CN108593713A - 基于rfid技术的无源无线贴片天线传感器及无线测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RFID技术的无源无线贴片天线传感器及无线测量方法，其中无源无线贴片天线传感器包括RFID芯片和贴片天线，所述贴片天线包括介质基片，该介质基片的一面固定在被测金属板上，另一面加工出金属贴片，该金属贴片包括微带贴片和T型微带线，微带贴片和T型微带线之间连接RFID芯片。本发明结合RFID技术与天线传感器的优点，信号调制功能排除背景反射干扰信号的影响，结构简单，工作可靠性高，可实现无源无线测量，符合现代化结构健康监测技术对传感器节点的基本需求，具有极大的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及结构健康监测及天线技术领域，具体涉及一种基于RFID技术的无源无线贴片天线传感器及其无线测量方法。
背景技术
金属结构在现代工程中的使用量极为庞大。大型金属结构常年工作在恶劣的环境中，并长期承受重载及疲劳载荷，难以避免地会产生各种损伤和缺陷。当损伤和缺陷积累到一定程度时，会造成金属结构的承载能力和抗疲劳性能降低，酿成极其严重的后果。因此，采用可靠、实用的技术手段监测金属结构，及时检测出结构中的损伤，进而采取相应的预防措施对减少或避免结构性失效事故的发生具有重要意义。
传统的结构损伤检测与健康监测技术历经几十年的发展，已经形成了一个较完善的理论体系，但在实际应用中仍存在一系列问题，制约了其应用和推广。贴片天线在通信领域应用广泛，因其体积小且容易与载体表面共形，被大量用于飞机、导弹等具有曲面外形的装备上。有学者将贴片天线理论用于金属结构的应变及裂纹检测，设计了一种贴片天线传感器。但是，天线传感器采用电磁散射技术实现无线传感，不可避免的受到背景反射信号的干扰。为提高信号识别的准确度，增加天线传感器的无线读取距离，采用合理的信号调制技术，从混杂背景反射信号的反射信号中提取天线反射信号，具有重要的工程应用价值。
发明内容
为克服现有天线传感器无线测量技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单，工作可靠性高，可实现无源无线测量，且符合现代化结构健康监测技术对传感器节点的基本需求的基于RFID技术的贴片天线传感器及其无线测量方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于RFID技术的无源无线贴片天线传感器，包括RFID芯片和贴片天线，所述贴片天线包括介质基片，该介质基片的一面固定在被测金属板上，另一面加工出金属贴片，该金属贴片包括微带贴片和T型微带线，微带贴片和T型微带线之间连接RFID芯片。
接上述技术方案，所述微带贴片为带有凹槽的矩形，凹槽内设有内馈微带线和RFID芯片，T型微带线的水平短截线底部通过RFID芯片与内馈微带线连接。
接上述技术方案，所述RFID芯片采用卷边、导电胶或焊接工艺固定在贴片天线上。
接上述技术方案，所述RFID芯片为UHF频段的两引脚的无源RFID芯片。
本发明还提供了一种RFID天线传感器无线测量装置，包括控制端PC机、RFID读写器、远距离读取天线和RFID天线传感器；所述控制端PC机与所述RFID读写器连接，所述RFID读写器与所述远距离读取天线连接，所述RFID天线传感器粘接于被测金属结构上；
所述RFID天线传感器为权利要求1-4中任一项所述的无源无线贴片天线传感器；
所述控制端PC机运行RFID读写程序；
所述远距离读取天线控制RFID读写器对RFID天线传感器进行读写操作，所述RFID读写器调整无线读取信号的功率及频率，所述远距离读取天线发射无线读取信号给所述RFID天线传感器，所述RFID天线传感器感知结构应变/裂纹并反射调制信号给所述远距离读取天线。
接上述技术方案，所述RFID读写器工作时，分别测量不同读取频率f下，激活RFID天线传感器的无线读取信号功率阈值P1(f)，绘制无线读取信号的“频率f-功率阈值P1(f)”曲线，识别曲线的最低点，并提取RFID天线传感器的谐振频率。
本发明还提供了一种基于上述技术方案的RFID天线传感器无线测量方法，包括以下步骤：
将RFID天线传感器粘接于被测金属结构上；
控制端PC机运行RFID读写程序；
由远距离读取天线控制RFID读写器读取RFID天线传感器的信号，测量其谐振频率；
其中测量谐振频率的具体过程为：
RFID天线传感器中功率信号从贴片天线传递到RFID芯片，当读取频率f与RFID天线传感器的谐振频率相等时，贴片天线与RFID芯片的阻抗实现共轭匹配，此时，激活RFID天线传感器的无线读取信号功率阈值达到最小值，通过识别“频率f-功率阈值P1(f)”曲线的极小值，提取RFID天线传感器的谐振频率实现对被测结构应变/裂纹的测量；其中无线读取信号的功率阈值P1(f)为：
其中c为真空中的光速，G1、G2分别为RFID读写器的天线和贴片天线的增益，d为RFID读写器的天线与贴片天线的距离，η为功率反射系数，PC为RFID芯片的最小输入功率。
