CN112213007A - 基于rfid技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法 - Google Patents

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CN112213007A CN202011231136.5A CN202011231136A CN112213007A CN 112213007 A CN112213007 A CN 112213007A CN 202011231136 A CN202011231136 A CN 202011231136A CN 112213007 A CN112213007 A CN 112213007A
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Abstract

本发明公开了基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，如下：步骤一、将第一电阻式应变片贴附于初期支护拱架待测应变处的表面；步骤二、将第二电阻式应变片固定于初期支护拱架待测应变处的周边；RFID标签采集惠斯通电桥的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号；步骤三、初期支护喷射混凝土，各监测单元固定于混凝土内；步骤四、使RFID阅读器进入RFID标签的射频识别范围，传输数据。通过该方法不需要为应变片连接大量长的数据线，能够减少工作量，同时提高数据采集的效率。

Description

基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法
技术领域
本发明属于铁路隧道初期支护受力监测技术领域，具体涉及基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法。
背景技术
在隧道施工过程中，为了分析初期支护受力情况，以及为初期支护的动态设计提供参考依据，需要对钢拱架的应变进行监测。
目前通常采用的初期支护拱架受力监测方法是：通过在初期支护拱架内部焊接钢筋应变计，然后将数据线引出初期支护外，待初期支护混凝土喷射完成后，开始连接采集仪进行数据采集处理。
以上方法均需要为每一个钢筋应变计连接数据线，然后将数据线引出至每一个数据采集箱，通常数公里的隧道采用大量的数据线，工作量巨大，采集工作繁琐，工作效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，通过该方法可以不需要为应变片连接大量长的数据线，能够减少工作量，同时提高数据采集的效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，该无线监测方法如下：
使用基于射频识别技术的应变传感器，各所述应变传感器均包括：
惠斯通电桥，一个或多个，均各用于贴附对应的初期支护拱架待测应变处的表面，随初期支护拱架的变形，其两端的电压差值改变；所述惠斯通电桥由第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第二固定电阻和第一固定电阻依次导线连接组成；
RFID标签，与惠斯通电桥的数量相等；各RFID标签均对应连接一个惠斯通电桥，形成一监测单元；
各监测单元中，RFID标签接口与惠斯通电桥导线连接，用于采集惠斯通电桥的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号，并发送；
一个RFID阅读器，用于接收各RFID标签发送的射频数字信号，并将射频数字信号还原为电压差值信号，并传输；
一个数据采集处理仪，用于接收RFID阅读器传输的电压信号差值，并根据电压信号差值得出结构待测变形处的应变；
步骤一、将第一电阻式应变片贴附于初期支护拱架待测应变处的表面；
步骤二、将第二电阻式应变片固定于初期支护拱架待测应变处的周边；
RFID标签采集惠斯通电桥的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号；
步骤三、初期支护喷射混凝土，各监测单元固定于混凝土内；
步骤四、使RFID阅读器进入RFID标签的射频识别范围；
RFID阅读器向RFID标签发射信号，激活RFID标签；并接收RFID标签发送的射频数字信号，并将数字信号还原为电压差值信号，并传输；
