CN109780984B - 基于rfid的分离式裂缝传感器及分离式裂缝传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑、桥梁结构监测技术领域，提供一种基于RFID的分离式裂缝传感器及分离式裂缝传感系统。该裂缝传感系统包括裂缝传感器、RFID阅读器天线、RFID阅读器和数据采集装置；裂缝传感器包括组件一和组件二，组件一包括基板、上辐射贴片、下辐射贴片、RFID芯片和匹配线；组件二包括耦合线、连接线和连接板。其中，组件一和组件二，可以随着裂缝的扩展发生相对位移。组件一的匹配线与组件二的耦合线悬空部分组成电容元件，两组件产生相对位移时，电容元件的两电容板的正对长度发生改变，随之电容改变，致使裂缝传感器的谐振频率发生改变。通过RFID阅读器可无源无线获取裂缝传感器谐振频率的改变量，进而推算出裂缝宽度。
Description
技术领域
本发明属于建筑、桥梁结构检测技术领域，尤其提供一种基于RFID的分离式裂缝传感器及分离式裂缝传感系统。
背景技术
建筑、桥梁等重要工程结构在使用荷载和环境作用下随着时间的推移，性能逐渐退化，为了准确评估结构的恶化，在过去的几十年中，大量的结构健康监测研究得到了发展。作为结构健康监测系统关键部分的传感器，可检测如应变、裂缝和加速度等各参数，这些参数为结构性能的评估提供了可靠的依据。在结构构件中，裂缝可直接反应结构的损伤状态，是结构评估中的重要参数。如在混凝土结构中，结构荷载、温度变化以及不均匀沉降等因素均可使结构产生裂缝，裂缝可加速混凝土的碳化和钢筋的锈蚀，降低结构的承载力，影响其性能；对于钢结构，裂缝通常由往复荷载产生，一旦扩展到临界长度将发生疲劳破坏。
裂缝的宽度可通过裂缝宽度仪、超声波测试等方法进行评估。但该方法只在某个固定周期进行检测，检测之前范围内裂缝可能扩展至危险宽度，并且人工检测要花费大量的劳力和费用。
对于传统的传感器，通常需要同轴线为期提供能量以及传输信号。对于一个传感系统，大量的同轴线增加了安装难度，需耗费更多的人力和物力。更致命的是，当地震、洪水等自然灾害发生时，同轴线极易损坏，致使传感系统不能正常工作。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种用于监测结构表面裂缝宽度且无源无线的基于RFID的分离式裂缝传感器及分离式裂缝传感系统，以解决传统传感器有线提供能量和传输信息的问题，并可避免在结构健康监测系统中使用同轴线的缺点，消除天线基板传递效率的影响，能够可靠、精确的监测结构裂缝宽度。
目前，常用的传统裂缝传感器，如光纤光栅裂缝传感器，需要导线传输数据以及提供能量。但是，传感系统中导线的存在会使得传感器的安装费时费力，并且经历自然灾害时，导线极易损坏致使传感系统失效。
本发明考虑采用无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术为裂缝传感器的设计提供一种新思路，以实现无需外部有线电源、非接触式的裂缝测量。RFID设备通常包括阅读器和标签,其中RFID标签包含天线与芯片，在裂缝测量中，标签上的天线起到传感单元和信息传输的作用。
当采用单块贴片天线监测结构裂缝宽度时，裂缝扩展会引起天线下底面发生形变，由于剪力滞后效应的存在，使得形变不能完全传递到天线的上表面，即贴片天线的上下底面变形是不一致的。因此，本发明中采用分离式贴片天线。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种基于RFID的分离式裂缝传感器，包括组件一和组件二，组件一包括基板、下辐射贴片、上辐射贴片、RFID芯片和匹配线，组件二包括耦合线、连接线和连接板；
