CN107946759A - 一种基于微带天线式rfid标签的阵列应变传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，其作为一种无源无线的新型检测技术，运用到风机叶片应变的检测中，克服了传统监测结构复杂的缺陷，低成本、提升检测距离，降低环境的干扰，扩大检测范围，对风机叶片结构的健康监测，具有重要意义。标签传感器包括标签天线和标签芯片，其特征是标签天线是由金属辐射面，介质基层，金属接地层组成，标签一端为辐射端，另一端为匹配端，通过标签谐振频率的偏移量与应变的关系，实现结构应变监测。由于每个标签芯片上存储着唯一的标签信息，阅读器可以同时读取多个标签信息，本发明将多个标签埋置在风机叶片中，阵列排布，实现大面积的应力监测，实现传感器的功能。

Description

一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器
技术领域
本发明属于结构健康监测技术和天线技术领域，设计一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器。
背景技术
风能是无污染的能源之一，也是可再生的能源类型。作为将风能转化为电能的主要设备，风力发电机的平稳运行与生产安全息息相关。因此，对风机叶片的监测也至关重要。造成风电机组叶片失效的原因是风机在运行过程中会承受载荷，当载荷达到叶片结构所能承受的强度极限时，叶片会产生裂纹直至断裂。目前现行的风机叶片表面缺陷检测方法包括地面敲击辨音、望远镜观测，以及将其拆下进行离线检测，耗时耗力，精度也无法保证。
为了克服传统监测结构复杂的缺点，本文将无线射频识别(Radio FrequencyIdentification，RFID)技术与传感器技术相结合，提出一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，降低成本、提升检测距离，对风机结构的健康监测具有重要意义。RFID系统主要由标签和阅读器两个部分组成，其中标签包括：天线和芯片。将标签直接作为传感器使用，利用超高频RFID系统通过电磁波相互工作的原理，把标签天线设计成微带天线形式，接收RFID阅读器传来的能量，传输到标签芯片将传感器激活，芯片再通过信号调制技术，消除环境带来的噪声干扰，将标签天线谐振频率变化的信息返回给阅读器，实现无源无线的应变检测，由于每个标签芯片上存储着唯一的信息，利用阅读器可以同时读取多个标签的功能，本发明将多个标签传感器埋置在风机叶片结构中，实现大面积应力监测。
发明内容
本发明采用的技术方案是设计一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，具有成本低和非接触式实时监测等优点，完全可以满足实验分析的需要。传感器的整体装配图如图1所示，内部结构示意图如图2和3所示。
本发明采用的技术方案为一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，该传感器由标签天线和标签芯片(4)组成。标签天线包括金属辐射面(1)、短路墙(2)、第一馈线(3)、第二馈线(5)、介质基层(6)、金属接地板(7)和短路孔(8)；标签天线用于接收阅读器传来的电磁波能量并传输到标签芯片(4)，以激活传感器；金属辐射面(1)和介质基层(6)决定标签天线的谐振频率；标签芯片(4)能与阅读器进行数据通信，标签芯片(4)位于第一馈线(3)和第二馈线(5)之间，第一馈线(3)嵌入到凹槽(9)中然后与金属辐射面(1)连接，第二馈线(5)通过短路孔与金属接地板(7)连接，短路墙(2)设置在金属辐射面(1)的侧部，金属辐射面(1)通过短路墙(2)与金属接地板(7)相连。
金属辐射面(1)长度范围为50mm～55mm，宽度范围为50mm～55mm，厚度范围为0.017mm。金属辐射元(1)通过第一馈线(3)与芯片(4)正极相连，负极与第二馈线(5)相连，第一馈线(3)的长度范围为5mm～10mm，宽度范围为1mm～3mm；第二馈线(5)长度范围为5mm～20mm，宽度为1mm～3mm。
标签传感器与被测结构相贴合，即标签传感器的金属接地板(7)的下表面通过胶水粘合在被测结构的应变集中处，当被测结构受力形变时，被设计成微带天线形式的标签天线尺寸也会跟着改变，谐振频率会发生偏移，标签芯片再通过信号调制技术，消除环境带来的噪声干扰，将标签天线谐振频率的漂移信息通过传感器传递给外部设备，实现应变量的非接触式检测。
对于标签传感器，将标签芯片与标签天线直接相连，当两者阻抗共轭匹配时，满足工作需求。金属辐射面(1)末端设有凹槽(9)，第一馈线(3)嵌入到凹槽(9)中连接金属辐射面，通过改变调第一馈线(3)的长和宽，调节标签天线实部阻抗；金属辐射面(1)，第一馈线(3)，第二馈线(5)下表面与介质基层(6)上表面贴合，介质基层(6)下表面与金属接地板(7)的上表面贴合。第二馈线(5)通过短路孔(2)与金属接地板(7)相连形成短路短截线，调节标签天线虚部阻抗，金属辐射面(1)通过短路墙(2)与金属接地板(7)相连，形成λ/4矩形贴片天线，用于减小天线尺寸。
