CN110749272A - 基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感器及传感*** - Google Patents
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Abstract
本申请属于结构变形监测领域，提供一种基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感器及传感***。所述裂缝传感器包括包括下辐射贴片、基板、上辐射贴片、RFID芯片、短接贴片、移动基板，连接线和连接板；下辐射贴片贴合在基板的下表面；上辐射贴片贴合在基板的上表面；RFID芯片焊接在基板的上表面，并与上辐射贴片通过连通；短接贴片贴合在移动基板的下表面；短接贴片与上辐射贴片上下部分重叠短接，且短接贴片与上辐射贴片宽度相等，但两者并不采取任何刚性连接方式；短接贴片与上辐射贴片重叠部分，构成大辐射贴片；移动基板在远离上辐射贴片的一侧通过连接线与连接板连接，移动基板黏贴于连接线上，连接线通过胶水黏贴于连接板上。
Description
技术领域
本申请属于结构变形监测领域，尤其提供一种基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感器及传感***。
背景技术
建筑、桥梁等重要工程结构在使用荷载和环境作用下随着时间的推移性能逐渐退化，为了准确评估结构的恶化，在过去的几十年中大量的结构健康监测研究得到了发展。作为结构健康监测***关键部分的传感器，可检测如应变、裂缝和加速度等各参数，这些参数为结构性能的评估提供了可靠的依据。在结构构件中，裂缝可直接反应结构的损伤状态，是结构评估中的重要参数。如在混凝土结构中，结构荷载、温度变化以及不均匀沉降等因素均可使结构产生裂缝，裂缝可加速混凝土的碳化和钢筋的锈蚀，降低结构的承载力，影响其性能；对于钢结构，裂缝通常由往复荷载产生，一旦扩展到临界长度将发生疲劳破坏。
目前，在结构变形监测领域，运用的比较广泛的结构裂缝传感器主要是裂缝宽度仪和超声波测试。传统的裂缝传感器具有测试效果好，分辨率较高等优点，但相对的，该方法只在某个固定周期进行检测，检测之前范围内裂缝就可能扩展至危险宽度；同时，该类传感器通常需要同轴线为其提供能量以及传输信号。对于一个传感***，大量的同轴线增加了安装难度，需耗费更多的人力和物力。更致命的是，当地震、洪水等自然灾害发生时，同轴线极易损坏，致使传感***不能正常工作。
针对以上裂缝传感器的改良中，比较有代表性的是基于天线的裂缝传感器。基于天线的裂缝传感器可以实现无源无线传感，但是，目前基于天线的裂缝传感器主要还是以定性测量为主，不能达到定量测量，在实际应用中受到限制。
发明内容
本申请的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感器及传感***，可避免同轴线在结构健康监测***中缺点，消除天线基板传递效率的影响，能够可靠、精确的监测结构裂缝宽度。
为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：
一种基于短接式贴片天线的无源无线RFID裂缝传感器，包括组件一、组件二和组件三；组件一包括下辐射贴片、基板、上辐射贴片、RFID芯片，组件二包括短接贴片、移动基板，组件三包括连接线和连接板；
下辐射贴片紧密电镀贴合在基板的下表面，且下辐射贴片完全覆盖基板的下表面；上辐射贴片紧密电镀贴合在基板的上表面；RFID芯片焊接在基板的上表面，并与上辐射贴片通过焊接连通。
短接贴片紧密电镀贴合在移动基板的下表面；并将组件二置于组件一上，使短接贴片与上辐射贴片紧密靠近上下部分重叠短接，且短接贴片与上辐射贴片宽度相等，但两者并不采取任何刚性连接方式，以保证上辐射贴片可以与短接贴片相互错动；短接贴片与上辐射贴片重叠部分，构成大辐射贴片；
移动基板在远离上辐射贴片的一侧通过连接线与连接板连接，移动基板黏贴于连接线上，连接线通过胶水黏贴于连接板上。
进一步，组件一黏贴于结构一侧，组件二和组件三连接并通过连接板与结构另一侧相连。当结构两侧因裂缝产生相对位移，组件一便与组件二产生相对位移，使得短接贴片和上辐射贴片之间发生相对错动，从而导致大辐射贴片长度变化，从而改变传感***的谐振频率。
在本申请中，下辐射贴片、上辐射贴片、短接贴片的材质均采用铜；基板、移动基板均采用RT5880介质板；连接线和连接板选用介电常数接近的材料，如泡沫，以减少对天线所感应电磁场的影响。
本申请还提供一种基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感***，包括裂缝传感器、RFID阅读器和数据采集装置；所述裂缝传感器即本申请提供的基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感器，裂缝传感器中的组件一作为RFID标签；所述 RFID阅读器中设置有发射天线，RFID阅读器通过发射天线与RFID标签进行通信；同时，数据采集装置与RFID阅读器也通信连接。