基板1的背面设置有镀铜层作为下辐射贴片，基板的前面刻蚀出上辐射贴片以及匹配线；上辐射贴片位于基板的上部；匹配线为铜片，并位于上辐射贴片的正下方；RFID芯片位于上辐射贴片与匹配线之间，其两端分别与上辐射贴片和匹配线相连接；
进一步，下辐射贴片的平面尺寸应与基板相同。下辐射贴片、上辐射贴片为铜质的，作用是感应出电流，并使裂缝传感器出现感应电磁场。
耦合线为铜片，其包括相互连接的悬空部和贴合部，其悬空部悬空于匹配线正前方，其贴合部贴在基板上与基板接触但不连接，匹配线与耦合线的正对部分构成电容元件；连接线的上端采用胶水与耦合线的下端连接，其下端伸出基板底端；基板底端设置有连接板，连接线伸出基板的部分采用胶水垂直固定在连接板上，耦合线可在基板上通过连接线随连接板自由滑动；
进一步，耦合线可以为铜片叠出的“Z”字型结构，其上部悬空于匹配线正前方，其下部贴在基板上与基板接触但不连接。
进一步，耦合线可以为“L”型的，其竖部悬空于匹配线正前方，其横部的外端贴在基板上与基板接触但不连接。
进一步，耦合线与匹配线正对区域中间部分的介质为相对介电常数均一的均质介质；在优选的实施方式中，介质可以为空气。
进一步，连接板与基板同宽。连接线和连接板选用介电常数接近1的材料，如泡沫，以减少对天线所感应电磁场的影响。
下辐射贴片和连接板的后面沿结构构件表面的裂缝的宽度方向分别采用胶水固定在裂缝的两侧；因在裂缝扩展的过程中胶水不受力，因此选用胶水以粘贴牢靠不松动为准则。
裂缝宽度发生变化时，耦合线可在基板上通过连接线随连接板自由滑动，使耦合线与匹配线的正对长度发生改变，使电容元件的电容随之改变，并引起所述分离式裂缝传感器的谐振频率改变。
本发明还提供一种基于RFID的分离式裂缝传感系统，包括前述裂缝传感器、RFID阅读器天线、RFID阅读器和数据采集装置。
RFID阅读器分别与RFID阅读器天线及数据采集装置有线连接，RFID阅读器天线与裂缝传感器无线连接。由RFID阅读器控制RFID阅读器天线向裂缝传感器发射一定功率和频率的电磁波，裂缝传感器的上辐射贴片接收电磁波后感应出电流，流经RFID芯片流向匹配线和耦合线，最后返回至上辐射贴片，并将电磁波进行反向散射，RFID阅读器天线接收来自于裂缝传感器上辐射贴片反向散射的电磁波，并通过RFID阅读器将所接收的电磁波传输至数据采集装置以绘制阈值功率曲线并提取裂缝传感器的谐振频率。
在本发明中，RFID芯片中携带裂缝传感器编码信息，利用RFID阅读器向裂缝传感器发射电磁信号，可以识别该RFID芯片中的编码信息，当RFID阅读器扫描范围内布置有多个裂缝传感器时，RFID阅读器可以根据期RFID芯片的编码信息识别不同的裂缝传感器，以获得不同测点的裂缝值。
本发明采用的RFID阅读器测量构件表面裂缝宽度原理如下：
在结构裂缝的某一状态下，RFID阅读器在某频率f下以不同的功率向裂缝传感器发射电磁信号，裂缝传感器的上辐射贴片接收电磁波感应出电流，电流通过RFID芯片流向匹配线和耦合线，之后感应电流返回至上辐射贴片，并在上辐射贴片处向空间中辐射电磁信号，RFID阅读器天线可接收来自于裂缝传感器上辐射贴片辐射的电磁信号。当RFID芯片接收到的电磁信号功率达到其正常工作时所需的最小功率时，RFID芯片即可被激活，激活RFID芯片所需要的RFID阅读器最小的发射功率Pmin(f)为该频率f下的阈值发射功率PTS(f)，与所发射电磁信号的频率f有关，所使用RFID阅读器可记录该频率f下的阈值发射功率PTS(f)。当RFID阅读器在预设的频率范围内按照预设的频率间隔逐一进行电磁信号的功率扫描，获得不同频率下的阈值发射功率，进而绘制出该频率范围内的阈值发射功率曲线。当RFID阅读器以裂缝传感器的谐振频率fR发射信号时，激活裂缝传感器中RFID芯片所需的阈值发射功率PTS(f)最小。数据采集装置可寻找使阈值发射功率曲线达到最小值时的发射频率，即可确定出裂缝传感器的谐振频率fR。当结构裂缝宽度改变时，裂缝传感器的谐振频率偏移，RFID阅读器在此裂缝宽度下所获得的阈值发射功率曲线随之偏移，通过上述方法可以确定经历形变后的裂缝传感器的谐振频率。
