基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法技术

本发明专利技术公开了基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，如下：步骤一、将第一电阻式应变片贴附于初期支护拱架待测应变处的表面；步骤二、将第二电阻式应变片固定于初期支护拱架待测应变处的周边；RFID标签采集惠斯通电桥的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号；步骤三、初期支护喷射混凝土，各监测单元固定于混凝土内；步骤四、使RFID阅读器进入RFID标签的射频识别范围，传输数据。通过该方法不需要为应变片连接大量长的数据线，能够减少工作量，同时提高数据采集的效率。

【技术实现步骤摘要】
基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法
本专利技术属于铁路隧道初期支护受力监测
，具体涉及基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法。
技术介绍
在隧道施工过程中，为了分析初期支护受力情况，以及为初期支护的动态设计提供参考依据，需要对钢拱架的应变进行监测。目前通常采用的初期支护拱架受力监测方法是：通过在初期支护拱架内部焊接钢筋应变计，然后将数据线引出初期支护外，待初期支护混凝土喷射完成后，开始连接采集仪进行数据采集处理。以上方法均需要为每一个钢筋应变计连接数据线，然后将数据线引出至每一个数据采集箱，通常数公里的隧道采用大量的数据线，工作量巨大，采集工作繁琐，工作效率低下。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，通过该方法可以不需要为应变片连接大量长的数据线，能够减少工作量，同时提高数据采集的效率。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是，基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，该无线监测方法如下：使用基于射频识别技术的应变传感器，各所述应变传感器均包括：惠斯通电桥，一个或多个，均各用于贴附对应的初期支护拱架待测应变处的表面，随初期支护拱架的变形，其两端的电压差值改变；所述惠斯通电桥由第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第二固定电阻和第一固定电阻依次导线连接组成；RFID标签，与惠斯通电桥的数量相等；各RFID标签均对应连接一个惠斯通电桥，形成一监测单元；各监测单元中，RFID标签接口与惠斯通电桥导线连接，用于采集惠斯通电桥的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号，并发送；一个RFID阅读器，用于接收各RFID标签发送的射频数字信号，并将射频数字信号还原为电压差值信号，并传输；一个数据采集处理仪，用于接收RFID阅读器传输的电压信号差值，并根据电压信号差值得出结构待测变形处的应变；步骤一、将第一电阻式应变片贴附于初期支护拱架待测应变处的表面；步骤二、将第二电阻式应变片固定于初期支护拱架待测应变处的周边；RFID标签采集惠斯通电桥的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号；步骤三、初期支护喷射混凝土，各监测单元固定于混凝土内；步骤四、使RFID阅读器进入RFID标签的射频识别范围；RFID阅读器向RFID标签发射信号，激活RFID标签；并接收RFID标签发送的射频数字信号，并将数字信号还原为电压差值信号，并传输；步骤五、数据采集处理仪接收步骤三中传输的电压差值信号，根据如下公式，求得到第一电阻式应变片的应变，即为初期支护拱架待测应变处的应变；其中，ΔU为电压差值；e为第二电阻式应变片和第二固定电阻阻值的比；ΔR为第一电阻式应变片的阻值变化值；K为第一电阻式应变片的灵敏度；ε为第一阻式应变片的应变；R1为第一阻式应变片的初始电阻值。进一步地，在步骤二中，第二电阻式应变片贴附位置与第一电阻式应变片的距离为1～2cm。进一步地，使用时，RFID阅读器和数据采集处理仪均设置在隧道检测车上，由隧道检测车携带进入隧道内。进一步地，该RFID标签包括电压信号输入口、接地端、标签射频芯片、标签天线和纽扣电池；电压信号输入口、接地端、标签天线和纽扣电池均与标签射频芯片相连接；电压信号输入口和接地端还分别与第一连接点和第二连接点导线连接；用于采集两连接点间的电压差值信号；纽扣电池的两极分别与第三连接点和第四连接点导线连接；标签射频芯片用于接收电压差值信号，并将电压差值信号转化为射频数字信号，并发送至标签天线；上述第一固定电阻和第一电阻式应变片间的连接点为第一连接点；所述第一电阻式应变片和第二电阻式应变片间的连接点为第三连接点；所述第二电阻式应变片和第二固定电阻间的连接点为第二连接点；所述第二固定电阻与第一固定电阻间的连接点为第四连接点。