本发明产生的有益效果是：本发明将RFID技术应用于无损检测领域，结合了RFID技术与贴片天线传感器的优点，设计了一种基于RFID技术的无源无线天线传感器；提供了一种利用T型微带线的水平短截线调整贴片天线阻抗虚部的简易方法，便于快速实现RFID芯片与贴片天线的共轭阻抗匹配；提出了一种贴片天线传感器的无线测量方法，能从夹杂背景反射信号的干扰信号中准确识别贴片天线传感器的反射信号，信号识别准确性高、稳定性好，测量距离相对于现有的贴片天线传感器无线测量方法有明显提升，可实现1m以上的无线测量。本发明实现了贴片天线传感器的无线测量，符合现代化结构健康监测技术对传感器节点的基本需求，具有极大的工程应用价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的RFID天线传感器结构示意图；
图2是本发明的无线测量装置示意图；
图3是本发明的贴片天线回波损耗图；
图4是本发明的贴片天线阻抗仿真图；
图5是本发明实例的谐振频率测量结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明基于RFID技术的无源无线天线传感器包括RFID芯片和贴片天线。贴片天线包括金属贴片3和介质基片4。所述贴片天线包括介质基片4，该介质基片4的一面固定在接地板5(通常进行实测时，将在介质基片上加工微带贴片，将介质基片粘接于被测金属板，此时，被测金属板作为贴片天线的接地板)上，另一面加工出金属贴片，该金属贴片包括微带贴片3和T型微带线1，微带贴片3和T型微带线1之间连接RFID芯片2。金属贴片加工方法包括沉积、刻蚀及腐蚀。
所述微带贴片3为带有凹槽的矩形，凹槽内设有内馈微带线和RFID芯片。T性微带线1用于调整贴片天线的特征阻抗。T型微带线1包括水平短截线及垂直短截线。微带贴片3的微带线内嵌深度(即凹槽深度)用于调整贴片天线的阻抗实部，T型微带线1的水平短截线长度用于调整贴片天线的阻抗虚部。T型微带线1的水平短截线底部通过RFID芯片2与内馈微带线连接。微带贴片3作为传感单元感应被测结构的应变及裂纹缺陷。改变水平短截线的长度，可调整贴片天线阻抗的虚部。水平短截线的长度增加时，贴片天线阻抗的虚部相应变大。垂直短截线与水平短截线的顶部搭接，其长度和宽度均会稍稍影响贴片天线特征阻抗的实部与虚部，可用于特征阻抗实部与虚部的微调。合理调整T型微带线1的水平短截线及垂直短截线的尺寸，可方便的调整贴片天线的特征阻抗。
RFID芯片2具有信号调制功能，一般采用幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)的信号调制方式。类似于雷达波的信号调制，ASK及PSK调制方式的对象分别是传感器电流信号的幅值和相位。微带贴片3产生的电流信号经由RFID芯片2的内部电路调制后，其幅值或相位产生显著的变化。电流信号经由微带贴片3向自由空间辐射，明显区别于背景反射信号等干扰信号，能够轻易被RFID读写器7识别。
微带贴片3具有应变敏感性及裂纹敏感性。当贴片天线传感器主要用于结构的应变测量时，微带贴片3在被测结构受载时随结构产生变形，物理尺寸发生伸长或缩短，其表面电流的电路径长度发生变化，进而引起贴片天线传感器的谐振频率的改变。当贴片天线传感器主要用于结构裂纹缺陷测量时，被测金属结构萌生表面裂纹后，微带贴片3的表面电流分布发生变化，电流路径绕过裂纹尖端，电路径长度发生变化，进而影响贴片天线传感器的谐振频率。贴片天线传感器结构简单，测量过程及信号处理方法简便易行，是无源无线传感器领域的一种新型传感器。
RFID芯片2采用卷边、导电胶或焊接工艺固定在贴片天线上。
金属贴片与接地板5均为良导体材料，包括铜箔、纳米银材料；介质基片4采用绝缘材料，包括FR4、Rogers等PCB板材及聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚酯等柔性介质材料。
RFID芯片2可选用商用UHF频段两引脚EPC Class-1 Generation-2协议的无源RFID芯片，包括NXP、Higgins或Alien。RFID芯片2的引脚LA连接贴片天线的内馈微带线，引脚LB连接外伸T型微带线。
所述贴片天线的谐振频率与基质材料、贴片尺寸有关，其谐振频率的计算公式如下：
式中：εre为基质材料的有效介电常数，c为真空中的光速，Le为金属贴片的有效电流长度，f为贴片天线的谐振频率。
本发明实施例的RFID天线传感器无线测量装置如图2所示。测量装置包括控制端PC机6、RFID读写器7、远距离读取天线8和RFID天线传感器9。控制端PC机6连接RFID读写器7，RFID读写器7连接远距离读取天线8，RFID天线传感器9粘接于接地板5上。控制端PC机6运行RFID读写程序，由远距离读取天线8控制RFID读写器7读取RFID天线传感器9的信号，测量其谐振频率。
RFID天线传感器无线测量原理如下：
设RFID读写器发射的无线读取信号功率为P1，贴片天线接收信号的功率为P2，RFID芯片接收信号的功率为P3，RFID芯片的最小输入功率(激活功率)为PC。
由福理叶斯自由空间公式计算无线读取信号功率P1、贴片天线接收信号的功率P2之间的关系如下：
式中：G1、G2分别为阅读器天线和贴片天线的增益，d为阅读器与贴片天线的距离，λ为无线读取信号的波长。