在本发明中，当结构表面裂缝的宽度扩展时，裂缝传感器会经历形变，使组件一和组件二产生相对位移，匹配线与耦合线的正对长度发生改变致使电容发生变化，从而导致裂缝传感器的谐振频率发生偏移。通过反复的试验结果可知，裂缝宽度与裂缝传感器谐振频率的表达式为一次函数，通过谐振频率计算裂缝宽度时需首先得到直线截距和直线斜率两个参数，其中直线截距为裂缝传感器的初始谐振频率，直线斜率为裂缝传感器灵敏度系数。在裂缝的初始状态下，通过数据采集装置可检测得到裂缝传感器的初始谐振频率；裂缝传感器的灵敏度系数可通过试验获得。当结构表面裂缝的宽度扩展时，数据采集装置可检测得此状态下的裂缝传感器的谐振频率，并通过此状态下的谐振频率和已获得的裂缝宽度与裂缝传感器谐振频率的表达式计算得到此状态下的裂缝宽度。
本发明适用于测量混凝土结构和钢结构等结构体系各种构件表面的裂缝宽度，并实时监测结构表面裂缝的扩展。其中，裂缝传感器中匹配线和耦合线的正对长度可感知裂缝变化，并且其谐振频率的偏移量与裂缝宽度有着明确的关系；检测设备可无线检测裂缝传感器的谐振频率，依此推算出结构所经历的相对位移，实现裂缝宽度的无线检测；检测设备可通过电磁波激活裂缝传感器使其工作，不需要额外的电源，实现传感器的无源。RFID芯片可存储贴片裂缝传感器的ID、位置等简单信息。
本发明的组件一和组件二，可以随着裂缝的扩展发生相对位移。组件一的匹配线与组件二的耦合线悬空部分组成电容元件，两组件产生相对位移时，电容元件的两电容板的正对长度发生改变，随之电容改变，致使分离式裂缝传感器的谐振频率发生改变。通过RFID阅读器可无源无线获取该状态下分离式裂缝传感器的谐振频率，进而推算出裂缝宽度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过电磁波进行信息传输，不需要同轴线，使传感系统更加简单，布置更加灵活，在自然灾害下更不容易失效；
(2)通过电磁波提供能量，不需要电源线或电池为传感系统提供能量，减少了传感器安装的劳动力以及传感系统的成本；
(3)传感器由两个组件组成，通过互不接触的两个铜片形成电容元件影响天线的电磁特性，不用考虑天线基板的传递效率，使其性能更加可靠；
(4)以天线的谐振频率作为参数测量裂缝宽度，该参数受距离和环境噪声等因素的影响可忽略，增加了该传感系统的适用性；
(5)成本低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种裂缝传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的裂缝传感系统的应用场景示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种裂缝传感器的结构示意图。
附图标记说明
基板1、下辐射贴片2、上辐射贴片3、RFID芯片4、匹配线5、耦合线6、连接线7、连接板8，
结构构件9、裂缝10，
裂缝传感器11、RFID阅读器天线12、RFID阅读器13、数据采集装置14。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
实施例1