步骤五、数据采集处理仪接收步骤三中传输的电压差值信号，根据如下公式，
Figure BDA0002765241000000031
Figure BDA0002765241000000032
求得到第一电阻式应变片的应变，即为初期支护拱架待测应变处的应变；
其中，ΔU为电压差值；e为第二电阻式应变片和第二固定电阻阻值的比；ΔR为第一电阻式应变片的阻值变化值；K为第一电阻式应变片的灵敏度；ε为第一阻式应变片的应变；R1为第一阻式应变片的初始电阻值。
进一步地，在步骤二中，第二电阻式应变片贴附位置与第一电阻式应变片的距离为1～2cm。
进一步地，使用时，RFID阅读器和数据采集处理仪均设置在隧道检测车上，由隧道检测车携带进入隧道内。
进一步地，该RFID标签包括电压信号输入口、接地端、标签射频芯片、标签天线和纽扣电池；电压信号输入口、接地端、标签天线和纽扣电池均与标签射频芯片相连接；
电压信号输入口和接地端还分别与第一连接点和第二连接点导线连接；用于采集两连接点间的电压差值信号；
纽扣电池的两极分别与第三连接点和第四连接点导线连接；
标签射频芯片用于接收电压差值信号，并将电压差值信号转化为射频数字信号，并发送至标签天线；
上述第一固定电阻和第一电阻式应变片间的连接点为第一连接点；所述第一电阻式应变片和第二电阻式应变片间的连接点为第三连接点；所述第二电阻式应变片和第二固定电阻间的连接点为第二连接点；所述第二固定电阻与第一固定电阻间的连接点为第四连接点。
进一步地，该RFID阅读器包括阅读器射频芯片)阅读器天线、数据处理模块和USB接口，所述阅读器天线、数据处理模块均与所述阅读器射频芯片相连接，所述USB接口与所述数据处理模块相连接。
所述阅读器射频芯片通过所述阅读器天线接收所述标签天线发送的射频数字信号，并传输；所述阅读器射频芯片还通过所述阅读器天线向所述标签天线发送信息；
所述数据处理模块，用于接收所述阅读器射频芯片发送的射频数字信号，并将所述射频数字信号转化为电压差值信号。
USB接口，用于接收所述数据处理模块发送的电压差值信号，并传输至数据采集处理仪。
本发明具有如下优点：
1.通过RFID标签发射射频信号进行数据传输，不需要大量数据线，减少大量导线布设工作，加快数据采集速度。
2.电阻式应变片处于惠斯通电桥中，一个电阻式应变片贴附于二次衬砌结构待测应变处，随结构变形而变形；并由RFID标签采集惠斯通电桥两端的电压差值，灵敏度高，测量数值准确。
3.惠斯通电桥中的另一个电阻式应变片设置于待测应变处周边，保证了两个电阻式应变片位于相同的温度场下，由温度变化引起的两个电阻式应变片的电阻变化相同，则可抵消温度变化对应变测量造成的误差。
4.RFID阅读器和数据采集处理仪可布置在隧道检测车上，加快了数据采集速度。
5.一个RFID阅读器可同时接收多个RFID标签的数据，随隧道检测车的前行，接收射频范围内RFID标签的数据传输，所需的设备少，且传输效率高。
附图说明
图1为基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测示意图；
图2为惠斯通电桥示意图；
图3为RFID标签示意图；
图4为RFID阅读器示意图；
图5为惠斯通电桥原理图；
其中：1.惠斯通电桥；2.RFID标签；3.初期支护拱架；4.位纽扣电池；5..RFID阅读器；6.数据采集处理仪；7.第一电阻式应变片；8.第二电阻式应变片；9.第一固定电阻；10.第二固定电阻，11.第一连接点；12.第二连接点；13.电压信号输入口；14.接地端；15.标签射频芯片；16.标签天线；17.纽扣电池；18.正极；19.负极；20.阅读器射频芯片；21.阅读器天线；22.数据处理模块；23.USB接口，24.第三连接点；25.第四连接点。
具体实施方式
本发明基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，如下：
使用基于射频识别技术的应变传感器，各应变传感器均包括：
惠斯通电桥1，一个或多个，均各用于贴附对应的初期支护拱架3待测应变处的表面，随初期支护拱架3的变形，其两端的电压差值改变；惠斯通电桥1由第一电阻式应变片7、第二电阻式应变片8、第二固定电阻10和第一固定电阻9依次导线连接组成。如图2所示。
RFID标签2，与惠斯通电桥1的数量相等；各RFID标签2均对应连接一个惠斯通电桥1，形成一监测单元。
