一种RFID微带贴片天线小型化无源无线应变传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种RFID微带贴片天线小型化无源无线应变传感器，本发明专利技术提出的射频识别RFID微带贴片天线传感器包括介质基片、位于介质基片之上的覆铜贴片、射频芯片、位于介质基片之下的接地板、和连接上下部分的通孔。将RFID微带贴片天线传感器黏着于待测物表面，RFID微带贴片天线将随被测物一起发生变形，通过射频识别扫频无线扫频阅读器无线测量不同形变下的谐振频率大小。再根据模拟或实验确定的标定系数，换算得到最后的应变大小。该技术无需外部供电，通过射频识别通讯方式进行数据传输，具有无源、无线、灵敏度高、便捷性好等优势，有较好的推广价值。有较好的推广价值。有较好的推广价值。

【技术实现步骤摘要】
一种RFID微带贴片天线小型化无源无线应变传感器


[0001]本专利技术涉及土木工程结构应变测量领域，具体涉及一种RFID微带贴片天线小型化无源无线应变传感器。

技术介绍

[0002]如何获得准确、长期、稳定的监测数据是结构健康监测中所关注的。结构的应变是反映结构健康状态的重要指标，它代表结构的局部变形量，能够有效反应结构的内部受力状态和健康状况。在土木工程结构应变测量中，应变传感器与数据采集装置的连接方式可以分为有线连接和无线连接。有线的方式是以导线、光纤等连接为主，对于大型结构来说冗长的布线显得尤为复杂和昂贵，导线连接的复杂性和中继装置带来的成本是巨大的。另一方面，过长的布线将带来更大的电阻和接受更多的噪声干扰，对应变测量精度造成的影响不容忽视。此外，利用数字图像方法测量应变也是一种选择，它的优点是利用精密的光学仪器和先进的图像处理算法获得高精度的应变。然而数字图像方法存在很大的局限性，比如需要充足的光源条件，对于隧道等光源条件差的位置适应性相对较弱。数字图像方法对设备的稳定性也具有较高的要求，难以适应野外复杂多变的干扰环境。复杂的算法和较高的测量环境要求决定了其不能开展长期监测。
[0003]无线连接传感器以其简单的布局方式和低廉的成本为优势成为了近些年的研究热点。无线连接方式主要有红外通信、蜂窝数据、无线局域网、蓝牙、射频识别等方式。其中，前几种的优点是数据传输量大，技术成熟，而其仍摆脱不了电源的束缚，需要导线电源供电或者电池，无法实现长期无源化监测。RFID与传感器技术的结合近些年来越来越被人们关注，为结构应变测量提供了一种全新的思路。它是由一个无线扫频阅读器和一个标签组成，无线扫频阅读器给标签芯片发射指令和给标签提供能量，标签由接收天线和电子芯片组成，芯片与天线要阻抗匹配才能正常工作，天线用来接收无线扫频阅读器发射的电磁波信号，同时也给标签提供能量，天线的主要功能是接收和发射信号，用来无线传输信息给无线扫频阅读器，这个思路为无线无源测量结构应变提供了可能性。其基本过程是：无线扫频阅读器给标签天线发射电磁信号，标签天线接收信号后把自身测的相关信息再无线传输给无线扫频阅读器经调制储存变成所需的测量结果。射频识别技术的低成本、非接触式测量、无源化特点可较好解决土木工程结构中有线方法测量应变存在的布线冗长、噪声干扰大、实时供电等问题，使其在结构健康监测领域有着巨大的优势和良好的应用前景。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种RFID微带贴片天线小型化无源无线应变传感器，其轻巧简单、可靠性高、精准稳定、成本低廉、适用性广，能够解决土木工程结构中有线方法测量应变存在的布线冗长、噪声干扰大、成本昂贵的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术提供一种RFID微带贴片天线小型化无源无线应变传感器，
[0007]包括RFID微带贴片天线和无线扫频阅读器，RFID微带贴片天线与被测量结构表面用绝缘强力胶水紧紧粘贴在一起，被测量结构变形时，RFID微带贴片天线(以下简称天线)也随之变形，从而通过测量天线的变形来得到被测量结构应变。根据理论，天线的长度与其谐振频率之间存在线性关系，当天线长度方向发生变化时，其谐振频率也随之线性变化。因此，可以通过无线扫频阅读器无线测量不同变形下的天线谐振频率，再根据应变
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频率关系标定公式间接计算出应变大小。
[0008]RFID微带贴片天线包括介质基板和分别位于其上、下面的天线辐射面和金属地板。介质基板的材料为FR
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4材料，FR
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4材料主要是由环氧树脂加上玻璃纤维以及填充剂所构成的符合板材，其介电常数为4.4。介质基板上面的天线辐射面设辐射贴片，是产生辐射的主要单元，也是应变
