一种动态高频RFID无线传感系统及动态应变检测方法技术方案

本发明专利技术公开一种动态高频RFID无线传感系统及动态应变检测方法，应用于无损检测领域和结构健康监测领域；针对现有传感系统无法用于高频动态应变检测的问题；本发明专利技术提供一种模块化的传感系统，包括：射频通信模块、射频芯片模块、微控制器模块、传感器模块以及放大电路模块；射频通信模块负责双端远程信号传输；射频芯片模块负责对前向链路解码与后向链路反向散射信号的调制；MCU模块负责采集传感器模拟信号并进行数字化处理存储进SD卡；传感器模块对被测物理量进行感知；放大电路模块负责将传感器信号进行放大处理并提供一种基于该模块化系统的高频动态应变检测方法，可实现对装备中动态应变的无线、无损、高频实时检测。高频实时检测。高频实时检测。

【技术实现步骤摘要】
一种动态高频RFID无线传感系统及动态应变检测方法


[0001]本专利技术涉及无损检测领域和结构健康监测领域，特别涉及一种传感系统及基于其的应变检测技术。

技术介绍

[0002]金属作为大型机械结构的主要材料易发生劣化，这是导致机械结构出现损伤的主要原因，特别是高速的零部件存在应力集中或材料损伤时，往往是十分危险的，有时甚至会使整个机构损毁，引起重大设备人身事故,造成重大损失。因此为了降低灾难性事故的发生，对金属结构和材料损伤状态进行及时检测与监测具有重要的现实意义。
[0003]无损检测经过几十年的发展，目前已经形成了一个较为完善的理论体系。诸如超声波、涡流、热成像和巴克豪森噪声等无损检测方法已被开发用于检测金属中的结构缺陷或应力。然而，上述无损检测技术也有其不足之处。超声波技术需要通过耦合剂使探头与被测样品接触检测，很难发现薄元件的缺陷。涡流技术的灵敏度有待进一步提高。热成像可以实现成像检测技术，但对检测深度有限制。基于射线照相的无损检测技术(例如CT和X射线照相)暴露于辐射环境，复杂、低效且昂贵。然而，在恶劣环境下的工程结构检测中，上述无损检测技术存在成本高、无法实时监测的局限性。因此，有必要促进无损检测与结构健康监测的结合。
[0004]目前无线传感器网络技术被广泛应用于新的结构健康监测领域中，以确保大型结构的健康监测。基于其对无线、低成本的需求，RFID一直是无线传感器领域研究者关注的焦点。已有学者利用RFID对金属构件的应变、腐蚀和裂纹进行无损检测和结构健康监测，但依然有很多问题值得探讨。如应变数据的高频动态检测能力，传统的集成式RFID系统的传感标签数据采集频率只有1Hz左右，在对于高速运行构件进行高频动态检测上仍有欠缺。
[0005]现有集成式RFID应变检测情况如下：
[0006]Wireless stress measurement on metal surface based on passive integrated RFID sensor tag中提出了一种带有微控制器的集成式的RFID标签，实现对大型L型设施的表面应力无线、无源检测。其中，通过微控制器将模拟信号转换为数字信号，在抗干扰的同时也增加了检测的灵敏度。实验结果表明当试件应变低于450微应变时，该系统的检测精度较高。但其对于应变数据的采集频率只有1Hz，无法满足高速运行构件的高频动态采集需要。
[0007]Embedded active RFID with WSN for machine condition monitoring中介绍了一种用于机器状态监测的有源RFID系统的开发。该集成式有源RFID标签集成了应变传感器、可编程片上微控制器和射频收发器三个模块，将采集的应变数据通过RFID标签发送到RFID阅读器，并传输至上位机用于数据的监测、显示和存储，并通过实验验证了该系统的应变传感器功能。
[0008]Battery
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less Wireless Sensors Based on Low Power UHF RFID Tags中提出了一种适用于无电池无线传感器的远距离UHF RFID标签。通过将射频前端与EPC C1G2协议
兼容数字核心实现功率管理技术，再结合功率优化块设计成功降低RFID功耗，提高了无线传输距离。将该系统与超低功率上野传感器组装，实现了无电池远距离无线传感器系统。
[0009]An RFID
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enabled Wireless Strain Gauge Sensor for Static and Dynamic Structural Monitoring提出了一种基于RFID技术的半无源无线应变传感器。该传感器通过惠斯通电桥及传统的应变片进行数据采集，通过电池进行供电，将采集到的传感数据传输给射频前端的射频芯片，射频芯片对信息进行调制，通过射频方式发送给阅读器传递给上位机。其中，射频芯片内集成的温度传感器可以对应变数据进行温度补偿以提高精度。另一方面射频芯片及电路耗能较低，后期可以扩展能量收集器以实现无源传感系统。
[0010]RFID plus strain gauges for stress measurement systems是一款用于混凝土结构或金属结构内部结构健康监测的RFID传感器。通过将RFID标签与传感器相连接，一齐埋进被测结构内部指定厚度处，再利用RFID阅读器在结构外侧进行阅读传感数据，上位机即可通过RFID阅读器获得被测结构内部的相应传感信息。产品可以在距离混凝土结构表面50mm深度处正确阅读RFID发送的传感器信息。
[0011]传统的集成式UHF RFID传感器系统通常采用先采集后发送的结构，可以分为两个模块，一是信号采集模块：对传感数据进行采样转换；二是射频发送模块：利用射频方式将传感数据发送给阅读器传至上位机。两种模块同步进行，每采集一次数据即立刻将该数据发送给阅读器。但因射频传输过程包括阅读器发送指令、标签RF调制、阅读器接收信号等，过程较为复杂速度较慢。
[0012]因此，受限制于低速的射频发送模块，以上最接近的现有集成式RFID应变检测技术对于应变数据的采集频率普遍较低(仅1Hz)，无法用于高速运行构件的应变检测。