如图1和图2所示，本发明提出一种用于监测结构表面裂缝宽度且无源无线的基于RFID的分离式裂缝传感器及裂缝传感系统，该裂缝传感系统包括裂缝传感器11、RFID阅读器天线12、RFID阅读器13和数据采集装置14。
其中，裂缝传感器11包括组件一和组件二；其中组件一包括基板1、下辐射贴片2、上辐射贴片3、RFID芯片4和匹配线5；组件二包括耦合线6、连接线7和连接板8。
基板1材料可以选用美国罗杰斯(Rogers)公司生产的RT5880高频板，其长度为45.4mm，宽度为39mm，厚度为0.5mm。基板1的背面全部为镀铜层，用以作为下辐射贴片2，下辐射贴片2的长度为45.4mm，宽度为39mm。基板1的前面刻蚀出上辐射贴片3以及匹配线5；上辐射贴片3为矩形，其长度方向尺寸为20.6mm，宽度方向尺寸为35mm，且上辐射贴片3位于基板1的上部，其三边距基板1边缘均为2mm；匹配线5为铜片，其长度为7mm，宽度为5mm，其位于上辐射贴片3的另一边侧，并与上辐射贴片3中线对正，且两者相距1mm，在该1mm的空隙处粘贴有RFID芯片4，RFID芯片4的两端分别与上辐射贴片3和匹配线5相连接。
下辐射贴片2、上辐射贴片3为铜质的，作用是感应出电流，并使裂缝传感器出现感应电磁场。
利用厚度为0.1mm、宽度为5mm的铜片叠出“Z”字型的耦合线6；耦合线6的上部为悬空部，悬空于匹配线5正前方；耦合线6的下部为贴合部，贴在基板1上，并与基板1接触，但与基板1不采用任何方式连接。进一步，悬空部的长度为7.2mm，悬空高度为0.5mm，贴合部的长度为8.8mm。连接线7的上端通过胶水与耦合线6贴在基板1一侧的末端连接，连接线7的尺寸为10×5mm，连接线7的另一端伸出基板1底端，基板1底端设置有连接板8，连接线7伸出基板1的部分通过胶水垂直固定在连接板8上，连接板8与基板1同宽，长度为优选为4mm，厚度为0.5mm。其中，连接线7和连接板8选用介电常数接近1的材料，如泡沫，以减少对天线所感应电磁场的影响。
由于，耦合线6的悬空一侧位于匹配线5的正前方，耦合线6的另一侧贴在基板上1，且与基板1接触，但不采用任何连接方式，就保证了耦合线6可在基板1上随连接板8自由滑动；且匹配线5与耦合线6的正对部分构成电容元件。
进一步，在本发明中，裂缝传感器11的组件一的下辐射贴片2和组件二的连接板8的后面沿结构构件9表面的裂缝10的宽度方向分别使用胶水固定在裂缝10的两侧；因在裂缝10扩展的过程中胶水不受力，因此选用胶水以粘贴牢靠不松动为准则。
RFID阅读器13与RFID阅读器天线12无线连接，且由RFID阅读器13控制RFID阅读器天线12向裂缝传感器11发射一定功率和频率的电磁波，裂缝传感器11的上辐射贴片3接收电磁波后感应出电流，流经RFID芯片4流向匹配线5和耦合线6，最后返回至上辐射贴片3，并将电磁波进行反向散射，RFID阅读器天线12接收来自于裂缝传感器11上辐射贴片3反向散射的电磁波，并通过RFID阅读器13将接收的电磁波传输至数据采集装置14以绘制阈值功率曲线并提取裂缝传感器的谐振频率。
在本发明中，RFID芯片4中携带裂缝传感器11编码信息，利用RFID阅读器13向裂缝传感器11发射电磁波信号，可以识别该RFID芯片4中的编码信息，当RFID阅读器13扫描范围内布置有多个裂缝传感器11时，RFID阅读器13可以根据期RFID芯片4的编码信息识别不同的裂缝传感器11，以标记不同测点