介质基层(9)是高频板材材料，其长度取值在80mm～100mm，宽度取值在80mm～100mm，厚度d取值在0.254mm～0.787mm。介质基层(6)与金属接地板(7)粘结，金属接地板(7)的长宽尺寸与介质基层(6)的长宽尺寸相同。其中，金属辐射面(1)，第一馈线(3)，第二馈线(5)，介质基层(6)，金属接地板(7)的厚度与金属辐射面(1)一致。
金属辐射面(1)、第一馈线(3)、第二馈线(5)、金属接地板(7)均为铜箔片。
根据标签芯片具有唯一编码的特点，利用外部通信设备同时读取多个标签传感器，实现大面积应力监测。
附图说明
图1传感器整体装配图；
图2传感器俯视图；
图3传感器侧视图；
图4传感器阵列分布图；
图5传感器激活能量图；
具体实施方式
如图1-5所示，介质基层(6)材料选择罗杰斯高频板，介电常数为2.2，传感器上的两层导体层：包括金属辐射面(1)短路墙(2)，第一馈线(3)，芯片(4)，第二馈线(5)，介质基层(6)，金属底板(7)，短路孔(8)均选用铜箔作为材料，传感器主要参数尺寸由下表1所示：
表1传感器尺寸参数表
将标签天线设计成微带天线形式，接受阅读器传来的能量，能量传输到标签芯片并激活传感器(激活传感器的最小能量，被称为标签传感器的激活阈值)，当标签天线处于谐振频率时，传感器接受能量的效率最高，所以标签天线谐振频率处所需的激活能量即为传感器的激活阈值。传感器工作频率为860MHz-960MHz，激活能量图如图5所示，其最低点即为谐振频率点，根据谐振频率点的偏移量来表征应变，灵敏度约为0.915kHz/με。

Claims (7)

1.一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，其特征在于：该传感器由标签天线和标签芯片(4)组成；标签天线包括金属辐射面(1)、短路墙(2)、第一馈线(3)、第二馈线(5)、介质基层(6)、金属接地板(7)和短路孔(8)；标签天线用于接收阅读器传来的电磁波能量并传输到标签芯片(4)，以激活传感器；金属辐射面(1)和介质基层(6)决定标签天线的谐振频率；标签芯片(4)能与阅读器进行数据通信，标签芯片(4)位于第一馈线(3)和第二馈线(5)之间，第一馈线(3)嵌入到凹槽(9)中然后与金属辐射面(1)连接，第二馈线(5)通过短路孔与金属接地板(7)连接，短路墙(2)设置在金属辐射面(1)的侧部，金属辐射面(1)通过短路墙(2)与金属接地板(7)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，其特征在于：金属辐射面(1)长度范围为50mm～55mm，宽度范围为50mm～55mm，厚度范围为0.017mm；金属辐射元(1)通过第一馈线(3)与芯片(4)正极相连，负极与第二馈线(5)相连，第一馈线(3)的长度范围为5mm～10mm，宽度范围为1mm～3mm；第二馈线(5)长度范围为5mm～20mm，宽度为1mm～3mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，其特征在于：标签传感器与被测结构相贴合，即标签传感器的金属接地板(7)的下表面通过胶水粘合在被测结构的应变集中处，当被测结构受力形变时，被设计成微带天线形式的标签天线尺寸也会跟着改变，谐振频率会发生偏移，标签芯片再通过信号调制技术，消除环境带来的噪声干扰，将标签天线谐振频率的漂移信息通过传感器传递给外部设备，实现应变量的非接触式检测。
4.根据权利要求1所述的一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，其特征在于：对于标签传感器，将标签芯片与标签天线直接相连，当两者阻抗共轭匹配时，满足工作需求；金属辐射面(1)末端设有凹槽(9)，第一馈线(3)嵌入到凹槽(9)中连接金属辐射面，通过改变调第一馈线(3)的长和宽，调节标签天线实部阻抗；金属辐射面(1)，第一馈线(3)，第二馈线(5)下表面与介质基层(6)上表面贴合，介质基层(6)下表面与金属接地板(7)的上表面贴合；第二馈线(5)通过短路孔(2)与金属接地板(7)相连形成短路短截线，调节标签天线虚部阻抗，金属辐射面(1)通过短路墙(2)与金属接地板(7)相连，形成λ/4矩形贴片天线，用于减小天线尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，其特征在于：介质基层(9)是高频板材材料，其长度取值在80mm～100mm，宽度取值在80mm～100mm，厚度d取值在0.254mm～0.787mm；介质基层(6)与金属接地板(7)粘结，金属接地板(7)的长宽尺寸与介质基层(6)的长宽尺寸相同；其中，金属辐射面(1)，第一馈线(3)，第二馈线(5)，介质基层(6)，金属接地板(7)的厚度与金属辐射面(1)一致。