RFID天线传感器中功率信号从贴片天线传递到RFID芯片，类似于电池(具有内部阻抗)给外部载荷供能。当且仅当电源(此处为贴片天线)的阻抗与负载(RFID芯片)的阻抗共轭匹配时，能量传输效率达到最大。当贴片天线与RFID芯片之间出现阻抗失配时，传递给RFID芯片的一部分能量被反射回贴片天线。RFID天线传感器的功率反射系数η用于衡量反射信号的强度，其计算公式为：
式中：ZL和ZA分别为RFID芯片和贴片天线的特征阻抗。RFID芯片与贴片天线的特征阻抗均为无线读取信号频率f的函数。上标“*”表示贴片天线阻抗的共轭。
贴片天线传递的能量P2与RFID芯片接收功率P3之间的关系，可由功率反射系数η表示：
P3＝(1-η(f))P2 (4)
RFID芯片的接收灵敏度下限(最小输入功率)是一个与UHF频段无线读取信号频率无关的常量。对于特定读取频率f，记录激活RFID天线传感器时的无线读取信号功率阈值P1。将阅读器调整为功率阈值测量模式，在每个读取频率点处，阅读器会自动增大无线读取信号的功率P1，将识别到RFID芯片信号的临界功率记为激活RFID芯片的无线读取信号功率阈值P1。因此，RFID芯片接收信号的功率P3处于激活RFID芯片临界值时：
P3＝PC (5)
将上式带入式(4)、(6)，无线读取信号功率阈值为：
由式(6)可知，激活RFID芯片的无线读取信号功率阈值是无线读取信号频率f的函数。在设计RFID天线传感器时，将贴片天线的工作频率调整到915MHz，且保证贴片天线在915MHz时的特征阻抗为RFID芯片的共轭值。当读取频率f与RFID天线传感器的谐振频率相等时，贴片天线与RFID芯片的阻抗实现共轭匹配。此时，激活RFID天线传感器的无线读取信号功率阈值达到最小值，这意味着无线读取信号的“频率f-功率阈值P1(f)”曲线在RFID天线传感器的谐振频率处达到最低点。因此，通过识别“频率f-功率阈值P1(f)”曲线的极小值可提取RFID天线传感器的谐振频率。由贴片天线对应变/裂纹敏感的特性，贴片应变和接地板裂纹均会改变贴片上的电流路径，引起贴片天线的谐振频率改变。实际测量过程中，将被测金属结构作为贴片天线的接地板，记录贴片天线的谐振频率变化可实现对被测金属结构应变/裂纹的测量。通常在介质基片的底面加工铜箔作为接地板，以便于进行试验研究。实际测量中，被测金属结构才是真正的接地板，此时贴片天线介质基片的底面通常不加工铜箔，而是直接将介质基片的底部粘接于被测金属结构上。这样一来，被测金属结构受载及表面萌生裂纹时，贴片天线的谐振频率会相应发生变化，进而通过无线测量方法实现对被测金属结构健康状态的无线监测。
本发明的一个较佳实施例中，选用的RFID芯片为NXP公司SL3S1002AC2两引脚芯片，接收灵敏度下限为-15dBm，915MHz时的特征阻抗为13.3-j122Ω。贴片天线的基质材料为FR4(环氧玻璃布层压板)，尺寸为105mm*46mm*1mm。金属贴片为厚度0.05mm铜箔，矩形微带贴片尺寸为82mm*40mm，微带线内嵌深度为10mm，内嵌宽度为6mm，微带线宽度为3mm；T型微带线宽度为3mm，水平短截线长度15mm，垂直短截线长度40mm。接地板材料为铜箔，尺寸为105mm*46mm*0.05mm。贴片天线的回波损耗如图3所示，谐振频率为915.2MHz；特征阻抗如图4所示，在谐振频率处的阻抗为13.2+j119.4Ω，基本与RFID芯片实现共轭匹配。
无线测量装置连接方式如图2所示。控制端PC机为ThinkPad E530C笔记本电脑，RFID读写器为CF-RU6403，远距离读取天线为CF-RA1201。RFID天线传感器制作完成后，利用A、B胶将RFID天线传感器粘贴于被测结构上。在笔记本电脑上运行RFID控制程序，将RFID读写器的读取天线正对RFID天线传感器。RFID读写器工作时分别测量不同读取频率f下，激活RFID天线传感器的无线读取信号功率阈值P1(f)。绘制无线读取信号的“频率f-功率阈值P1(f)”曲线，识别曲线的最低点提取RFID天线传感器的谐振频率。本实例中读取天线与RFID天线传感器距离为1.6m，“频率f-功率阈值P1(f)”曲线如图5所示。
本发明将RFID技术应用于无损检测领域，结合了RFID技术与贴片天线传感器的优点，利用T型微带线的水平短截线调整贴片天线阻抗虚部的简易方法，便于快速实现RFID芯片与贴片天线的共轭阻抗匹配；本发明的贴片天线传感器的无线测量方法，能从夹杂背景反射信号的干扰信号中准确识别贴片天线传感器的反射信号，信号识别准确性高、稳定性好，测量距离相对于现有的贴片天线传感器无线测量方法有明显提升，可实现1m以上的无线测量。
本发明结合RFID技术与天线传感器的优点，信号调制功能排除背景反射干扰信号的影响，结构简单，工作可靠性高，可实现无源无线测量，符合现代化结构健康监测技术对传感器节点的基本需求，具有极大的工程应用价值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于RFID技术的无源无线贴片天线传感器，其特征在于，包括RFID芯片和贴片天线，所述贴片天线包括介质基片，该介质基片的一面固定在被测金属板上，另一面加工出金属贴片，该金属贴片包括微带贴片和T型微带线，微带贴片和T型微带线之间连接RFID芯片。