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频率线性关系的主要载体。辐射贴片主要材料是覆铜薄层，其形状为矩形，此外它还包括了用于减小尺寸的边缘开槽和用于馈电的短路短截线。
[0009]贴片接触式测量方式表征的是接触面的平均变形水平，因而接触面积越小越能真实反映结构表面的局部变形。在本设计中，通过边缘开槽的方式减小辐射贴片的尺寸。边缘开槽的具体形式为在辐射贴片长度方向开的两排矩形槽。辐射贴片表面边缘开槽的目的是延长表面激励电流的路径，增加天线的有效长度。有效长度的增加可以使得设计辐射贴片的整体尺寸减小，从而保证谐振频率保持在原本的设计目标值。保证了谐振频率与应变线性关系不受影响的情况下可以适当减小天线的尺寸，使得研发的基于RFID微带贴片天线的无源无线应变传感器小型化，更加适用于局部的精细变形测量。
[0010]短路短截线的主要形式是嵌入辐射贴片内部的开槽引出的一段细长截线，作用是用来调节天线的阻抗大小，从而更容易实现阻抗匹配。超高频天线的阻抗中虚部电抗的绝对值远远大于实部电阻绝对值，因此虚部的调节通常更为重要。短路短截线依靠其长度方向的无线电波的驻波发挥作用，可以通过其长度来调节电抗大小，天线的电抗一般随短路短截线长度增加而增加。因此可通过短路短截线的长度灵活控制天线的输出电抗，而天线的输出电阻则可通过短路短截线嵌入天线内部的开槽的宽度调节。通过短路短截线短阻抗匹配法灵活地调节了天线的阻抗，使得阻抗匹配更加快速和准确，提高了天线设计的效率和准确度。
[0011]介质基板的正下方是金属地板，其材料也是覆铜薄层，上下金属薄层通过金属过孔实现连接。短路短截线中间包含了一颗RFID芯片，RFID芯片采用SL3S1003芯片用于无线通信，其塑料封装的体积为1
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1.45
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0.5mm3，SL3S1003芯片的阻抗为21.2
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199.7jΩ，天线与SL3S1003芯片经过尺寸优化设计在915MHz处实现阻抗匹配。SL3S1003芯片可以提供640位用户内存具有抑制强干扰的能力，能在密集的读卡器和噪声环境中可靠运行。
[0012]RFID微带贴片天线接受来自无线扫频阅读器的超高频射频无调制射频载波，由此获得信息和运行能量。微带贴片天线中标签芯片通过后向散射调制射频载波的幅值和相位来完成返回信息的通信，无线扫频阅读器解调返回信号完成整个通信过程。无线扫频阅读器和标签芯片之间的通信协议为EPC第一类第二代射频识别协议(860MHz
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960MHz，版本1.1.0)。
[0013]无线扫频阅读器通过测量RFID微带贴片天线的谐振频率来间接完成应变的测量。根据经典理论，矩形RFID微带贴片天线长度为L，宽度为W，天线的初始谐振频率可以表示为：
[0014][0015]其中c为真空中的光速，L为辐射贴片的长度，ΔL为考虑介质基板效应的补偿介电长度，ε
r
为介质基板的相对介电常数。
[0016]由公式(1)可知，天线的谐振频率受天线的长度L和补偿介电长度ΔL的影响，一般L>>ΔL。当天线长度方向发生ε应变的时候，辐射贴片的长度增加了ε倍，代入前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RFID微带贴片天线，其特征在于：包括底面设有金属地板(3)的介质基板(2)，所述介质基板(2)上表面设有辐射贴片(1)；所述辐射贴片(1)上设有用于馈电的短路短截线(4)，所述短路短截线(4)通过金属过孔(7)连接天线和金属地板(3)；所述辐射贴片(1)沿其长度方向的两侧对称设有若干边缘开槽(5)，用于延长辐射贴片(1)表面电流路径。2.根据权利要求1所述的一种RFID微带贴片天线，其特征在于，所述短路短截线(4)为一条细长矩形馈线，嵌入辐射贴片(1)在天线宽度方向上设置的开槽之内，用于连接金属地板(3)和辐射贴片(1)正面的通信芯片(6)，实现天线阻抗调节。3.一种基于权利要求2所述RFID微带贴片天线的无源无线应变传感器，其特征在于，还设有无线扫频阅读器，所述通信芯片(6)采用RFID芯片，实现与无线扫频阅读器之间的无线通信，通过RFID芯片的阈值激活功率来测量天线的谐振频率。4.根据权利要求3所述的无源无线应变传感器，其特征在于，所述RFID微带贴片天线依靠短路短截线(4)长度方向的无...

【专利技术属性】
技术研发人员：王其昂，王长保，褚臻辉，刘泉，陈进，郭忠旭，丁安驰，刘书奎，马占国，马超智，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：