6.根据权利要求1所述的一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，其特征在于：金属辐射面(1)、第一馈线(3)、第二馈线(5)、金属接地板(7)均为铜箔片。
7.根据权利要求1所述的一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，其特征在于：根据标签芯片具有唯一编码的特点，利用外部通信设备同时读取多个标签传感器，实现大面积应力监测。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109159506A (zh) * 2018-07-27 2019-01-08 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种柔性uhf rfid抗金属标签
CN109211978A (zh) * 2018-07-26 2019-01-15 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种裂纹传感标签及方法
CN110048218A (zh) * 2019-04-28 2019-07-23 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种具有谐波抑制功能的微带天线
CN110110834A (zh) * 2019-04-15 2019-08-09 同济大学 基于倒f天线的无源无线rfid位移传感器及传感系统
CN110375686A (zh) * 2019-07-09 2019-10-25 武汉理工大学 用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感器阵列
CN111079251A (zh) * 2019-11-11 2020-04-28 同济大学 一种3bit标签的射频识别无源应变传感器
CN111486995A (zh) * 2020-04-08 2020-08-04 清华大学 一种微小力实时监测的方法及装置
CN111665032A (zh) * 2020-06-11 2020-09-15 浙江大学 基于无源rfid应变传感器的索力监测装置及监测索力的方法
CN112397874A (zh) * 2020-10-30 2021-02-23 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 射频识别rfid抗金属微带标签天线
CN112485330A (zh) * 2020-11-06 2021-03-12 北京工业大学 一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器
CN113108685A (zh) * 2021-04-12 2021-07-13 吉林大学 一种减材双频差分式微带天线应变传感器及方法
CN113465491A (zh) * 2021-07-01 2021-10-01 四川大学 基于小型化标签传感器阵列的应变传感监测系统和方法
CN116253256A (zh) * 2023-05-16 2023-06-13 河南科技学院 一种塔式起重机标准节连接螺栓组件及状态检测方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101355195A (zh) * 2008-08-29 2009-01-28 浙江大学 超高频射频识双频带抗金属标签天线
CN101527390A (zh) * 2008-03-03 2009-09-09 中兴通讯股份有限公司 一种抗金属电子标签天线
CN101777693A (zh) * 2010-03-12 2010-07-14 浙江大学 平面结构超高频射频识别抗金属标签天线
CN102437421A (zh) * 2011-09-07 2012-05-02 北京邮电大学 一款应用于uhf频段rfid系统的抗金属标签天线
CN106839965A (zh) * 2017-03-13 2017-06-13 同济大学 用于测量金属构件表面应变的标签、测量系统及其应用方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101527390A (zh) * 2008-03-03 2009-09-09 中兴通讯股份有限公司 一种抗金属电子标签天线
CN101355195A (zh) * 2008-08-29 2009-01-28 浙江大学 超高频射频识双频带抗金属标签天线
