一种无芯片射频识别金属裂纹传感器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种单结构多参数检测的无芯片射频识别金属裂纹传感器，及其设计方法，其中传感器包括：介质基板和谐振器，所示谐振器包括方形谐振器和圆形谐振器，所述方形谐振器和圆形谐振器交叠形成糖果形的拓扑结构；该传感器的设计方式如下：设计方形谐振器初始谐振频率为

【技术实现步骤摘要】
一种无芯片射频识别金属裂纹传感器及其设计方法


[0001]本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种单结构多参数检测的无芯片射频识别金属裂纹传感器及其设计方法。

技术介绍

[0002]由于无芯片射频识别传感器在金属裂纹监测的过程中，尤其是在恶劣环境下，可以实现低成本、实时、非接触测量等目标，目前利用无芯片射频识别传感器进行裂纹监测已经成为一种新兴方法。
[0003]现有金属裂纹监测技术可分为传统无损检测(NDT)方法和基于射频识别等技术的新方法。对于射频识别传感器而言，现有的金属裂纹多参数传感器均通过多个谐振器的组合来实现，在对宽度深度共同研究中仅针对个别深度裂纹进行检测。
[0004]传统的裂纹无损检测方法在进行大面积检查和监测时，成本高且过于繁琐。作为裂纹检测的一种新方法，无芯片射频识别技术可以实现传感器低成本、非接触测量的目标，与传统方法相比，在感知能力以及在恶劣环境下的工作能力方面，均具有显著优势。而现有的RFID金属裂纹传感器均通过多个谐振器的组合来实现多参数检测，结构复杂、分辨率低，且未分离宽度深度之间的相互影响。