各监测单元中，RFID标签2接口与惠斯通电桥1导线连接，用于采集惠斯通电桥1的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号，并发送。如图2所示。
一个RFID阅读器5，用于接收各RFID标签2发送的射频数字信号，并将射频数字信号还原为电压差值信号，并传输；
一个数据采集处理仪6，用于接收RFID阅读器5传输的电压信号差值，并根据电压信号差值得出结构待测变形处的应变；
步骤一、将初期支护拱架3待测应变处的表面打磨干净，将第一电阻式应变片7贴附于初期支护拱架3待测应变处的表面；
步骤二、将第二电阻式应变片8固定于待测应变处的周边；第一固定电阻9、第二固定电阻10、第二电阻式应变片8和RFID标签2封装在一保护膜中；第二电阻式应变片8固定的位置距离待测应变处的距离为1-2cm。以保证两个电阻式应变片处在同样的温度场下，两者由温度引起的电阻值的变化相通，抵消温度变化对电压差值的影响。
RFID标签2采集惠斯通电桥1的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号；
步骤三、初期支护喷射混凝土，各监测单元固定于混凝土内；
步骤四、使RFID阅读器5进入RFID标签2的射频识别范围；
RFID阅读器5向RFID标签2发射信号，激活RFID标签2；并接收RFID标签2发送的射频数字信号，并将数字信号还原为电压差值信号，并传输；
步骤五、数据采集处理仪6接收步骤三中传输的电压差值信号，根据如下公式，
Figure BDA0002765241000000071
Figure BDA0002765241000000072
求得到第一电阻式应变片7的应变，即为初期支护拱架3待测应变处的应变；
其中，ΔU为电压差值；e为第二电阻式应变片8和第二固定电阻10阻值的比；ΔR为第一电阻式应变片7的阻值变化值；K为第一电阻式应变片7的灵敏度；ε为第一阻式应变片7的应变；R1为第一阻式应变片7的初始电阻值。
在步骤二中，第二电阻式应变片8贴附位置与第一电阻式应变片7的距离为1～2cm。
使用时，RFID阅读器5和数据采集处理仪6均设置在隧道检测车上，由隧道检测车携带进入隧道内。
如图3所示，RFID标签2包括电压信号输入口13、接地端14、标签射频芯片15、标签天线16和纽扣电池17；电压信号输入口13、接地端14、标签天线16和纽扣电池17均与标签射频芯片15相连接；
电压信号输入口13和接地端14还分别与第一连接点11和第二连接点12导线连接；用于采集两连接点间的电压差值信号；
纽扣电池17的两极分别与第三连接点24和第四连接点25导线连接；
标签射频芯片15用于接收电压差值信号，并将电压差值信号转化为射频数字信号，并发送至标签天线16；
第一固定电阻9和第一电阻式应变片7间的连接点为第一连接点11；第一电阻式应变片7和第二电阻式应变片8间的连接点为第三连接点24；第二电阻式应变片8和第二固定电阻10间的连接点为第二连接点12；第二固定电阻10与第一固定电阻7间的连接点为第四连接点25。
如图4所示，RFID阅读器5包括阅读器射频芯片(20)阅读器天线21、数据处理模块22和USB接口23，阅读器天线21、数据处理模块22均与阅读器射频芯片20相连接，USB接口23与数据处理模块22相连接；
阅读器射频芯片20通过阅读器天线21接收标签天线16发送的射频数字信号，并传输；阅读器射频芯片20还通过阅读器天线21向标签天线16发送信息；
数据处理模块22，用于接收阅读器射频芯片20发送的射频数字信号，并将射频数字信号转化为电压差值信号；
USB接口23，用于接收数据处理模块22发送的电压差值信号，并传输至数据采集处理仪6。
纽扣电池17的正极18和负极19与惠斯通电桥1的第三连接点24和第四连接点25导线相连，为惠斯通电桥1供电。
上述第一电阻式应变片7和第二电阻式应变片8为完全相同的电阻式应变片，其灵敏度、阻值等参数相同，设其电阻分别为R1、R3，则R1＝R3＝R0。
上述第一固定电阻9和第二固定电阻10为阻值相同的电阻，设其电阻分别为R2、R4。由于R1:R2＝R3:R4，由分压原理可知，惠斯通电桥1为平衡电桥，第一连接点11和第一连接点12之间的电压差为0。
第一电阻式应变片7与第二电阻式应变片8放置于同一温度场下，这样，当温度发生改变时，由温度变化引起的第一电阻式应变片7与第二电阻式应变片8的阻值变化均为ΔRT。由
Figure BDA0002765241000000091