CN101777693A (zh) * 2010-03-12 2010-07-14 浙江大学 平面结构超高频射频识别抗金属标签天线
CN102437421A (zh) * 2011-09-07 2012-05-02 北京邮电大学 一款应用于uhf频段rfid系统的抗金属标签天线
CN106839965A (zh) * 2017-03-13 2017-06-13 同济大学 用于测量金属构件表面应变的标签、测量系统及其应用方法

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109211978A (zh) * 2018-07-26 2019-01-15 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种裂纹传感标签及方法
CN109211978B (zh) * 2018-07-26 2020-11-24 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种裂纹传感标签及方法
CN109159506B (zh) * 2018-07-27 2020-11-24 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种柔性uhf rfid抗金属标签
CN109159506A (zh) * 2018-07-27 2019-01-08 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种柔性uhf rfid抗金属标签
CN110110834A (zh) * 2019-04-15 2019-08-09 同济大学 基于倒f天线的无源无线rfid位移传感器及传感系统
CN110110834B (zh) * 2019-04-15 2024-04-26 同济大学 基于倒f天线的无源无线rfid位移传感器及传感系统
CN110048218A (zh) * 2019-04-28 2019-07-23 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种具有谐波抑制功能的微带天线
CN110375686A (zh) * 2019-07-09 2019-10-25 武汉理工大学 用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感器阵列
CN110375686B (zh) * 2019-07-09 2021-07-23 武汉理工大学 用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感器阵列
CN111079251A (zh) * 2019-11-11 2020-04-28 同济大学 一种3bit标签的射频识别无源应变传感器
CN111079251B (zh) * 2019-11-11 2024-01-30 同济大学 一种3bit标签的射频识别无源应变传感器
CN111486995A (zh) * 2020-04-08 2020-08-04 清华大学 一种微小力实时监测的方法及装置
CN111665032A (zh) * 2020-06-11 2020-09-15 浙江大学 基于无源rfid应变传感器的索力监测装置及监测索力的方法
CN112397874A (zh) * 2020-10-30 2021-02-23 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 射频识别rfid抗金属微带标签天线
CN112485330A (zh) * 2020-11-06 2021-03-12 北京工业大学 一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器
CN113108685B (zh) * 2021-04-12 2022-02-08 吉林大学 一种减材双频差分式微带天线应变传感器及方法
CN113108685A (zh) * 2021-04-12 2021-07-13 吉林大学 一种减材双频差分式微带天线应变传感器及方法
CN113465491A (zh) * 2021-07-01 2021-10-01 四川大学 基于小型化标签传感器阵列的应变传感监测系统和方法
CN116253256A (zh) * 2023-05-16 2023-06-13 河南科技学院 一种塔式起重机标准节连接螺栓组件及状态检测方法
CN116253256B (zh) * 2023-05-16 2023-07-21 河南科技学院 一种塔式起重机标准节连接螺栓组件及状态检测方法

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