CN117990020A - 基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器、监测***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器、监测***和方法，包括下部基板、下部基板上覆曲折传输线、移动基板、移动基板下覆曲折传输线、射频芯片；所述下部基板上设有多个间隔分布的下部基板上覆曲折传输线，所述移动基板上设有多个间隔分布的移动基板下覆曲折传输线，所述下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线形成一个组合式的曲折传输线，所述下部基板外侧设有射频芯片。其优点在于，相比当前常用的与结构发生协同变形的单片式平面传感器，该组合式传感器用于结构裂缝传感时可以有效避免变形传递效率不足的问题。

Description

基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器、监测***和方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器、监测***和方法。

背景技术

土木工程结构在长期使用过程中，由于受到外界环境及荷载等因素的作用，往往会发生一定退化，结构易产生应力变形及开裂等。结构裂缝的产生会导致结构承载能力下降，严重时甚至造成结构的破坏和失效。因此，在结构的整个生命周期内，需要对结构裂缝进行监测，以便及时了解结构的服役状态，保证结构的安全可靠使用。

目前，用于结构裂缝监测的传感装置有多种类型，如基于电阻式、光纤式、振弦式等传感技术的结构裂缝传感器。这些传感器可以有效监测结构裂缝的产生，但是大部分仍需要持续的电源供应，以及采用有线的方式进行信号传输，这会导致监测***布线复杂、安装费时、费力且成本高昂，使其在实际工程结构中的应用仍受到一定的限制。此外，由于目前基于电阻应变片等的单片式的平面传感器通常需要附着在结构表面受力并与结构发生协同变形，因此通常会面临变形传递效率不足等问题。

发明内容

为了解决传统结构裂缝传感器需要有线进行信号传输和电源供应的问题，并解决单片式平面传感器变形传递效率不足的缺点，提出了一种基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感器及监测***。技术方案为：

一种基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器，包括下部基板、下部基板上覆曲折传输线、移动基板、移动基板下覆曲折传输线、射频芯片；所述下部基板上设有多个间隔分布的下部基板上覆曲折传输线，所述移动基板上设有多个间隔分布的移动基板下覆曲折传输线，所述下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线形成一个组合式的曲折传输线，所述下部基板外侧设有射频芯片。

进一步优选的，所述下部基板为高频介质板，下部基板下表面为接地平面，表面镀铜；移动基板为高频介质板；所述下部基板侧面、移动基板侧面均设有滑槽，所述滑槽内设有滑动支架。

进一步优选的，所述下部基板上覆曲折传输线材质为镀铜，移动基板下覆曲折传输线材质为镀铜；使用时，下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线紧密贴合且可以相对移动，形成一个组合式的曲折传输线。

进一步优选的，所述下部基板和/或移动基板厚度d为0.1-0.8cm；所述下部基板上覆曲折传输线和/或移动基板下覆曲折传输线宽度w为0.1-0.8cm。

一种结构裂缝监测***，包括传感器和无线阅读器；所述无线阅读器包括控制模块和数字处理模块；其中，

数字处理模块根据设置的裂缝宽度与阈值激活功率对应关系计算出各传感器安装位置的裂缝宽度变化；

控制模块向传感器发射不同频率的调制电磁波信号，当传感器射频芯片所接收到的工作频率下电磁波信号功率达到阈值激活功率时，射频芯片即可被激活工作。

一种结构裂缝监测方法，包括以下步骤:

S1.安装传感器：

将传感器安装在裂缝一侧，其中下部基板固定在结构表面，且设有下部基板上覆曲折传输线的一面在上，所述移动基板位于下部基板上方，其移动基板下覆曲折传输线的一面在下，使下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线紧密贴合且可以相对移动，形成一个组合式的曲折传输线；移动基板与刚性传动杆连接，所述刚性传动杆与固定件连接，所述固定件固定在裂缝的另一侧的地面上；

S2. 裂缝宽度的监测：

当安装于结构表面的基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感器经历裂缝宽度变化时，传感器内部组件移动基板与下部基板之间会发生相对移动，使组合式曲折传输线的总长度发生变化，并使传感器射频芯片阈值激活功率发生改变；通过该监测***可以确定不同传感器安装位置处的裂缝宽度变化量，从而实现对多个结构裂缝的监测。

进一步优选的，步骤S2中，裂缝宽度的监测步骤如下：

S21.设置初始参数：

假设传感器a的曲折传输线初始设计总长度设置为，其设计工作频率为/>，所连接射频芯片的初始阈值激活功率为/>，传感器的曲折传输线总长度对应芯片激活阈值功率灵敏度为/>，裂缝宽度增加量为/>，导致的曲折传输线总长度变为/>，n为下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线的重合个数；

