CN109211978A - 一种裂纹传感标签及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种裂纹传感标签及方法，包括：介质基板、标签芯片、天线和金属贴片，标签芯片和天线分别与介质基板的上表面贴合，标签芯片和天线连接，金属贴片与介质基板的下表面贴合，天线和金属贴片连接，本发明监测裂纹发生情况时，无需破坏裂纹传感标签的几何结构，能在一个监测周期结束后将裂纹传感标签取下，用于下一次的表面裂纹监测；监测区域为裂纹传感标签的覆盖区域，与耦合标签互补，能进一步扩大裂纹传感区域，全方位的监测待测金属构件；本裂纹传感标签能识别达到毫米级精度的裂纹深度变化。

Description

一种裂纹传感标签及方法
技术领域
本发明涉及金属表面裂纹传感领域和射频识别领域，尤其涉及一种裂纹传感标签及方法。
背景技术
表面裂纹是金属构件在使用过程中的常见缺陷，广泛存在于石油、天然气管道、桥梁和飞机蒙皮等金属构件中，易带来严重的安全隐患。因此，常需要借助传感器实时监测金属构件在服役过程中的裂纹产生及扩展情况。
传统的裂纹装置包括光纤传感器、压电陶瓷传感涂层和天线传感器，这些传统的裂纹监测手段都需要将测量设备和传感器通过有线的方式连接，而有线的监测方式不仅带来线路安全隐患，也使传感装置的布设受到限制。
目前，射频识别系统可通过无线、无源的信息传输方式获得预先存储于传感装置内的信息。这种无线、无源的信息传输方式得到了众多关注，近十年诞生了多种类型的传感标签，实现了温度、湿度、腐蚀程度和位移等多种监测功能，成为建立物联网、多传感器网络的重要技术之一。
但是，现有的裂纹传感标签大多属于易损型，即传感装置的几何结构会随着裂纹扩展过程发生变化，从而导致传感装置性能降低。如传感装置信号发射设备的发射功率阈值提高，传感装置的极限阅读距离降低，谐振频率发生偏移，导致传感装置无法正常读取数据。虽然目前可以通过监测传感装置性能的变化，实现无线、无源的金属表面裂纹监测。然而，此种裂纹传感标签的结构会随着裂纹变化而被破坏，因此只能使用一次，无法被再次使用。
同时，另一种现有的裂纹传感标签是利用一对耦合标签作为传感装置进行裂纹监测。当两个互相耦合的标签的间隔区域出现裂纹时，耦合标签之间的相对距离会随着裂纹扩展而增大，从而改变耦合标签的耦合状态及两个耦合装置的性能参数，因此可以通过耦合的标签的性能参数变化表征裂纹的扩展情况，这种耦合标签无需破坏传感装置的几何结构实现裂纹监测，但只能监测到两个耦合标签之间间隔区域内的裂纹。对于出现在耦合标签覆盖区域的裂纹，目前还没有一种无须破坏标签结构的裂纹监测方法。
因此，目前缺乏一种可重复使用且能无线监测裂纹传感标签覆盖区域内裂纹情况的裂纹传感标签，与耦合标签作为裂纹传感标签的方法形成互补，全方位监测裂纹产生及扩展情况。
发明内容
为了解决目前缺乏一种可重复使用且能无线监测裂纹传感标签覆盖区域内的裂纹情况，与耦合标签作为裂纹传感标签的方法形成互补的裂纹传感标签，本发明提供了一种裂纹传感标签，包括：介质基板、标签芯片、天线和金属贴片，标签芯片和天线分别与介质基板的上表面贴合，标签芯片和天线连接，金属贴片与介质基板的下表面贴合，天线和金属贴片连接。
优选地，介质基板和金属贴片分别与待测金属构件表面贴合，待测金属构件为平板状金属构件，待测金属构件表面产生的裂纹与裂纹传感标签的长边垂直。
优选地，本裂纹传感标签还包括短路针，天线通过短路针与金属贴片连接。
优选地，标签芯片与天线间隔连接，标签芯片对立的两侧引脚分别和天线连接。
优选地，天线的几何结构参数利用电磁仿真软件HFSS或CST确定。
另外，本发明还提供了一种裂纹传感方法，包括：