2.根据权利要求1所述的基于RFID技术的无源无线贴片天线传感器，其特征在于，所述微带贴片为带有凹槽的矩形，凹槽内设有内馈微带线和RFID芯片，T型微带线的水平短截线底部通过RFID芯片与内馈微带线连接。
3.根据权利要求1所述的基于RFID技术的无源无线贴片天线传感器，其特征在于，所述RFID芯片采用卷边、导电胶或焊接工艺固定在贴片天线上。
4.根据权利要求1所述的基于RFID技术的无源无线贴片天线传感器，其特征在于，所述RFID芯片为UHF频段的两引脚的无源RFID芯片。
5.一种RFID天线传感器无线测量装置，其特征在于，包括控制端PC机、RFID读写器、远距离读取天线和RFID天线传感器；所述控制端PC机与所述RFID读写器连接，所述RFID读写器与所述远距离读取天线连接，所述RFID天线传感器粘接于被测金属结构上；
所述RFID天线传感器为权利要求1-4中任一项所述的无源无线贴片天线传感器；
所述控制端PC机运行RFID读写程序；
所述远距离读取天线控制RFID读写器对RFID天线传感器进行读写操作，所述RFID读写器调整无线读取信号的功率及频率，所述远距离读取天线发射无线读取信号给所述RFID天线传感器，所述RFID天线传感器感知结构应变/裂纹并反射调制信号给所述远距离读取天线。
6.根据权利要求5所述的RFID天线传感器无线测量装置，其特征在于，所述RFID读写器工作时，分别测量不同读取频率f下，激活RFID天线传感器的无线读取信号功率阈值P1(f)，绘制无线读取信号的“频率f-功率阈值P1(f)”曲线，识别曲线的最低点，并提取RFID天线传感器的谐振频率。
7.一种基于权利要求6的RFID天线传感器无线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将RFID天线传感器粘接于被测金属结构上；
控制端PC机运行RFID读写程序；
由远距离读取天线控制RFID读写器读取RFID天线传感器的信号，测量其谐振频率；
其中测量谐振频率的具体过程为：
RFID天线传感器中功率信号从贴片天线传递到RFID芯片，当读取频率f与RFID天线传感器的谐振频率相等时，贴片天线与RFID芯片的阻抗实现共轭匹配，此时，激活RFID天线传感器的无线读取信号功率阈值达到最小值，通过识别“频率f-功率阈值P1(f)”曲线的极小值，提取RFID天线传感器的谐振频率实现对被测结构应变/裂纹的测量；其中无线读取信号的功率阈值P1(f)为：
其中c为真空中的光速，G1、G2分别为RFID读写器的天线和贴片天线的增益，d为RFID读写器的天线与贴片天线的距离，η为功率反射系数，PC为RFID芯片的最小输入功率。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110017760A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-07-16 | 同济大学 | 基于螺旋天线的无源无线位移传感器及位移传感系统 |
| CN110030917A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-07-19 | 同济大学 | 采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器及位移传感系统 |
| 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 |
| CN112038750A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-12-04 | 合肥工业大学 | 一种应用于uhf频段的抗金属标签天线 |
| CN113125132A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-07-16 | 同济大学 | 基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、系统和方法 |
| CN115144438A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-10-04 | 青岛理工大学 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN203180054U (zh) * | 2013-04-11 | 2013-09-04 | 成都摩宝网络科技有限公司 | 用于金属表面的宽带超高频rfid标签天线 |
| CN103344652A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-10-09 | 西安交通大学 | 一种基于微带天线的裂纹检测传感器及其检测方法 |
| 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 |
| CN107633289A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-01-26 | 北京撕得物流技术有限公司 | 一种宽频带超高频电子标签及其制造方法 |