技术实现思路

[0005]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种单结构多参数检测的无芯片射频识别金属裂纹传感器，包括
[0006]介质基板和谐振器，所示谐振器包括方形谐振器和圆形谐振器，所述方形谐振器和圆形谐振器交叠形成糖果形的拓扑结构；
[0007]该传感器的设计方式如下：
[0008]设计方形谐振器初始谐振频率为f
10
＝3.8GHz、f
01
＝3GHz，方形谐振器的两个谐振模式TM01、TM10的谐振频率f
01
和f
10
与贴片的长、宽度成反比，通过公式(1)对传感器的长度和宽度尺寸进行合理设计；
[0009][0010][0011]其中L是辐射贴片的长度，W是辐射贴片的宽度，c是自由空间中电磁波的速度，ε
r
是介质基底的介电常数，由于边缘效应的存在，因此方形谐振器的每个开路都增加了ΔL，使得方形谐振器的实际尺寸比物理尺寸有所增加，增加长度ΔL的计算公式(2)为:
[0012][0013]其中h是介质基底的高，保持方形结构的y极化特性，中间圆形谐振器的半径为R，用于传感器x极化方向上的检测，考虑到圆形谐振器的边缘效应，使用公式(3)计算圆形谐振器的有效半径r
e
；
[0014][0015]其中r是圆形谐振器的半径，圆形谐振器的谐振频率f
r
由(4)给出。
[0016][0017]将谐振器放置于高介电常数基板材料上，二者组合构成金属裂纹传感器，基板材料介电常数为10.2，正切损耗角为0.0035，基板厚度h为1.27mm，上下表面的尺寸为40mm*40mm。
[0018]由于采用了上述技术方案，本专利技术提供了一种单结构多参数检测的无芯片射频识别金属裂纹传感器，该传感器采用极化不对称结构设计，基于GA
‑
BP神经网络的裂纹宽度及深度的数据分离方法设计，该传感器可无线检测亚毫米级金属裂纹的宽度和深度，对于裂纹预测的准确率高达80％，可大大提高金属裂纹监测工作的效率，同时具有结构简单、灵敏度高、可进行多参数预测等优点，将有利于本专利技术在结构健康监测领域的大规模应用。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本专利技术传感器的结构示意图；
[0021]图2(a)为本专利技术实施例中传感器幅频特性响应曲线示意图；
[0022]图2(b)为本专利技术实施例中传感器频偏灵敏度拟合曲线；
[0023]图2(c)为本专利技术实施例中传感器幅值拟合曲线
[0024]图3(a)为本专利技术实施例中2mm深度下传感器幅频特性响应曲线；
[0025]图3(b)为本专利技术实施例中3mm深度下传感器幅频特性响应曲线
[0026]图3(c)为本专利技术实施例中不同裂纹深度下频偏拟合曲线
[0027]图3(d)为本专利技术实施例中不同裂纹深度下幅值拟合曲线
[0028]图4(a)为本专利技术实施例中传感器频偏灵敏度拟合曲线；
[0029]图4(b)为本专利技术实施例中传感器幅值拟合曲线
[0030]图5(a)为本专利技术实施例中BP神经网络裂纹宽度及深度测试集的预测输出与实际输出示意图
[0031]图5(b)为本专利技术实施例中GA
‑
BP神经网络裂纹宽度及深度测试集的预测输出与实际输出示意图
具体实施方式
[0032]为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
[0033]民用基础设施的发展加剧了各行业对结构健康监测的需求，实时监测建筑物和基础设施中的金属裂纹对于最小化维护成本、延长结构使用寿命、改善公共安全十分重要。与现有的RFID金属裂纹传感器相比，本专利技术所设计的无芯片射频识别传感器，可成功分离金属裂纹宽度、深度之间的相互影响，具有结构简单、灵敏度高、可进行金属裂纹多参数预测等优点，便于低成本、高效地开展金属裂纹监测工作，具有广阔的应用前景。
[0034]如图1所示，RFID金属裂纹传感器由介质基板和谐振器组成，考虑到当激励为特定的正交极化波时，方形谐振器在两种条件下具有独立的谐振特性，选择方形结构为基本结构，后与圆形谐振器组合交叠形成类似糖果形的拓扑结构，如图1所示。
[0035]为使传感器在x极化下的工作频率为4.5GHz，y极化下的工作频率为3GHz。首先设计方形谐振器初始谐振频率为f
10
＝3.8GHz，f
01
＝3GHz，方形辐射贴片的两个谐振模式(TM01和TM10)的谐振频率f
01
和f
10
与贴片的长、宽度成反比，通过公式(1)对传感器的长度和宽度尺寸进行合理设计。
[0036][0037][0038]其中L是辐射贴片的长度，W是辐射贴片的宽度，c是自由空间中电磁波的速度，ε
r
是介质基底的介电常数。由于边缘效应的存在，因此辐射贴片的每个开路都增加了ΔL，使得辐射贴片的实际尺寸比物理尺寸有所增加，增加长度ΔL的计算公式(2)为:
[0039][0040]其中h是介质基底的高。在此基础上，保持方形结构的y极化特性，中间圆形谐振器半径为R，用于传感器x极化方向上的检测。考虑到圆形谐振器的边缘效应，可使用公式(3)计算圆形谐振器的有效半径r
e
。
[0041][0042]其中r是圆形谐振器的半径。圆形谐振器的谐振频率f
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单结构多参数检测的无芯片射频识别金属裂纹传感器，其特征在于包括：介质基板和谐振器，所示谐振器包括方形谐振器和圆形谐振器，所述方形谐振器和圆形谐振器交叠形成糖果形的拓扑结构；该传感器的设计方式如下：设计方形谐振器初始谐振频率为f
10
＝3.8GHz、f
01
＝3GHz，方形谐振器的两个谐振模式TM01、TM10的谐振频率f
01
和f
10
与贴片的长、宽度成反比，通过公式(1)对传感器的长度和宽度尺寸进行合理设计；度尺寸进行合理设计；其中L是辐射贴片的长度，W是辐射贴片的宽度，c是自由空间中电磁波的速度，ε
r
是介质基底的介电常数，由于边缘效应的存在，...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛严冰，王帅，赵志珍，宋智，陈宝君，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：