜层，上辐射贴片上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间部分为馈线，RFID芯片粘贴在馈线的表面上；组件一通过基板的下表面可移动地设置在铝板上，铝板上开设有沿铝板长度方向的且变深度的斜槽，馈线长度方向与斜槽长度方向垂直，组件一与铝板可沿斜槽长度方向相对移动；上辐射贴片、基板、铝板、馈线共同构成圆形贴片天线，RFID芯片中存储有圆形贴片天线的识别信息。进一步，组件一的中心位置位于斜槽长度方向的中心线上。在本专利技术中，组件一与带有斜槽的铝板之间无粘结，且组件一可在铝板的斜槽长度方向无阻碍移动。组件一和带有斜槽的铝板分别通过胶水粘贴于两待测构件上或同一待测构件的两侧，因在位移发展的过程中胶水不受力，因此选用胶水以粘贴牢靠不松动为准则。当两待测构件沿铝板的斜槽长度方向产生相对位移时，组件一和铝板的相对位置发生变化，从而使基板下方对应的铝板的斜槽深度发生变化，使得该位移传感器的形式发生变化，谐振频率发生变化。在本专利技术中，可以通过调整圆形贴片天线的尺寸，以提高圆形贴片天线的灵敏度及量程。本专利技术还提供一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感系统，包括RFID阅读器、RFID标签；RFID标签为上述采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，RFID阅读器与RFID标签无线通信连接，RFID阅读器通过向RFID标签发射电磁波以检测圆形贴片天线的谐振频率。在本专利技术中，圆形贴片天线的谐振频率与圆形贴片天线的结构形式一一对应，即与圆形贴片天线基板下部斜槽的深度一一对应。因此通过检测出圆形贴片天线的谐振频率，可以得出铝板和基板之间的相对位移，即可以得到两待测构件的相对位移。当圆形贴片天线的形状随着待测构件的相对位移发生变化，通过RFID阅读器无源无线的获取圆形贴片天线的谐振频率，进而得到待测构件的相对位移。进一步，该位移传感系统的工作原理为：RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的RFID芯片即可被激活。激活RFID标签所需要的最小发射功率与RFID阅读器所发射信号频率有关，当RFID阅读器以RFID标签中圆形贴片天线的谐振频率发射信号时，激活RFID标签所需的最小发射功率最小。通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中圆形贴片天线的谐振频率。因为每个谐振频率都对应于一个天线的形状和位置，每个天线的形状和位置都对应于一个具体的相对位移。因此，本专利技术圆形贴片天线的谐振频率与圆形贴片天线的结构形式一一对应，即与圆形贴片天线基板下部斜槽的深度一一对应。因此通过检测出圆形贴片天线的谐振频率，即可得出出铝板和基板之间的相对位移，即可以得到两待测构件的相对位移。进一步，当圆形贴片天线的谐振频率随着待测构件的相对位移发生变化时，按照电磁学的微扰动理论，圆形贴片天线(谐振系统)的谐振频率将相对于待测构件的相对位移值呈线性变化。具体的，圆形贴片天线的谐振频率x与待测构件的相对位移值y可以表达为一次函数，即y＝kx，其中k为线性拟合系数，线性拟合系数k可以通过实验得到。在实验过程中，可以将待本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，其特征在于：包括组件一和铝板(4)；所述组件一包括RFID芯片(1)、上辐射贴片(2)、圆形的基板(3)、馈线(6)；所述上辐射贴片(2)为所述基板(3)上表面的镀铜层，所述上辐射贴片(2)上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间部分为所述馈线(6)，所述RFID芯片(1)粘贴在所述馈线(6)的表面上；所述组件一通过所述基板(3)的下表面可移动地设置在所述铝板(4)上，所述铝板(4)上开设有沿所述铝板(4)长度方向的且变深度的斜槽(5)，所述馈线(6)长度方向与所述斜槽(5)长度方向垂直，所述组件一与所述铝板(4)可沿所述斜槽(5)长度方向相对移动；所述上辐射贴片(2)、基板(3)、铝板(4)、馈线(6)共同构成圆形贴片天线，所述RFID芯片(1)中存储有所述圆形贴片天线的识别信息。

【技术特征摘要】
1.一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，其特征在于：包括组件一和铝板(4)；所述组件一包括RFID芯片(1)、上辐射贴片(2)、圆形的基板(3)、馈线(6)；所述上辐射贴片(2)为所述基板(3)上表面的镀铜层，所述上辐射贴片(2)上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间部分为所述馈线(6)，所述RFID芯片(1)粘贴在所述馈线(6)的表面上；所述组件一通过所述基板(3)的下表面可移动地设置在所述铝板(4)上，所述铝板(4)上开设有沿所述铝板(4)长度方向的且变深度的斜槽(5)，所述馈线(6)长度方向与所述斜槽(5)长度方向垂直，所述组件一与所述铝板(4)可沿所述斜槽(5)长度方向相对移动；所述上辐射贴片(2)、基板(3)、铝板(4)、馈线(6)共同构成圆形贴片天线，所述RFID芯片(1)中存储有所述圆形贴片天线的识别信息。2.根据权利要求1所述的采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，其特征在于：所述组件一的中心位置位于所述斜槽(5)长度方向的中心线上。3.一种采用圆形贴片天线的无源无线RFID位移传感系统，其特征在于：包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢丽宇，管帅，薛松涛，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31