S1、根据裂纹传感标签芯片的工作频率范围，确定裂纹传感标签的仿真频率范围；S2、确定裂纹传感标签的天线的结构参数，使得裂纹传感标签的谐振频率不超过仿真频率范围；S3、根据功率传输系数变化曲线，确定裂纹传感标签的实际工作频率范围并对裂纹进行监测；实际工作频率范围不超过仿真频率范围。
优选地，步骤S2中，谐振频率包括第一谐振频率和第二谐振频率，第一谐振频率为若裂纹深度为0，裂纹传感标签的谐振频率；第二谐振频率为若裂纹深度为裂纹的上限值，裂纹传感标签的谐振频率。
优选地，步骤S2中，调整传感装置的天线结构参数，包括：根据阻抗曲线，获取待测金属构件在不同裂纹深度条件下，天线的阻抗与标签芯片的阻抗相交点对应的频率；若裂纹深度为0，天线的阻抗与标签芯片的阻抗相交点对应的频率为第一谐振频率；若裂纹深度为裂纹的上限值，天线的阻抗与标签芯片的阻抗相交点对应的频率为第二谐振频率；其中，阻抗变化曲线用于表示天线的阻抗、标签芯片的阻抗与裂纹传感标签的实际工作频率之间的关系。
优选地，步骤S3中，功率传输系数变化曲线用于表示裂纹传感标签的功率传输系数、标签芯片的阻抗及天线的阻抗之间的关系；
功率传输系数变化曲线的的功率传输系数的计算方式为：
其中，τ为裂纹传感标签的功率传输系数，Ztag为标签天线的阻抗，Zchip为标签芯片的阻抗；Re(Ztag)为天线的阻抗的实部，Re(Zchip)为标签芯片的阻抗的实部。
优选地，步骤S3中，确定裂纹传感标签的实际工作频率的范围，包括：裂纹的深度在上限值范围内，裂纹传感标签的功率传输系数的峰值对应的频率为实际工作频率的最大值；大于仿真频率范围下限值且小于实际工作频率最大值的任意频率，可作为实际工作频率的最小值。
一方面，本发明提供了一种裂纹传感标签，在裂纹传感标签的介质基板的上表面将标签芯片与天线连接，再将天线通过短路针与介质基板的下表面的金属贴片相连，而金属贴片与待测金属构件贴合，由此将裂纹传感标签中产生的电流引入到待测金属构件表面；另一方面，本发明还提供了一种裂纹传感方法，根据裂纹传感标签的标签芯片的工作频率设定裂纹传感标签的仿真频率范围，再以不同裂纹深度下裂纹传感标签的谐振频率不超过仿真频率范围作为基准，确定天线的结构参数，然后根据功率传输系数变化曲线，确定裂纹传感标签的实际工作频率范围并对裂纹进行监测。
本发明提供了一种裂纹传感标签及方法，该裂纹传感标签在监测时需放置于待测金属构件表面，对于待测金属构件表面垂直于裂纹传感标签长边的裂纹识别精度较高，且无需破坏裂纹传感标签的几何结构，能在一个监测周期结束后将裂纹传感标签取下，用于下一次的表面裂纹监测；监测区域为裂纹传感标签的覆盖区域，与耦合标签互补，能进一步扩大裂纹传感区域，全方位的监测待测金属构件是否产生裂纹以及裂纹的深度。
附图说明
图1为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感标签的结构示意图；
图2为根据本发明一个优选实施例的一种裂纹传感方法的流程示意图；
图3(a)为根据本发明一个优选实施例的一种裂纹传感方法的阻抗变化曲线；
图3(b)为根据本发明一个优选实施例的一种裂纹传感方法的阻抗变化曲线；
图4为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的功率传输系数变化曲线；
图5(a)为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的阈值发射功率变化曲线；
图5(b)为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的极限阅读距离变化曲线；
图6为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的裂纹深度、阈值发射功率和极限阅读距离关系曲线；
其中:
1.短路针 2,标签芯片 3.天线
4.金属贴片 5.介质基板 6.待测金属构件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
目前的裂纹传感标签大多采用易损型标签，即易损型标签的几何结构会随着裂纹扩展过程发生变化，从而导致标签性能降低，甚至无法正常读取，虽然通过易损型标签性能的衰减，可实现无源、无线的金属表面监测，但这种裂纹传感标签只能使用一次，监测到裂纹后传感标签结构已被破坏，无法重复多次使用，更换较为频繁、成本较高，且会造成很大的资源浪费。
另一种裂纹监测方法是利用耦合标签进行裂纹监测，采用一对耦合标签的监测裂纹时，若两个相互耦合的标签间隔区域出现裂纹，耦合标签之间的相对距离会随着裂纹扩展而增大，改变了耦合状态及两个标签的性能参数，因此可以通过标签性能参数变化表征裂纹扩展情况，虽然这种耦合标签无需破坏裂纹传感标签的几何结构也可实现裂纹监测，但只能监测到两个耦合标签间隔区域的裂纹，对于出现在标签覆盖区域的裂纹则无法监测。
图1为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感标签的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种裂纹传感标签，包括：介质基板5、标签芯片2、天线3和金属贴片4，标签芯片2和天线3分别与介质基板5的上表面贴合，标签芯片2和天线3连接，金属贴片4与介质基板5的下表面贴合，天线3和金属贴片4连接。
具体地，本裂纹传感标签将介质基板5上表面的标签芯片2和天线3绑定后，将天线3与介质基板5下表面的金属贴片4相连，从而将裂纹传感标签产生的电流引入到待测金属构件6表面，通过测量裂纹传感标签中电流的路径变化而判断待测金属构件6上裂纹的产生及扩展情况，包括裂纹是否产生以及裂纹的深度变化。
本实施例提供的裂纹传感标签，无需破坏裂纹传感标签的几何结构，能在一个监测周期结束后将裂纹传感标签取下，用于下一次的表面裂纹监测；监测区域为裂纹传感标签的覆盖区域，与耦合标签互补，能进一步扩大裂纹传感区域，全方位的监测待测金属构件6。
基于上述实施例，介质基板5和金属贴片4分别与待测金属构件6表面贴合，待测金属构件6为平板状金属构件，待测金属构件6表面产生的裂纹与裂纹传感标签的长边垂直。
进一步地，本裂纹传感标签还包括短路针1，天线3通过短路针1与金属贴片4连接。
基于上述实施例，标签芯片2与天线3间隔连接，标签芯片2对立的两侧引脚分别与天线3连接，从而使得标签芯片2与天线3连接。
基于上述实施例，天线3的几何结构参数利用电磁仿真软件HFSS或CST确定。
另外，图2为根据本发明一个优选实施例的一种裂纹传感方法的流程示意图，如图2所示，本发明还提供了一种裂纹传感方法，包括：
S1、根据标签芯片2的工作频率范围，确定裂纹传感标签的仿真频率范围；S2、确定裂纹传感标签的天线3的结构参数，使得裂纹传感标签的谐振频率不超过仿真频率范围；S3、根据功率传输系数变化曲线，确定裂纹传感标签的实际工作频率范围并对裂纹进行监测；其中，实际工作频率范围不超过仿真频率范围。
基于上述实施例，步骤S2中，谐振频率包括第一谐振频率和第二谐振频率，第一谐振频率为若裂纹深度为0，裂纹传感标签的谐振频率；第二谐振频率为若裂纹深度为裂纹的上限值，裂纹传感标签的谐振频率。
基于上述实施例，图3(a)和图3(b)为根据本发明一个优选实施例的一种裂纹传感方法的阻抗变化曲线，其中，图3(a)表示裂纹传感标签在不同裂纹深度条件下的天线3的输入阻抗的实部、标签芯片2的阻抗的实部与频率的关系；图3(b)表示裂纹传感标签在不同裂纹深度条件下的天线3的输入阻抗的虚部、标签芯片2的阻抗的虚部与频率的关系。步骤S2中，调整传感装置的天线3的结构参数，包括：根据阻抗变化曲线，获取待测金属构件6在不同裂纹深度条件下，天线3的阻抗与标签芯片2的阻抗相交点所对应的频率；若裂纹深度为0，天线3的阻抗与标签芯片2的阻抗相交点对应的频率为第一谐振频率；若裂纹深度为裂纹的上限值，天线3的阻抗与标签芯片2的阻抗相交点对应的频率为第二谐振频率。