| CN107747900A (zh) * | 2017-09-15 | 2018-03-02 | 武汉理工大学 | 一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置及方法 |
-
2018
- 2018-04-20 CN CN201810362328.6A patent/CN108593713A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN203180054U (zh) * | 2013-04-11 | 2013-09-04 | 成都摩宝网络科技有限公司 | 用于金属表面的宽带超高频rfid标签天线 |
| CN103344652A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-10-09 | 西安交通大学 | 一种基于微带天线的裂纹检测传感器及其检测方法 |
| 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 |
| CN107633289A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-01-26 | 北京撕得物流技术有限公司 | 一种宽频带超高频电子标签及其制造方法 |
| CN107747900A (zh) * | 2017-09-15 | 2018-03-02 | 武汉理工大学 | 一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| XIAOHUA YI ET AL.: "Passive Wireless Smart-Skin Sensor using RFID-Based Folded Patch Antennas", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF SMART AND NANO MATERIALS》 * |
| 张桥等: "UHF频段抗金属标签天线的分析与设计", 《电子科技》 * |
| 田贵云等: "无源无线射频识别传感器及其在结构健康监测中的应用", 《南京航空航天大学学报》 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110017760A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-07-16 | 同济大学 | 基于螺旋天线的无源无线位移传感器及位移传感系统 |
| CN110030917A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-07-19 | 同济大学 | 采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器及位移传感系统 |
| CN110017760B (zh) * | 2019-04-15 | 2024-05-10 | 同济大学 | 基于螺旋天线的无源无线位移传感器及位移传感系统 |
| CN110030917B (zh) * | 2019-04-15 | 2024-05-14 | 同济大学 | 采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器及位移传感系统 |
| 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 |
| CN112038750A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-12-04 | 合肥工业大学 | 一种应用于uhf频段的抗金属标签天线 |
| CN113125132A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-07-16 | 同济大学 | 基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、系统和方法 |
| CN113125132B (zh) * | 2021-03-17 | 2021-12-31 | 同济大学 | 基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、系统和方法 |
| CN115144438A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-10-04 | 青岛理工大学 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
| WO2024002040A1 (zh) * | 2022-06-30 | 2024-01-04 | 青岛理工大学 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
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