可知，惠斯通电桥1仍为平衡电桥，第一连接点11和第一连接点12之间的电压差仍为0。
当结构待测变形处变形时，第一电阻式应变片7随之发生应变，则发生很小的电阻改变ΔR，即R1＝R0+ΔR，则电桥失去平衡，第一连接点11和第二连接点12之间存电压差ΔU。
Figure BDA0002765241000000092
由于ΔU与ΔR呈线性关系，根据推导公式，利用ΔU求ΔR，再利用电阻应变片的阻值变化ΔR、灵敏度K、应变ε之间的关系：
Figure BDA0002765241000000093
其中：ΔU为第一连接点11和第二连接点12间的电压差值；
e为第二电阻式应变片8和第二固定电阻10阻值的比；
ΔR为第一电阻式应变片7的阻值变化值；
K为第一电阻式应变片7的灵敏度；
ε为第一阻式应变片7的应变；
R1为第一阻式应变片7的初始电阻值。
由上式求算得出第一电阻式应变片7处的应变ε，即为结构待测变形处的应变。
在本发明中，可以同时对多个初期支护拱架3的应变进行监测，即采用多个监测单元，各监测单元对应一个检测点。监测的数值信号存储在RFID标签2中。初期支护混凝土喷射完成之后，将RFID阅读器5通过数据线与数据采集处理仪6进行连接。进行数据采集时，将RFID阅读器5与数据采集处理仪6设置在巡检车上，巡检车前行，使RFID阅读器5进入RFID标签2的射频识别范围后，频率2.45GHZ，有效识别距离可达五十米。RFID阅读器5发射信号，激活RFID标签5。各RFID标签5通过射频信号，将信息传递给RFID阅读器5；RFID阅读器5接收到信息后，将其处理还原为电压信息，通过数据线，传输给数据采集处理仪6；数据采集处理仪6接收到电压信息后，利用其内的数据处理模块，计算待测应变处处的应变。
上述惠斯通电桥1测量应变的原理，参考图5。
a.测量应变的常用电路为惠斯通电桥。惠斯通电桥惠是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂。在电桥中有两个固定电阻，分别为R2、R4；另有R1、R3为两个完全相同的电阻应变片。R1、R2与R3、R4之间连接电压计。整个电桥两端连接电压源。当电桥平衡R1:R2＝R3:R4时，由分压原理知电压计两端电压为0。当R1发生变化时，图中A、B两点之间的电压发生变化，通过采集电压的变化就可以知道应变片电阻的变化，进而推导该处的应变，实现测量的目的。
b.影响应变片电阻的因素除应变外，还有温度。R1邻臂的R3作为温度补偿片，与R1置于同一温度场下，而不参与应变测量。这样，消除了温度对电桥测量结果的影响。
c.当电桥平衡时，R1:R2＝R3:R4，电路中，AB两点间的电势差为0。若此时应变片R1增加很小的电阻ΔR，即R1＝R0+ΔR，则电桥失去平衡，电路中AB两点间存在一定的电势差UAB。若电桥供电电源的电压为U0，根据串联电阻分压原理，并以电路中C点为零电势参考点，则电桥的输出电压为：
Figure BDA0002765241000000111
令电桥比
Figure BDA0002765241000000112
根据电桥平衡条件，
Figure BDA0002765241000000113
且当ΔR远小于R0时，略去分母中的微小项，
Figure BDA0002765241000000114
有：
Figure BDA0002765241000000115
d.由式2可知，惠斯通电桥两臂间的电压差UAB与电阻应变片的阻值变化ΔR呈线性关系。据此，可根据测量得到的UAB求算ΔR。再根据电阻应变片的灵敏度K已知与应变ε的关系：
Figure BDA0002765241000000116
求算ε。

Claims (5)

1.基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，其特征在于，该无线监测方法如下：
使用基于射频识别技术的应变传感器，各所述应变传感器均包括：
惠斯通电桥(1)，一个或多个，均各用于贴附对应的初期支护拱架(3)待测应变处的表面，随初期支护拱架(3)的变形，其两端的电压差值改变；所述惠斯通电桥(1)由第一电阻式应变片(7)、第二电阻式应变片(8)、第二固定电阻(10)和第一固定电阻(9)依次导线连接组成；
RFID标签(2)，与所述惠斯通电桥(1)的数量相等；各所述RFID标签(2)均对应连接一个所述惠斯通电桥(1)，形成一监测单元；