基于上述实施例，图4为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的功率传输系数变化曲线，如图4所示，步骤S3中，功率传输系数变化曲线用于表示裂纹传感标签的功率传输系数与标签芯片2的阻抗及天线3的阻抗的关系；
功率传输系数变化曲线的功率传输系数的计算方式为：
其中，τ为裂纹传感标签功率传输系数，Ztag为天线3的阻抗，Zchip为标签芯片2的阻抗；Re(Ztag)为天线的阻抗的实部，Re(Zchip)为标签芯片的阻抗的实部。
具体地，根据天线3和标签芯片2的阻抗，计算获得功率传输系数，绘制功率传输系数变化曲线，用于确定裂纹传感标签实际监测时的工作频率范围。
基于上述实施例，步骤S3中，确定裂纹传感标签的实际工作频率范围，包括：裂纹的深度在上限值时，裂纹传感标签的功率传输系数峰值对应的频率作为实际工作频率最大值，大于仿真频率范围下限值且小于实际工作频率最大值的任意频率可作为实际工作频率的最小值。具体地，根据功率传输系数变化曲线，确定裂纹深度在上限值时功率传输系数峰值所对应的频率作为裂纹传感标签的实际工作频率的最大值。裂纹传感标签的实际工作频率的最小值需大于仿真频率范围的最小值且小于实际工作频率的最大值。
标签读写器用于读取裂纹传感标签的性能参数。其中，本实施例中的标签读写器采用Tagformance读写器。
本实施例的待测金属构件6作为接地板，与裂纹传感标签共同构成微带天线结构；待测金属构件6表面裂纹产生，延长表面电流的路径，即造成微带天线电长度增加，引起裂纹传感标签的谐振频率降低。裂纹加深，电长度递增，谐振频率降低，标签性能变化，即包括阈值发射功率和极限阅读距离的参数变化。
本裂纹传感标签用于监测待测金属构件6表面裂纹的步骤为：
将裂纹传感标签粘贴于待测金属构件6的表面；
将标签读写器的扫频范围设为裂纹传感标签实际工作频率范围，并向裂纹传感标签发射电磁波，获取裂纹传感标签能被激活的阈值发射功率以及极限阅读距离；
观察裂纹传感标签的阈值发射功率及极限阅读距离的变化，若阈值发射功率从一开始的稳定值开始逐渐降低或极限阅读距离从稳定值开始增加，说明金属构件出现裂纹，并且裂纹深度逐渐增加。
基于上述实施例，下面给出一个完整的实施例，详细说明本裂纹传感方法的具体实施方式。
如图1所示，待测金属构件6是体积为100×100×5mm3的铝板。其中标签芯片2选择Alien Higgs-3，其在915MHz下芯片的输入阻抗为Zchip＝(27+j201)Ω。介质基板5的体积为88×30×3mm3，材料选择Fr4，其相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。短路针1为铜制的圆柱结构，其直径为1mm，长3mm。天线3与矩形金属贴片4均采用铜箔蚀刻的方式制成，厚度为10μm。
如图3(a)、3(b)所示，通过仿真获得裂纹传感标签在不同裂纹深度条件下的输入阻抗变化曲线。仿真前先在待测铝板中央绘制一个长度为100mm，宽度为0.5mm的U型裂纹。此表面裂纹与传感标签的长边垂直。仿真所需的空气盒子大小设为300×300×300mm3，中心频率为915MHz。由于选用的Alien Higgs-3芯片的工作频率在860-960MHz，因此设标签芯片2的仿真频率为860-960MHz。在这个频率范围内分别仿真出不同裂纹深度(0mm，1mm，2mm，3mm，4mm)时传感标签天线3的阻抗变化曲线。通过标签天线3几何参数优化，保证标签天线3阻抗与芯片阻抗值相交点所对应的频率在860-960MHz内。本实施例中，优化后的标签天线3几何参数为：a＝7mm,b＝28mm,c＝8mm,d＝10mm,m＝17mm,n＝4mm,L＝78mm,W＝28mm。裂纹传感标签随着裂纹深度的增加，其天线3阻抗的实部和虚部都出现递增的趋势。