进一步，RFID标签的RFID芯片4中携带标签的编码信息，利用RFID阅读器11向标签发射调制的电磁波信号，可以识别该标签的编码，当RFID阅读器扫描范围布置多个RFID标签时，阅读器可以根据各标签的编码，标记各测点的裂缝宽度值。
在裂缝测量中，大辐射贴片起到传感单元的作用。当结构出现裂缝时，黏贴于结构裂缝两端的组件一(标签)和组件二与三产生相对位移，短接贴片5和上辐射贴片1之间发生相对错动，使得大辐射贴片的长度变大，令组件一的谐振频率发生漂移；RFID阅读器可以检测组件一的谐振频率漂移并发送至数据采集装置 12；数据采集装置12根据组件一的谐振频率漂移计算得到裂缝宽度。
进一步，该裂缝传感***的性能与标签上天线的种类有关，对上辐射贴片3 的尺寸和短接贴片5的宽度进行优化，可提高该裂缝传感***的灵敏度。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
(1)贴片天线可感知裂缝变化，并且贴片天线的谐振频率的漂移量与裂缝宽度有着明确的关系,从而实现谐振频率的定量测量；
(2)检测设备可无线检测天线谐振频率的漂移量，依此推算出结构所经历的相对位移，实现裂缝宽度的无线检测；
(3)检测设备可通过电磁波激活贴片天线使其工作，不需要额外的电源，实现传感器的无源；
(4)芯片可存储贴片天线的ID、位置等简单信息。
(5)基于贴片天线的无源无线位移传感器大大降低了传感器的制作成本；
(6)对比同类研究采用天线本体的形变作为测量量，本申请采用测量相对位移的方式，较好的防止了底部黏贴强力胶和裂纹随机性对测量结果的影响。
附图说明
图1为本申请实施例提供的基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感器的示意图；
图2为本申请实施例提供的组件一的示意图；
图3为本申请实施例提供的组件二的示意图；
图4为本申请实施例提供的组件三的示意图；
图5为本申请实施例提供的基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感***的示意图。
附图标记说明
1下辐射贴片、2基板、3上辐射贴片、4芯片、5短接贴片、6移动基板、7 连接线、8连接板、9裂缝传感器、10发射天线、11阅读器、12数据采集装置。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，本申请中的术语应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1至图4所示，一种基于短接式贴片天线的无源无线RFID裂缝传感器，包括组件一、组件二和组件三；其中，组件一包括下辐射贴片1、基板2、上辐射贴片3、RFID芯片4，组件二包括短接贴片5、移动基板6，组件三包括连接线7 和连接板8。
下辐射贴片1紧密电镀贴合在基板2的下表面，且下辐射贴片1完全覆盖基板2的下表面；上辐射贴片3紧密电镀贴合在基板2的上表面；RFID芯片4焊接在基板2的上表面，并与上辐射贴片3通过焊接连通。
进一步，短接贴片5紧密电镀贴合在移动基板6的下表面；并将组件二置于组件一上，使短接贴片5与上辐射贴片3紧密靠近上下部分重叠短接，且短接贴片5与上辐射贴片3宽度相等，但两者并不采取任何刚性连接方式，以保证上辐射贴片3可以与短接贴片5相互错动；在本申请中，短接贴片5与上辐射贴片3 重叠部分，构成大辐射贴片。
进一步，移动基板6在远离上辐射贴片3的一侧通过连接线7与连接板8连接，移动基板6黏贴于连接线7上，连接线7通过胶水黏贴于连接板8上；
进一步，组件一黏贴于结构一侧，组件二和组件三连接并通过连接板8与结构另一侧相连。当结构两侧因裂缝产生相对位移，组件一便与组件二产生相对位移，使得短接贴片5和上辐射贴片1之间发生相对错动，从而导致大辐射贴片长度变化，从而改变传感***的谐振频率。
在本申请中，下辐射贴片1、上辐射贴片3、短接贴片5的材质均采用铜；基板2、移动基板6均采用RT5880介质板；连接线7和连接板8选用介电常数接近 1的材料，如泡沫，以减少对组件一与组件二共同构成的天线的感应电磁场的影响。
本申请还提供一种基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感***，包括裂缝传感器9、RFID阅读器11和数据采集装置12；所述裂缝传感器9即本申请提供的基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感器，裂缝传感器9中的组件一作为 RFID标签；所述RFID阅读器11中设置有发射天线10，RFID阅读器11通过发射天线10与RFID标签进行通信；同时，数据采集装置12与RFID阅读器11也通信连接。
本申请为突破传统裂缝传感器中有源、有线的限制以及常用天线传感器基板传递效率的影响，提出一种基于无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID) 的无源无线分离式裂缝应变传感***，可以实现无需外部有线电源、非接触式的裂缝测量。