各监测单元中，所述RFID标签(2)接口与所述惠斯通电桥(1)导线连接，用于采集所述惠斯通电桥(1)的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号，并发送；
一个RFID阅读器(5)，用于接收各所述RFID标签(2)发送的射频数字信号，并将射频数字信号还原为电压差值信号，并传输；
一个数据采集处理仪(6)，用于接收所述RFID阅读器(5)传输的电压信号差值，并根据电压信号差值得出结构待测变形处的应变；
步骤一、将所述第一电阻式应变片(7)贴附于初期支护拱架(3)待测应变处的表面；
步骤二、将所述第二电阻式应变片(8)固定于待测应变处的周边；
所述RFID标签(2)采集所述惠斯通电桥(1)的电压差值信号，并将电压差值信号转换为射频数字信号；
步骤三、初期支护喷射混凝土，各所述监测单元固定于混凝土内；
步骤四、使RFID阅读器(5)进入所述RFID标签(2)的射频识别范围；
所述RFID阅读器(5)向所述RFID标签(2)发射信号，激活所述RFID标签(2)；并接收所述RFID标签(2)发送的射频数字信号，并将数字信号还原为电压差值信号，并传输；
步骤五、所述数据采集处理仪(6)接收所述步骤三中传输的电压差值信号，根据如下公式，
Figure FDA0002765240990000021
Figure FDA0002765240990000022
求得到所述第一电阻式应变片(7)的应变，即为所述初期支护拱架(3)待测应变处的应变；
其中，ΔU为电压差值；e为第二电阻式应变片(8)和第二固定电阻(10)阻值的比；ΔR为第一电阻式应变片(7)的阻值变化值；K为所述第一电阻式应变片(7)的灵敏度；ε为所述第一阻式应变片(7)的应变；R1为第一阻式应变片(7)的初始电阻值。
2.根据权利要求1所述的基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述第二电阻式应变片(8)贴附位置与第一电阻式应变片(7)的距离为1～2cm。
3.根据权利要求2所述的基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，其特征在于，使用时，所述RFID阅读器(5)和数据采集处理仪(6)均设置在隧道检测车上，由隧道检测车携带进入隧道内。
4.根据权利要求3所述的基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，其特征在于，所述RFID标签(2)包括电压信号输入口(13)、接地端(14)、标签射频芯片(15)、标签天线(16)和纽扣电池(17)；所述电压信号输入口(13)、接地端(14)、标签天线(16)和纽扣电池(17)均与所述标签射频芯片(15)相连接；
所述电压信号输入口(13)和接地端(14)还分别与第一连接点(11)和第二连接点(12)导线连接；用于采集两连接点间的电压差值信号；
所述纽扣电池(17)的两极分别与第三连接点(24)和第四连接点(25)导线连接；
所述标签射频芯片(15)用于接收所述电压差值信号，并将电压差值信号转化为射频数字信号，并发送至所述标签天线(16)；
所述第一固定电阻(9)和第一电阻式应变片(7)间的连接点为第一连接点(11)；所述第一电阻式应变片(7)和第二电阻式应变片(8)间的连接点为第三连接点(24)；所述第二电阻式应变片(8)和第二固定电阻(10)间的连接点为第二连接点(12)；所述第二固定电阻(10)与第一固定电阻(7)间的连接点为第四连接点(25)。
5.根据权利要求4所述的基于RFID技术的隧道初期支护拱架应变的无线监测方法，其特征在于，所述RFID阅读器(5)包括阅读器射频芯片(20)阅读器天线(21)、数据处理模块(22)和USB接口(23)，所述阅读器天线(21)、数据处理模块(22)均与所述阅读器射频芯片(20)相连接，所述USB接口(23)与所述数据处理模块(22)相连接；
所述阅读器射频芯片(20)通过所述阅读器天线(21)接收所述标签天线(16)发送的射频数字信号，并传输；所述阅读器射频芯片(20)还通过所述阅读器天线(21)向所述标签天线(16)发送信息；
所述数据处理模块(22)，用于接收所述阅读器射频芯片(20)发送的射频数字信号，并将所述射频数字信号转化为电压差值信号；
USB接口(23)，用于接收所述数据处理模块(22)发送的电压差值信号，并传输至数据采集处理仪(6)。
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