图4为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的功率传输系数变化曲线，用于确定裂纹传感标签的实际工作频率范围。
功率传输系数与输入阻抗的关系如下：
其中，Ztag表示裂纹传感标签的天线3阻抗，Zchip表示标签芯片2阻抗。Re(Ztag)和Re(Zchip)分别为标签天线3和标签芯片2的阻抗实部。功率传输系数越接近1，说明天线3与芯片的阻抗匹配程度越好。功率传输系数最大值对应的频率则为谐振频率。由图4得知，随着裂纹深度增加，传感标签的谐振频率向左偏移。在900-930MHz范围内裂纹深度越大，标签功率传输系数越高，说明表面裂纹深度的扩展会提高传感标签的性能。因此选择900-930MHz作为本发明实施例传感标签实际监测时的频率范围。
图5(a)为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的阈值发射功率变化曲线；图5(b)为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的极限阅读距离变化曲线，如图5(a)和图5(b)所示，Tagformance读写器的扫频范围从900MHz到930MHz，步长为1MHz。测试时将裂纹传感标签放置于铝板中央，使裂纹长度方向与标签的长边垂直。传感标签与Tagformance之间的距离保持在30cm。读写器阈值发射功率及阅读距离与功率传输系数的关系如下所示：
其中，Pth为读写器发出的能激活标签工作的阈值功率,Psense为芯片所需的最小激活功率，Greader和Gtag分别表示读写器和标签的方向性增益，λ为读写器信号的波长，d为读写器与标签之间的距离。Rmax表示前向链路的极限阅读距离，EIRP为有效全向辐射功率。根据图5(a)和图5(b)中的仿真结果可以推断：在900-930MHz内，随着裂纹深度增加，阈值发射功率Pth递减，而极限阅读距离Rmax递增。图5(a)和图5(b)的实测结果与仿真推断一致。因此，利用Tagformance读写器可以通过无源、无线的方式采集标签的阈值发射功率、极限阅读距离两个参数来表征金属构件表面裂纹的扩展情况。
图6为根据本发明一个优选实施例的裂纹传感方法的裂纹深度、阈值发射功率和极限阅读距离关系曲线，图6表示裂纹传感标签的工作频率最大值为930MHz时，裂纹深度、阈值发射功率和极限阅读距离之间的关系，Pth为阈值发射功率，Rmax为极限阅读距离。
由图6得知，阈值发射功率或极限阅读距离分别与表面裂纹深度之间表现出线性关系。其中，裂纹深度与阈值发射功率呈反比，而表面裂纹深度与极限阅读距离呈正比。根据建立的线性关系，可以在裂纹监测过程中利用阈值发射功率或极限阅读距离的变化，判断出裂纹深度的大小。
在实际工作频率范围内，随着裂纹深度增加，阈值发射功率递减，极限阅读距离递增，即裂纹深度与阈值发射功率成反比，而裂纹深度与极限阅读距离成正比。根据建立的裂纹深度、阈值发射功率和阅读距离的线性关系，可以在裂纹监测过程中，利用阈值发射功率或极限阅读距离的变化，判断裂纹深度的大小。
需要说明的是，本发明的实施例中，裂纹深度的监测精度为毫米级。