技术实现思路

[0013]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种动态高频RFID无线传感系统及动态应变检测方法，本专利技术的动态高频RFID无线传感器系统可以以200Hz的动态频率对金属构件进行应变检测与无线远距离信号传输，可实现对高速运行设备的无线、高频实时应变检测。
[0014]本专利技术采用的技术方案之一为：一种动态高频RFID无线传感系统，包括：高速的信号采集模块、低速的射频发送模块以及RFID传感器系统；
[0015]高速的信号采集模块具体包括：传感器模块、放大电路、微控制器、SD卡；传感器模块对被测物理量进行感知，传感器模块输出的传感器信号作为放大电路的输入；放大电路模块将传感器信号进行放大处理；微控制器对放大电路放大后的信号进行数字化处理存储进SD卡；
[0016]传感器模块包括被测构件与应变片，应变片贴在被测构件上；
[0017]低速的射频发送模块从SD卡读取实时数据发送给RFID传感器系统。
[0018]微控制器通过外接电源进行供电。
[0019]所述RFID传感器系统包括：标签、阅读器、数据处理系统；标签与阅读器之间进行非接触式的数据通信，数据处理系统与阅读器相连，作为阅读器的上位机，将阅读器获得的数据处理为可辨识信息。
[0020]标签集成标签天线与标签芯片。
[0021]所述标签天线为微带天线。
[0022]本专利技术采用的技术方案之二为：基于上述传感系统的动态应变检测方法，包括：
[0023]S1、将应变片贴在被测构件上，RFID标签置于阅读器的有效阅读范围之内任意位置处；
[0024]S2、给动态高频RFID无线传感系统供电开始运行，传感器模块检测被测构件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态高频RFID无线传感系统，其特征在于，包括：高速的信号采集模块、低速的射频发送模块以及RFID传感器系统；高速的信号采集模块具体包括：传感器模块、放大电路、微控制器、SD卡；传感器模块对被测物理量进行感知，传感器模块输出的传感器信号作为放大电路的输入；放大电路模块将传感器信号进行放大处理；微控制器对放大电路放大后的信号进行数字化处理存储进SD卡；传感器模块包括被测构件、应变片以及惠斯通电桥，应变片用于感应被测构件的形变，应变片与惠斯通电桥连接，惠斯通电桥与放大电路连接；低速的射频发送模块从SD卡读取实时数据发送给RFID传感器系统；微控制器通过外接电源进行供电。2.根据权利要求1所述的一种动态高频RFID无线传感系统，其特征在于，所述RFID传感器系统包括：标签、阅读器、数据处理系统；标签与阅读器之间进行非接触式的数据通信，数据处理系统与阅读器相连，作为阅读器的上位机，将阅读器获得的数据处理为可辨识信息。3.根据权利要求2所述的一种动态高频RFID无线传感系统，其特征在于，所述标签集成标签天线与标签芯片。4.根据权利要求3所述的一种动态高频RFID无线传感系统，其特征在于，所述标签天线为微带天线。5.一种基于权利要求1
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4任意一项所述的一种动态高频RFID无线传感系统的动态应变检测方法，其特征在于，包括：S1、将应变片贴在被测构件上，并将RFID标签置于阅读器的有效阅读范围之内任意位置处；S2、给动态高频RFID无线传感系统供电开始运行，传感器模块检测被...

【专利技术属性】
技术研发人员：于亚婷，王丰龙，罗智文，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：