进一步地，该RFID阅读器包括阅读器射频芯片)阅读器天线、数据处理模块和USB接口，所述阅读器天线、数据处理模块均与所述阅读器射频芯片相连接，所述USB接口与所述数据处理模块相连接。所述阅读器射频芯片通过所述阅读器天线接收所述标签天线发送的射频数字信号，并传输；所述阅读器射频芯片还通过所述阅读器天线向所述标签天线发送信息；所述数据处理模块，用于接收所述阅读器射频芯片发送的射频数字信号，并将所述射频数字信号转化为电压差值信号。USB接口，用于接收所述数据处理模块发送的电压差值信号，并传输至数据采集处理仪。本专利技术具有如下优点：1.通过RFID标签发射射频信号进行数据传输，不需要大量数据线，减少大量导线布设工作，加快数据采集速度。2.电阻式应变片处于惠斯通电桥中，一个电阻式应变片贴附于二次衬砌结构待测应变处，随结构变形而变形；并由RFID标签采集惠斯通电桥两端的电压差值，灵敏度高，测量数值准确。3.惠斯通电桥中的另一个电阻式应变片设置于待测应变处周边，保证了两个电阻式应变片位于相同的温度场下，由温度变化引起的两个电阻式应变片的电阻变化相同，则可抵消温度变化对应变测量造成的误差。4.RFID阅读器和数据采集处理仪可布置在隧道检测车上，加快了数据采集速度。5.一个RFID阅读器可同时接收多个RFID标签的数据，随隧道检测车的前行，接收射频范围内RFID标签的数据传输，所需的设备少，且传输效率高。附图说明图1为基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测示意图；图2为惠斯通电桥示意图；图3为RFID标签示意图；图4为RFID阅读器示意图；图5为惠斯通电桥原理图；其中：1.惠斯通电桥；2.RFID标签；3.初期支护拱架；4.位纽扣电池；5..RFID阅读器；6.数据采集处理仪；7.第一电阻式应变片；8.第二电阻式应变片；9.第一固定电阻；10.第二固定电阻，11.第一连接点；12.第二连接点；13.电压信号输入口；14.接地端；15.标签射频芯片；16.标签天线；17.纽扣电池；18.正极；19.负极；20.阅读器射频芯片；21.阅读器天线；22.数据处理模块；23.USB接口，24.第三连接点；25.第四连接点。具体实施方式本专利技术基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，如下：使用基于射频识别技术的应变传感器，各应变传感器均包括：惠斯通电桥1，一个或多个，均各用于贴附对应的初期支护拱架3待测应变处的表面，随初期支护拱架3的变形，其两端的电压差值改变；惠斯通电桥1由第一电阻式应变片7、第二电阻式应变片8、第二固定电阻10和第一固定电阻9依次导线连接组成。如图2所示。RFID标签2，与惠斯通电桥1的数量相等；各RFID标签2均对应连接一个惠斯通电桥1，形成一监测单元。各监测单元中，RF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，其特征在于，该无线监测方法如下：/n使用基于射频识别技术的应变传感器，各所述应变传感器均包括：/n惠斯通电桥(1)，一个或多个，均各用于贴附对应的初期支护拱架(3)待测应变处的表面，随初期支护拱架(3)的变形，其两端的电压差值改变；所述惠斯通电桥(1)由第一电阻式应变片(7)、第二电阻式应变片(8)、第二固定电阻(10)和第一固定电阻(9)依次导线连接组成；/nRFID标签(2)，与所述惠斯通电桥(1)的数量相等；各所述RFID标签(2)均对应连接一个所述惠斯通电桥(1)，形成一监测单元；/n各监测单元中，所述RFID标签(2)接口与所述惠斯通电桥(1)导线连接，用于采集所述惠斯通电桥(1)的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号，并发送；/n一个RFID阅读器(5)，用于接收各所述RFID标签(2)发送的射频数字信号，并将射频数字信号还原为电压差值信号，并传输；/n一个数据采集处理仪(6)，用于接收所述RFID阅读器(5)传输的电压信号差值，并根据电压信号差值得出结构待测变形处的应变；/n步骤一、将所述第一电阻式应变片(7)贴附于初期支护拱架(3)待测应变处的表面；/n步骤二、将所述第二电阻式应变片(8)固定于待测应变处的周边；/n所述RFID标签(2)采集所述惠斯通电桥(1)的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号；/n步骤三、初期支护喷射混凝土，各所述监测单元固定于混凝土内；/n步骤四、使RFID阅读器(5)进入所述RFID标签(2)的射频识别范围；/n所述RFID阅读器(5)向所述RFID标签(2)发射信号，激活所述RFID标签(2)；并接收所述RFID标签(2)发送的射频数字信号，并将数字信号还原为电压差值信号，并传输；/n步骤五、所述数据采集处理仪(6)接收所述步骤三中传输的电压差值信号，根据如下公式，...