本发明提供了一种裂纹传感标签及方法，该裂纹传感标签在监测时需放置于待测金属构件表面，对于待测金属构件表面垂直于裂纹传感标签长边的裂纹识别精度较高，且无需破坏裂纹传感标签的几何结构，能在一个监测周期结束后将裂纹传感标签取下，用于下一次的表面裂纹监测；监测区域为裂纹传感标签的覆盖区域，与耦合标签互补，能进一步扩大裂纹传感区域，全方位的监测待测金属构件是否产生裂纹以及裂纹的深度；本裂纹传感标签能识别达到毫米级精度的裂纹深度变化。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种裂纹传感标签，其特征在于，包括：介质基板、标签芯片、天线和金属贴片，所述标签芯片和所述天线分别与所述介质基板的上表面贴合，所述标签芯片和所述天线连接，所述金属贴片与所述介质基板的下表面贴合，所述天线和所述金属贴片连接。
2.根据权利要求1所述的一种裂纹传感标签，其特征在于，所述介质基板和所述金属贴片分别与待测金属构件表面贴合，所述待测金属构件为平板状金属构件，所述待测金属构件表面产生的裂纹与所述裂纹传感标签的长边垂直。
3.根据权利要求1所述的一种裂纹传感标签，其特征在于，还包括短路针，所述天线通过所述短路针与所述金属贴片连接。
4.根据权利要求1所述的一种裂纹传感标签，其特征在于，所述标签芯片与所述天线连接，所述标签芯片对立的两侧引脚分别与所述天线连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种裂纹传感标签，其特征在于，所述天线的几何结构参数利用电磁仿真软件HFSS或CST确定。
6.一种裂纹传感方法，其特征在于，包括：
S1、根据裂纹传感标签的标签芯片的工作频率范围，确定所述裂纹传感标签的仿真频率范围；
S2、确定所述裂纹传感标签的天线的结构参数，使得所述裂纹传感标签的谐振频率不超过所述仿真频率范围；
S3、根据功率传输系数变化曲线，确定所述裂纹传感标签的实际工作的频率范围并对裂纹进行监测；所述实际工作频率范围不超过所述仿真频率范围。
7.根据权利要求6所述的一种裂纹传感方法，其特征在于，步骤S2中，所述谐振频率包括第一谐振频率和第二谐振频率，所述第一谐振频率为若裂纹深度为0，所述裂纹传感标签的谐振频率；所述第二谐振频率为若裂纹深度达到所述裂纹的上限值，所述裂纹传感标签的谐振频率。
8.根据权利要求7所述的一种裂纹传感方法，其特征在于，步骤S2中，所述确定所述传感装置的天线结构参数，包括：
根据阻抗变化曲线，获取待测金属构件在不同裂纹深度条件下，所述天线的阻抗与所述标签芯片的阻抗相交点对应的频率；
若所述裂纹深度为0，所述天线的阻抗与所述标签芯片的阻抗相交点对应的频率为所述第一谐振频率；
若所述裂纹深度达到所述裂纹的上限值，所述天线的阻抗与所述标签芯片的阻抗相交点对应的频率为所述第二谐振频率；
其中，所述阻抗变化曲线用于表示所述天线的阻抗、所述标签芯片的阻抗与所述裂纹传感标签的实际工作频率之间的关系。
9.根据权利要求6所述的一种裂纹传感方法，其特征在于，步骤S3中，所述功率传输系数变化曲线用于表示所述裂纹传感标签的功率传输系数、所述标签芯片的阻抗及所述天线的阻抗之间的关系；
所述功率传输系数变化曲线的的功率传输系数的计算方式为：
其中，τ为所述裂纹传感标签的功率传输系数，Ztag为所述天线的阻抗，Zchip为所述标签芯片的阻抗；Re(Ztag)为所述天线的阻抗的实部，Re(Zchip)为所述标签芯片的阻抗的实部。
10.根据权利要求7所述的一种裂纹传感方法，步骤S3中，确定所述裂纹传感标签的实际工作频率的范围，包括：
所述裂纹的深度在所述上限值范围内，所述裂纹传感标签的功率传输系数的峰值对应的频率为所述实际工作频率的最大值；大于所述仿真频率范围下限值且小于所述实际工作频率最大值的任意频率，作为所述实际工作频率的最小值。
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