裂缝宽度与裂缝传感器11的谐振频率的表达式为一次函数，通过裂缝传感器11的谐振频率计算裂缝10的宽度时需首先得到直线截距和直线斜率两个参数，其中直线截距为裂缝传感器11的初始谐振频率，直线斜率为裂缝传感器11的灵敏度系数。在裂缝10的初始状态下，通过数据采集装置14可检测得到裂缝传感器11的初始谐振频率；裂缝传感器11的灵敏度系数可通过试验获得。当结构9表面裂缝10的宽度扩展时，裂缝传感器11会经历形变，使组件一和组件二产生相对位移，匹配线5与耦合线6的正对长度发生改变致使电容发生变化，从而导致裂缝传感器11的谐振频率发生偏移，数据采集装置14检测得此状态下的裂缝传感器11的谐振频率；数据采集装置14可通过已获得的裂缝宽度与裂缝传感器11的谐振频率的表达式可计算得到此状态下的裂缝9的宽度。
实施例2
与实施例1不同的是，在本实施例中，耦合线6为“L”型的。
利用厚度为1mm、宽度为5mm、长度为16mm的铜块在其一端切割掉厚度为0.5mm、宽度为5mm、长度为7.2mm的铜块，切割后呈出“L”字型的耦合线6。其中，被切割后的一端为竖向的悬空部，悬空部位于匹配线5正前方，未被切割的一端为横向的贴合部，贴合部的外端侧贴在基板1上，并与基板1接触，但与基板1不采用任何方式连接。进一步，悬空部的长度为7.2mm，悬空高度为0.5mm，贴合部的长度为8.8mm。连接线7的上端通过胶水与耦合线6贴在基板1一侧的末端连接，连接线7的尺寸为10×5mm，连接线7的另一端伸出基板1底端，基板1底端设置有连接板8，连接线7伸出基板1的部分通过胶水垂直固定在连接板8上，连接板8与基板1同宽，长度为优选为4mm，厚度为0.5mm。其中，连接线7和连接板8选用介电常数接近1的材料，如泡沫，以减少对天线所感应电磁场的影响。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于RFID的分离式裂缝传感器，其特征在于：包括组件一和组件二，所述组件一包括基板(1)、下辐射贴片(2)、上辐射贴片(3)、RFID芯片(4)和匹配线(5)，所述组件二包括耦合线(6)、连接线(7)和连接板(8)；
所述基板(1)的背面设置有镀铜层作为下辐射贴片(2)，且下辐射贴片(2)的平面尺寸与基板(1)的尺寸相同；所述基板(1)的前面刻蚀出上辐射贴片(3)以及匹配线(5)；所述上辐射贴片(3)位于基板(1)的上部；所述匹配线(5)为铜片，其位于上辐射贴片(3)的正下方；所述RFID芯片(4)位于上辐射贴片(3)与匹配线(5)之间，其两端分别与上辐射贴片(3)和匹配线(5)相连接；
所述耦合线(6)为铜片，其包括相互连接的悬空部和贴合部，其悬空部悬空于匹配线(5)正前方，其贴合部贴在基板(1)上与基板(1)接触但不连接，耦合线(6)的悬空部与匹配线(5)的正对部分构成电容元件；所述连接线(7)的上端采用胶水与耦合线(6)的下端连接，其下端伸出基板(1)底端，所述基板(1)底端设置有连接板(8)，所述连接线(7)伸出基板(1)的部分采用胶水垂直固定在连接板(8)上；
所述下辐射贴片(2)和连接板(8)的后面沿结构构件(9)表面的裂缝(10)的宽度方向分别采用胶水固定在裂缝(10)的两侧；裂缝(10)宽度发生变化时，所述耦合线(6)可在基板(1)上通过连接线(7)随连接板(8)自由滑动，使耦合线(6)与匹配线(5)的正对长度发生改变，使电容元件的电容随之改变，并引起所述分离式裂缝传感器的谐振频率改变。
2.根据权利要求1所述的基于RFID的分离式裂缝传感器，其特征在于：所述耦合线(6)为铜片叠出的“Z”字型结构，其上部为悬空部，悬空于匹配线(5)正前方，其下部为贴合部，贴在基板(1)上与基板(1)接触但不连接。
3.根据权利要求1所述的基于RFID的分离式裂缝传感器，其特征在于：所述耦合线(6)为“L”型的，其竖部为悬空部，悬空于匹配线(5)正前方，其横部为贴合部，横部的外端贴在基板(1)上与基板(1)接触但不连接。
