一种柔性超小型RFID应变传感标签及应变检测方法技术

本发明专利技术公开一种柔性超小型RFID应变传感标签及应变检测方法，应用于结构健康监测和无损检测领域，针对现有的标签天线尺寸过大，难以适用于复杂机械结构的检测的问题；本发明专利技术提供的柔性超小型RFID应变传感标签贴于构件表面，当标签变形时，其阻抗变化为Z

【技术实现步骤摘要】
一种柔性超小型RFID应变传感标签及应变检测方法


[0001]本专利技术属于结构健康监测和无损检测领域，特别涉及一种应变传感标签及应变检测技术。

技术介绍

[0002]当损伤和缺陷积累到一定程度时，会造成结构的承载能力和抗疲劳性能降低，酿成极其严重的后果。应变是表征工程结构受力状态的重要指标，通过对应力集中处的应变检测可有效判断结构的安全状况因此，采用可靠、实用的技术手段监测结构表面的应变，进而采取相应的预防措施对减少或避免结构性失效事故的发生具有重要意义。
[0003]传统的应变检测与健康监测技术历经几十年的发展，已经形成了一个较完善的理论体系，应变检测方法有应变片电测法、光纤Bragg光栅测试法等。但是传统无损检测技术由于设备笨重、检测速度慢、可检测范围小及自动化程度低，在检测大规模设施中的潜在损伤，特别是在复杂环境下的损伤时，往往可行性差且花费巨大。针对大规模设施的表面应力健康监测的问题，无线传感器网络(WSN)脱颖而出。WSN网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个自组织网络。RFID技术可以用于搭建无线传感器网络。RFID即射频识别技术，指通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，从而达到识别目标和数据交换的目的。经典的RFID系统由一个阅读器和多个RFID标签组成。RFID标签因为其成本低廉，可以组成阵列，可以远距离通信等优点，开发传感功能后可以作为无线传感网络的传感器节点。目前RFID无线传感技术分为有源与无源两种，有源需要电池对天线与传感器提供能量，使用电池的RFID无线传感技术因为其体型相对较大、昂贵的更换成本、传感器寿命较低、电池对环境造成的污染等问题，并未成为无线检测技术的主流技术方案。无源RFID应变传感技术无需额外的集成电源，只需外部射频信号供电即可工作，可植入设备内部而无需更换部件，拥有更佳的鲁棒性与稳定性，可常年无人值守工作等优点成为目前主流的技术方案。
[0004]相关现有技术如下：
[0005]Embedded wireless strain sensors based on printed RFID tag中提出了一种基于印刷RFID标签的嵌入式无线应变传感标签，该设计通过阅读器唤醒RFID标签的阈值功率P
t
来反演应变。尺寸为8mm*97mm。
[0006]A Novel RFID
‑
Based Strain Sensor for Wireless Structural Health Monitoring中提出一种基于倒F天线的RFID应变传感标签，利用天线应变传感器的谐振频率作为特征值对应变进行表征。该设计固定阅读器的发射功率P，在UHF(超高频)频段内进行扫频，求出频率f
i
下的最大询问距离R
i
，则最大询问距离对应的频率即为谐振频率。当天线发生变形时，天线的谐振频率也会随之发生变化，只需知道谐振频率的偏移量
△
f，即可定量反演天线的应变。尺寸为72mm*92mm。
[0007]Reusable Passive Wireless RFID Sensor for Strain Measurement on Metals：报道了一种可重复使用的无源射频识别(RFID)传感器，用于金属材料的无线应变
测量。在铝拉伸试样上评估了所提出的传感器的特性。利用RFID传感器接收到的信号强度强度(RSSI)和最大RSSI对应的频率来测量试样应变。除应变外，试件的屈服、极限抗拉强度和破坏点也可由RSSI测量值确定。尺寸为80.8mm*19.8mm。
[0008]Longest
‑
Range UHF RFID Sensor Tag Antenna for IoT Applied for Metal and Non
‑
Metal Objects：提出了一种读取距离最长的无源腔型超高频射频识别(UHF)标签天线。尺寸为140mm*60mm。
[0009]Passive RFID Strain
‑
Sensor Based on Meander
‑
Line Antennas：设计一个完全被动的UHF RFID传感器，用于应变监测，从一个灵活的弯曲线偶极子的形状因子和馈电段设计，以实现所需的传感分辨率和动态范围。尺寸为36mm*36mm。
[0010]目前的应变传感标签普遍采用微带、倒F天线等天线结构，这就导致标签天线的尺寸必须大于等于工作频率对应波长的一半或四分之一(四分之一为采用了短路通孔技术进行电流路径折叠)。且目前的应变传感标签均采用硬质基板作为天线基体，难以安装在曲面构件上。