S22.裂缝扩展后，传感器a射频芯片的阈值激活功率变为，传感器a安装位置处的裂缝宽度变化可以表示为：

；

S23. 通过无线阅读器发射不同功率以及不同频率的电磁波，根据各传感器射频芯片在各自工作频率下阈值激活功率的变化实现对不同位置裂缝宽度变化的监测。

与现有技术相比，本申请有益效果如下：

（1）通过电磁波进行信息传输，不需要线缆，使结构裂缝监测传感***更加简单，布置更加灵活，在自然灾害下更不容易失效。

（2）通过电磁波为传感器提供能量，不需要电源线或电池为传感***提供能量，大大减少了结构裂缝传感器安装的劳动力以及布线成本。

（3）以传感器组件相对移动导致的组合式曲折传输线总长度变化实现对裂缝宽度的传感，传感参数与目标监测变量在固定范围内有较为明确的关系。

（4）相比当前常用的与结构发生协同变形的单片式平面传感器，该组合式传感器用于结构裂缝传感时可以有效避免变形传递效率不足的问题。

（5）射频芯片可存储传感器编号和传感器安装位置等信息，该信息可由无线阅读器捕获，进而实现对裂缝传感器的快速定位。

附图说明

图1为组合式曲折传输线传感器示意图。

图2为下部基板示意图。

图3为移动基板示意图。

图4为组合式曲折传输线传感器安装示意图。

图5为基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感监测***示意图。

图6为下部基板与移动基板安装示意图。

图7为滑动支架示意图。

图中：1-下部基板，2-滑动支架，201-连接架，202-滑块，3-下部基板上覆曲折传输线，4-移动基板，5-移动基板下覆曲折传输线，6-射频芯片，7-刚性传动杆，8-固定件，11-滑槽。

具体实施方式

以下对本申请的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本申请，并非用于限定本申请的范围。

图1-图4所示，一种基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器，包括下部基板1、下部基板上覆曲折传输线3、移动基板4、移动基板下覆曲折传输线5、射频芯片6；所述下部基板1上设有多个间隔分布的下部基板上覆曲折传输线3，所述移动基板4上设有多个间隔分布的移动基板下覆曲折传输线5，所述下部基板上覆曲折传输线3与移动基板下覆曲折传输线5形成一个组合式的曲折传输线，所述下部基板1外侧设有射频芯片。

所述下部基板1为高频介质板（高频介质板可选型号：RO3010、RO3210、RT5870、RT5880），下部基板1下表面为接地平面，表面镀铜；移动基板4为高频介质板（高频介质板可选型号：RO3010、RO3210、RT5870、RT5880）；所述下部基板1侧面、移动基板4侧面均设有滑槽11，所述滑槽11内设有滑动支架2。图7所示，滑动支架2包括连接架201和与之连接的两个滑块202，两个滑块202分别安装在移动基板4和下部基板1的滑槽11中，图6所示。滑动支架2既可以保证移动基板4和下部基板1的相对移动，也可以起到限位作用，防止缝隙过大时，移动基板4和下部基板1垂直方向的位移。

所述下部基板上覆曲折传输线3材质为镀铜，移动基板下覆曲折传输线5材质为镀铜；使用时，下部基板上覆曲折传输线3与移动基板下覆曲折传输线5紧密贴合且可以相对移动，形成一个组合式的曲折传输线。

所述下部基板1和/或移动基板4厚度d为0.1-0.8cm，优先0.5cm；所述下部基板上覆曲折传输线3和/或移动基板下覆曲折传输线5宽度w为0.1-0.8cm，优先0.5cm。

一种结构裂缝监测***，包括传感器和无线阅读器9；所述无线阅读器9包括控制模块和数字处理模块；其中，

数字处理模块根据设置模块中的裂缝宽度与阈值激活功率对应关系计算出各传感器安装位置的裂缝宽度变化；

控制模块向传感器发射不同频率的调制电磁波信号，当传感器射频芯片6所接收到的工作频率下电磁波信号功率达到阈值激活功率时，射频芯片6即可被激活工作。

进一步，移动基板4与下部基板1之间可以相对移动，并导致下部基板上覆曲折传输线3与移动基板下覆曲折传输线5之间的重合长度改变，从而改变组合式曲折传输线的总长度。

进一步，组合式曲折传输线传感器安装示意图如图3所示，移动基板4通过刚性传动杆7与固定件8相连接，下部基板1与固定件8分别固定在结构裂缝的两侧。当结构裂缝发生扩展时，下部基板1与固定件8之间的相对位置发生变化，进而通过刚性传动杆7将该变化传递至移动基板4，造成移动基板4与下部基板1之间发生相对移动，使组合式曲折传输线的总长度发生变化。