进一步，RFID芯片4中携带标签的编码信息，利用RFID阅读器11向标签发射调制的电磁波信号，可以识别该标签的编码，当RFID阅读器扫描范围布置多个 RFID标签时，阅读器可以根据各标签的编码，标记各测点的裂缝宽度值。
在裂缝测量中，大辐射贴片起到传感单元的作用。当结构出现裂缝时，黏贴于结构裂缝两端的组件一(标签)和组件二与三产生相对位移，短接贴片5和上辐射贴片1之间发生相对错动，使得大辐射贴片的长度变大，令组件一的谐振频率发生漂移；RFID阅读器可以检测组件一的谐振频率漂移并发送至数据采集装置 12；数据采集装置12根据组件一的谐振频率漂移计算得到裂缝宽度。
数据采集装置12根据组件一的谐振频率漂移计算得到裂缝宽度的原理如下：由于谐振频率的飘移与大辐射贴片的长度有线性关系，因此可以通过组件一的谐振频率飘移计算得到大辐射贴片的长度变化；大辐射贴片的长度变化等于组件一和组件二与三产生的相对位移，而该相对位移等于产生的裂缝的宽度，因此，可以通过测量谐振频率的飘移计算得到裂缝宽度。
进一步，该裂缝传感***的性能与组件一与组件二共同构成的天线的尺寸有关，对上辐射贴片3的尺寸和短接贴片5的宽度进行优化，可提高该裂缝传感***的灵敏度。
进一步，本申请测量构件位移原理如下：RFID阅读器以不同的频率向RFID 标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID 标签中的芯片即可被激活。激活标签所需要的阅读器最小发射功率Pmin(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中贴片天线谐振频率发射信号时 fR，激活标签所需的最小发射功率Pmin(fR)最小。通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率。当大辐射贴片的尺寸变化时，其谐振频率漂移，通过该方法可以确定谐振频率漂移量，从而得出组件一与组件二发生的相对位移值，从而得到裂缝张开的宽度。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。
Claims (2)
1.一种基于短接式贴片天线的无源无线RFID裂缝传感器，其特征在于：包括组件一、组件二和组件三；组件一包括下辐射贴片(1)、基板(2)、上辐射贴片(3)、RFID芯片(4)，组件二包括短接贴片(5)、移动基板(6)，组件三包括连接线(7)和连接板(8)；
下辐射贴片(1)紧密电镀贴合在基板(2)的下表面，且下辐射贴片(1)完全覆盖基板(2)的下表面；上辐射贴片(3)紧密电镀贴合在基板(2)的上表面；RFID芯片(4)焊接在基板(2)的上表面，并与上辐射贴片(3)通过焊接连通；
短接贴片(5)紧密电镀贴合在移动基板(6)的下表面；并将组件二置于组件一上，使短接贴片(5)与上辐射贴片(3)紧密靠近上下部分重叠短接，且短接贴片(5)与上辐射贴片(3)宽度相等，但两者并不采取任何刚性连接方式，以保证上辐射贴片(3)可以与短接贴片(5)相互错动；短接贴片(5)与上辐射贴片(3)重叠部分，构成大辐射贴片；
移动基板(6)在远离上辐射贴片(3)的一侧通过连接线(7)与连接板(8)连接，移动基板(6)黏贴于连接线(7)上，连接线(7)通过胶水黏贴于连接板(8)上。
2.一种基于短接式贴片天线的无源无线裂缝传感***，其特征在于：包括裂缝传感器(9)、RFID阅读器(11)和数据采集装置(12)；
裂缝传感器(9)包括组件一、组件二和组件三；组件一包括下辐射贴片(1)、基板(2)、上辐射贴片(3)、RFID芯片(4)，组件二包括短接贴片(5)、移动基板(6)，组件三包括连接线(7)和连接板(8)；
下辐射贴片(1)紧密电镀贴合在基板(2)的下表面，且下辐射贴片(1)完全覆盖基板(2)的下表面；上辐射贴片(3)紧密电镀贴合在基板(2)的上表面；RFID芯片(4)焊接在基板(2)的上表面，并与上辐射贴片(3)通过焊接连通；
短接贴片(5)紧密电镀贴合在移动基板(6)的下表面；并将组件二置于组件一上，使短接贴片(5)与上辐射贴片(3)紧密靠近上下部分重叠短接，且短接贴片(5)与上辐射贴片(3)宽度相等，但两者并不采取任何刚性连接方式，以保证上辐射贴片(3)可以与短接贴片(5)相互错动；短接贴片(5)与上辐射贴片(3)重叠部分，构成大辐射贴片；
移动基板(6)在远离上辐射贴片(3)的一侧通过连接线(7)与连接板(8)连接，移动基板(6)黏贴于连接线(7)上，连接线(7)通过胶水黏贴于连接板(8)上；
裂缝传感器(9)中的组件一作为RFID标签；所述RFID阅读器(11)中设置有发射天线(10)，RFID阅读器(11)通过发射天线(10)与RFID标签进行通信；同时，数据采集装置(12)与RFID阅读器(11)也通信连接。
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