技术实现思路

[0011]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种柔性超小型RFID应变传感器及应变检测方法，通过读取标签通信相关的物理信号并进行模拟处理即可获知标签天线的结构变化或标签周围环境信息。
[0012]本专利技术采用的技术方案之一为：一种柔性超小型RFID应变传感标签，包括：射频芯片与天线结构；所述天线结构具体包括：金属贴片、介质基板、金属地板；所述金属贴片设置于介质基板顶面，金属地板设置于介质基板底面，
[0013]所述金属贴片包括：方形环状微带线、第一圆环、第二圆环、圆形谐振片，所述第一圆环的半径大于第二圆环半径，第二圆环的半径大于圆形谐振片的半径；
[0014]所述方形环状微带线包括位于对称轴上的2个相同尺寸的缺口；
[0015]所述第一圆环包括对称的第一开口与第二开口；所述第二圆环包括一个开口；第一圆环的第一开口与第二圆环的开口连接，第一圆环的第二开口与方形环状微带线的一个缺口连接；
[0016]所述圆形谐振篇连接第二圆环开口中心点在第二圆环上的对称点；
[0017]所述方形环状微带线的另一个缺口连接射频芯片。
[0018]所述介质基板为可弯曲延展的非金属薄片结构。
[0019]所述射频芯片的输入阻抗与天线阻抗共轭匹配。
[0020]本专利技术采用的技术方案之二为：一种柔性超小型RFID应变传感器及应变检测方法，包括：
[0021]S1、将RFID应变传感标签贴于构件表面；
[0022]S2、产生射频信号：将射频接收及发射模块装置放置于距离被测构件上方h米处，射频接收及发射模块装置产生扫频射频电磁波信号U1；
[0023]S3、产生响应信号：贴在构件表面的标签天线接收到射频信号U1后，标签芯片对U1整流并以反向散射方式调制信号生成射频响应信号U2；
[0024]S4、接收射频响应信号：射频接收及发射模块装置接收射频响应信号U2，并将U2输
入数据采集与处理模块；数据采集与处理模块对信号U2进行分析，得到信号U2的频率
‑
幅值曲线f
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A；
[0025]S5、进行特征频率提取：取出S4中检测出的频率
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性超小型RFID应变传感标签，其特征在于，包括：射频芯片与天线结构；所述天线结构具体包括：金属贴片、介质基板、金属地板；所述金属贴片设置于介质基板顶面，金属地板设置于介质基板底面；所述金属贴片包括：外周的方形环状微带线，嵌套于方形环状微带线中心的第一圆环、第二圆环、圆形谐振片，所述第一圆环的半径大于第二圆环半径，第二圆环的半径大于圆形谐振片的半径；所述方形环状微带线包括位于金属贴片中心对称轴上的2个相同尺寸的缺口；所述第一圆环包括位于金属贴片中心对称轴上的第一开口与第二开口；所述第二圆环包括一个位于金属贴片中心对称轴上的开口；第一圆环的第一开口与第二圆环的开口连接，第一圆环的第二开口与方形环状微带线的一个缺口连接；所述圆形谐振片连接第二圆环开口中心点在第二圆环上的对称点；所述方形环状微带线的另一个缺口连接射频芯片。2.根据权利要求1所述的一种柔性超小型RFID应变传感标签，其特征在于，所述介质基板为可弯曲延展的非金属薄片结构。3.根据权利要求2所述的一种柔性超小型RFID应变传感标签，其特征在于，介质基板材质为聚酯薄膜。4.根据权利要求3所述的一种柔性超小型RFID应变传感标签，其特征在于，所述射频芯片的输入阻抗与天线阻抗共轭匹配。5.一种柔性超小型RFID应变传感器及应变检测方法，其特征在于，通过将权利要求1
‑
4任意一项所述的RFID应变传感标签贴于构建表面，进行应变检测，具体检测方法包括以下步骤：S1、将RFID应变传感标签贴...

【专利技术属性】
技术研发人员：于亚婷，程西蒙，王丰龙，卢雅丽，杨维，王振伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：