进一步，射频芯片6焊接在下部基板上覆曲折传输线3端部，组合式曲折传输线作为该芯片的负载。当组合式曲折传输线的总长度发生变化时，射频芯片6在工作频率电磁波作用下的阈值激活功率会发生改变。

进一步，当组合式曲折传输线传感器安装于结构表面，裂缝宽度发生变化时，会导致组合式曲折传输线的总长度发生改变，并进而导致射频芯片6在工作频率电磁波作用下的阈值激活功率改变。根据射频芯片6的阈值激活功率改变量，既可以定量获得传感器安装位置裂缝宽度的变化。

本申请还提供一种基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感监测***，如图5所示，包括所述基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感器和无线阅读器9。无线阅读器9负责无线读取射频芯片6的信息并进行数据处理。

进一步，无线阅读器9包括无线收发模块、控制模块、调制解调模块、数字处理模块；其中无线收发模块、调制解调模块皆属于本领域通用的已知技术，不是本申请的创新点。通过无线收发模块、调制解调模块，无线阅读器9可以检测所述基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感器射频芯片阈值激活功率的变化并提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的裂缝宽度与阈值激活功率对应关系计算出各传感器安装位置的裂缝宽度变化。

其中，控制模块用于控制监测***无线阅读器9，并向安装于结构表面的基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感器发射不同频率的调制电磁波信号。各传感器曲折传输线设计为不同的尺寸，使其作为负载相连的射频芯片6的工作频段也不相同，以便于对不同位置处的传感器信号进行区分。当传感器射频芯片6所接收到的工作频率下电磁波信号功率达到阈值激活功率时，射频芯片6即可被激活工作。

进一步，传感器中的射频芯片6被激活后，组合式曲折传输线会产生电流并发射带有传感器编号和测点位置信息的电磁波信号，该信号被无线阅读器9接收并处理后可以获得传感器的编号和位置信息等。

进一步，当安装于结构表面的基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感器经历裂缝宽度变化时，传感器内部组件移动基板4与下部基板1之间会发生相对移动，使组合式曲折传输线的总长度发生变化，并使传感器射频芯片6阈值激活功率发生改变。通过该监测***可以确定不同传感器安装位置处的裂缝宽度变化量，从而实现对结构裂缝的监测传感。

本申请还涉及一种结构裂缝监测方法，包括以下步骤:

S1.安装传感器

将传感器安装在裂缝一侧，其中下部基板1固定在结构表面，且设有下部基板上覆曲折传输线3的一面在上，所述移动基板4位于下部基板1上方，其移动基板下覆曲折传输线5的一面在下，使下部基板上覆曲折传输线3与移动基板下覆曲折传输线5紧密贴合且可以相对移动，形成一个组合式的曲折传输线；移动基板4与刚性传动杆7连接，所述刚性传动杆7与固定件8连接，所述固定件8固定在裂缝的另一侧的地面上；

S2. 裂缝宽度的监测

当安装于结构表面的基于组合式曲折传输线的结构裂缝传感器经历裂缝宽度变化时，传感器内部组件移动基板4与下部基板1之间会发生相对移动，使组合式曲折传输线的总长度发生变化，并使传感器射频芯片6阈值激活功率发生改变；通过该监测***可以确定不同传感器安装位置处的裂缝宽度变化量，从而实现对多个结构裂缝的监测传感。

步骤S2中，裂缝宽度的监测步骤如下：

S21.设置初始参数：假设有2处结构裂缝，设置两个传感器，分别为传感器a和传感器b，假设传感器a的曲折传输线初始设计总长度设置为，其设计工作频率为/>，所连接射频芯片的初始阈值激活功率为/>，传感器的曲折传输线总长度对应芯片激活阈值功率灵敏度为/>，裂缝宽度增加量为/>，导致的曲折传输线总长度变为/>，n为下部基板上覆曲折传输线3与移动基板下覆曲折传输线的重合个数；

传感器b的曲折传输线初始设计总长度设置为，其设计工作频率为/>，所连接射频芯片的初始阈值激活功率为/>，传感器的曲折传输线总长度对应芯片激活阈值功率灵敏度为/>，裂缝宽度增加量为/>，导致的曲折传输线总长度变为/>。

S22. 采用传感器a和b分别对两处结构裂缝进行监测，无线阅读器9分别向两个传感器发射不同功率以及不同频率的电磁波，传感器a和和传感器b射频芯片的阈值激活功率由初始的和/>；裂缝扩展后，传感器a和和传感器b射频芯片的阈值激活功率变为和/>。