【技术特征摘要】
1.基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，其特征在于，该无线监测方法如下：
使用基于射频识别技术的应变传感器，各所述应变传感器均包括：
惠斯通电桥(1)，一个或多个，均各用于贴附对应的初期支护拱架(3)待测应变处的表面，随初期支护拱架(3)的变形，其两端的电压差值改变；所述惠斯通电桥(1)由第一电阻式应变片(7)、第二电阻式应变片(8)、第二固定电阻(10)和第一固定电阻(9)依次导线连接组成；
RFID标签(2)，与所述惠斯通电桥(1)的数量相等；各所述RFID标签(2)均对应连接一个所述惠斯通电桥(1)，形成一监测单元；
各监测单元中，所述RFID标签(2)接口与所述惠斯通电桥(1)导线连接，用于采集所述惠斯通电桥(1)的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号，并发送；
一个RFID阅读器(5)，用于接收各所述RFID标签(2)发送的射频数字信号，并将射频数字信号还原为电压差值信号，并传输；
一个数据采集处理仪(6)，用于接收所述RFID阅读器(5)传输的电压信号差值，并根据电压信号差值得出结构待测变形处的应变；
步骤一、将所述第一电阻式应变片(7)贴附于初期支护拱架(3)待测应变处的表面；
步骤二、将所述第二电阻式应变片(8)固定于待测应变处的周边；
所述RFID标签(2)采集所述惠斯通电桥(1)的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号；
步骤三、初期支护喷射混凝土，各所述监测单元固定于混凝土内；
步骤四、使RFID阅读器(5)进入所述RFID标签(2)的射频识别范围；
所述RFID阅读器(5)向所述RFID标签(2)发射信号，激活所述RFID标签(2)；并接收所述RFID标签(2)发送的射频数字信号，并将数字信号还原为电压差值信号，并传输；
步骤五、所述数据采集处理仪(6)接收所述步骤三中传输的电压差值信号，根据如下公式，



求得到所述第一电阻式应变片(7)的应变，即为所述初期支护拱架(3)待测应变处的应变；
其中，ΔU为电压差值；e为第二电阻式应变片(8)和第二固定电阻(10)阻值的比；ΔR为第一电阻式应变片(7)的阻值变化值；K为所述第一电阻式应变片(7)的灵敏度；ε为所述第一阻式应变片(7)的应变；R1为第一阻式应变片(7)的初始电阻值。


2.根据权利要求1所述的基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：种玉配，王其昂，邵阳，刘永胜，张诚，罗占夫，熊炎林，东兆星，杨泽平，刘书奎，杨效广，刘计顺，戴阳，
申请(专利权)人：中铁隧道勘察设计研究院有限公司，中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44