4.根据权利要求1所述的基于RFID的分离式裂缝传感器，其特征在于：所述耦合线(6)与匹配线(5)正对区域中间部分的介质为均质介质。
5.根据权利要求1所述的基于RFID的分离式裂缝传感器，其特征在于：所述RFID芯片(4)中携带裂缝传感器(11)编码信息。
6.一种基于RFID的分离式裂缝传感系统，其特征在于：包括裂缝传感器(11)、RFID阅读器天线(12)、RFID阅读器(13)和数据采集装置(14)；
所述裂缝传感器(11)包括组件一和组件二，所述组件一包括基板(1)、下辐射贴片(2)、上辐射贴片(3)、RFID芯片(4)和匹配线(5)，所述组件二包括耦合线(6)、连接线(7)和连接板(8)；
所述基板(1)的背面设置有镀铜层作为下辐射贴片(2)，且下辐射贴片(2)的平面尺寸与基板(1)的尺寸相同；所述基板(1)的前面刻蚀出矩形的上辐射贴片(3)以及匹配线(5)；所述上辐射贴片(3)位于基板(1)的上部；所述匹配线(5)为铜片，其位于上辐射贴片(3)的正下方；所述RFID芯片(4)位于上辐射贴片(3)与匹配线(5)之间，其两端分别与上辐射贴片(3)和匹配线(5)相连接；
所述耦合线(6)为铜片，其包括相互连接的悬空部和贴合部，其悬空部悬空于匹配线(5)正前方，其贴合部贴在基板(1)上与基板(1)接触但不连接，耦合线(6)的悬空部分与匹配线(5)的正对部分构成电容元件；所述连接线(7)的上端采用胶水与耦合线(6)的下端连接，其下端伸出基板(1)底端，所述基板(1)底端设置有连接板(8)，所述连接线(7)伸出基板(1)的部分采用胶水垂直固定在连接板(8)上；
所述下辐射贴片(2)和连接板(8)的后面沿结构构件(9)表面的裂缝(10)的宽度方向分别采用胶水固定在裂缝(10)的两侧；裂缝(10)宽度发生变化时，所述耦合线(6)可在基板(1)上通过连接线(7)随连接板(8)自由滑动，使耦合线(6)与匹配线(5)的正对长度发生改变，使电容元件的电容随之改变，并引起所述分离式裂缝传感器的谐振频率改变；
所述RFID阅读器(13)分别与RFID阅读器天线(12)及数据采集装置(14)有线连接，所述RFID阅读器天线(12)与所述裂缝传感器(11)无线连接；由RFID阅读器(13)控制RFID阅读器天线(12)向裂缝传感器(11)发射一定功率和频率的电磁波，裂缝传感器(11)的上辐射贴片(3)接收电磁波后感应出电流，流经RFID芯片(4)流向匹配线(5)和耦合线(6)，最后返回至上辐射贴片(3)，并将电磁波进行反向散射，RFID阅读器天线(12)接收来自于裂缝传感器(11)上辐射贴片(3)反向散射的电磁波，并通过RFID阅读器(13)将所接收的电磁波传输至数据采集装置(14)以提取裂缝传感器的谐振频率。
7.根据权利要求6所述的基于RFID的分离式裂缝传感系统，其特征在于：所述耦合线(6)为铜片叠出的“Z”字型结构，其上部为悬空部，悬空于匹配线(5)正前方，其下部为贴合部，贴在基板(1)上与基板(1)接触但不连接。
8.根据权利要求6所述的基于RFID的分离式裂缝传感系统，其特征在于：所述耦合线(6)为“L”型的，其竖部为悬空部，悬空于匹配线(5)正前方，其横部为贴合部，横部的外端贴在基板(1)上与基板(1)接触但不连接。
9.根据权利要求6所述的基于RFID的分离式裂缝传感系统，其特征在于：所述耦合线(6)与匹配线(5)正对区域中间部分的介质为均质介质。
10.根据权利要求6所述的基于RFID的分离式裂缝传感系统，其特征在于：所述RFID芯片(4)中携带裂缝传感器(11)编码信息。
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