根据相应计算公式，传感器a安装位置处的裂缝宽度变化可以表示为：

；

传感器b安装位置处的裂缝宽度变化可以表示为：

。

通过无线阅读器发射不同功率以及不同频率的电磁波，根据各传感器射频芯片在各自工作频率下阈值激活功率的变化实现对不同位置裂缝宽度变化的监测。

本发明是一种基于组合式曲折传输线的无源无线结构裂缝传感器。无源是指本发明不需要通过电池或者电线进行能量输入，而是通过接收无线阅读器的电磁波进行能量输入；无线是指本发明不需要线缆进行信号传输。具体表现为，当传感器安装位置处发生结构裂缝宽度扩展时，传感器内部的组合式曲折传输线发生电磁特征参数改变，进而影响射频芯片阈值激活功率；通过无线阅读器可以无源无线获取射频芯片阈值激活功率变化，进而计算出结构裂缝宽度变化量，实现对结构裂缝的无源无线监测。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器，其特征在于，包括下部基板、下部基板上覆曲折传输线、移动基板、移动基板下覆曲折传输线、射频芯片；所述下部基板上设有多个间隔分布的下部基板上覆曲折传输线，所述移动基板上设有多个间隔分布的移动基板下覆曲折传输线，所述下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线形成一个组合式的曲折传输线，所述下部基板外侧设有射频芯片。

2.根据权利要求1所述的一种基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器，其特征在于，所述下部基板为高频介质板，下部基板下表面为接地平面，接地平面全部镀铜；移动基板为高频介质板；所述下部基板侧面、移动基板侧面均设有滑槽，所述滑槽内设有滑动支架。

3.根据权利要求1所述的一种基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器，其特征在于，所述下部基板上覆曲折传输线材质为镀铜，移动基板下覆曲折传输线材质为镀铜；使用时，下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线紧密贴合且可以相对移动，形成一个组合式的曲折传输线。

4.根据权利要求1所述的一种基于组合曲折传输线的结构裂缝传感器，其特征在于，所述下部基板和/或移动基板厚度d为0.1-0.8cm；所述下部基板上覆曲折传输线和/或移动基板下覆曲折传输线宽度w为0.1-0.8cm。

5.一种根据权利要求1-4任一所述的传感器的监测***，其特征在于，包括无线阅读器，所述无线阅读器包括控制模块和数字处理模块；其中，

数字处理模块根据设置的裂缝宽度与阈值激活功率对应关系计算出各传感器安装位置的裂缝宽度变化；

控制模块向传感器发射不同频率的调制电磁波信号，当传感器射频芯片所接收到的工作频率下电磁波信号功率达到阈值激活功率时，射频芯片即可被激活工作。

6.一种结构裂缝监测方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1.安装传感器：

将传感器安装在裂缝一侧，其中下部基板固定在结构表面，且设有下部基板上覆曲折传输线的一面在上，所述移动基板位于下部基板上方，其移动基板下覆曲折传输线的一面在下，使下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线紧密贴合且可以相对移动，形成一个组合式的曲折传输线；移动基板与刚性传动杆连接，所述刚性传动杆与固定件连接，所述固定件固定在裂缝的另一侧的地面上；

S2. 裂缝宽度的监测：

当安装于结构表面的传感器经历裂缝宽度变化时，传感器的移动基板与下部基板之间会发生相对移动，使组合式曲折传输线的总长度发生变化，并使传感器的射频芯片阈值激活功率发生改变；通过监测***确定不同传感器安装位置处的裂缝宽度变化量，从而实现对多个结构裂缝的监测。

7.根据权利要求6所述的结构裂缝监测方法，其特征在于，步骤S2中，裂缝宽度的监测步骤如下：

S21.设置初始参数：

假设传感器a的曲折传输线初始设计总长度设置为，其设计工作频率为/>，所连接射频芯片的初始阈值激活功率为/>，传感器的曲折传输线总长度对应芯片激活阈值功率灵敏度为/>，裂缝宽度增加量为/>，导致的曲折传输线总长度变为/>，n为下部基板上覆曲折传输线与移动基板下覆曲折传输线的重合个数；

S22.裂缝扩展后，传感器a射频芯片的阈值激活功率变为，传感器a安装位置处的裂缝宽度变化可以表示为：

；

S23. 通过无线阅读器发射不同功率以及不同频率的电磁波，根据各传感器射频芯片在各自工作频率下阈值激活功率的变化实现对不同位置裂缝宽度变化的监测。