CN110017760A - 基于螺旋天线的无源无线位移传感器及位移传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑结构监测技术领域，具体涉及一种基于螺旋天线的无源无线位移传感器及位移传感系统，采用无线射频识别技术实现无源无线的位移测量。该位移传感器包括硅棒、接触头、回弹装置、螺旋天线、支护管、RFID芯片；支护管为空心薄管，螺旋天线套设在支护管外；RFID芯片位于螺旋天线上端，并与螺旋天线串联；RFID芯片中存储有基于螺旋天线的无源无线位移传感器的识别信息；硅棒可上下移动地置于支护管中，回弹装置包括回弹弹簧和回弹套筒，回弹套筒置于硅棒的上方并与之接触，回弹弹簧位于回弹套筒上方并与支护管内壁连接，同时回弹弹簧外壁设置有滑槽，回弹弹簧通过滑槽与回弹套筒滑动连接，硅棒的下端与接触头的上端刚性连接。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构监测技术领域，具体涉及一种基于螺旋天线的无源无线位移传感器及位移传感系统。
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、位移和加速度等各参数，这些参数为结构性能的评估提供了可靠的依据。另外，在工程专业的科研中，结构静力试验和材料性能试验占据了一个很重要的地位。在静力试验和材料性能试验中，往往都需要对试验结构进行挠度测量和固定方向的位移测量，以此来评估结构的刚度、强度、舒适度和稳定性等。
目前，在结构变形监测领域中，运用比较广泛的位移传感器仍是传统的位移传感器，如拉线式位移传感器和拉杆式位移传感器。传统的拉线式和拉杆式的位移传感器具有分辨率高、稳定性较好、测量损耗较低、测量精度满足结构监测行业测量要求等优点，但相对的，一方面，对于大型户外结构监测项目，如悬挑结构、高耸结构等，传统位移传感器往往安装较为困难、甚至无法安装；另一方面，对于复杂的结构静力试验监测，传统位移传感器和应变计往往延伸出错综复杂的引线并以此提供能量和传输数据，一方面增大了试验的工作量，一方面也增大了出错几率，且给试验前排障带来了困难。
针对以上传统传感器的改良中，比较有代表性的是激光位移传感器和摄影测量，前者可以实现对位移的非接触式测量，后者则可以实现对距离的非接触式测量和全局测量。但是，一方面，新式传感器的造价相对较为昂贵，且稳定性、精确度等均存在一定问题；另一方面，新式传感器仍旧没有实现无源无线测量，在复杂的静力结构监测中仍会有一定的不便。
发明内容
本发明的目的在于，为解决传统传感器有线提供能量和传输信息的问题，提出了一种基于螺旋天线的无源无线位移传感器及位移传感系统，用于实现结构位移的无源无线检测。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种基于螺旋天线的无源无线位移传感器，包括组件一和组件二，所述组件一包括硅棒、接触头、回弹装置，所述组件二包括螺旋天线、支护管、RFID芯片；
所述支护管为空心薄管，所述螺旋天线套设在支护管外；所述RFID芯片位于所述螺旋天线上端，并与所述螺旋天线串联；同时所述螺旋天线的上端还安装有上部平台，所述RFID芯片和所述支护管均与所述上部平台刚性连接；所述RFID芯片中存储有所述基于螺旋天线的无源无线位移传感器的识别信息；
所述硅棒可上下移动地置于所述支护管中，所述回弹装置包括回弹弹簧和回弹套筒，所述回弹套筒置于所述硅棒的上方并与之接触，所述回弹弹簧位于所述回弹套筒上方并与所述支护管内壁连接，同时所述回弹弹簧外壁设置有滑槽，所述回弹弹簧通过所述滑槽与所述回弹套筒滑动连接，所述硅棒的下端与所述接触头的上端刚性连接。
在本发明中，硅棒作为变化单元置于套设有螺旋天线的支护管中，可以在套设有螺旋天线的支护管内部上下移动。
在本发明中，回弹装置和接触头采用介电常数接近的材料。
进一步，螺旋天线和回弹弹簧材料为黄铜，硅棒材料为硅，接触头材料为塑料，回弹套筒材料为介电常数较低的塑料。
进一步，螺旋天线的螺距、匝数、半径等参数均可优化，从而达到最佳的精度和测试范围。
进一步，本发明适用于测量各种结构体系的位移大小；测量时需将传感器安装在待测点上。
本发明还提供一种基于螺旋天线的无源无线位移传感系统，包括RFID标签、RFID阅读器；
所述RFID标签为基于螺旋天线的无源无线位移传感器，其包括组件一和组件二，所述组件一包括硅棒、接触头、回弹装置，所述组件二包括螺旋天线、支护管、RFID芯片；
所述支护管为空心薄管，所述螺旋天线套设在支护管外；所述RFID芯片位于所述螺旋天线上端，并与所述螺旋天线串联；同时所述螺旋天线的上端还安装有上部平台，所述RFID芯片和所述支护管均与所述上部平台刚性连接；所述RFID芯片中存储有所述基于螺旋天线的无源无线位移传感器的识别信息；
所述硅棒可上下移动地置于所述支护管中，所述回弹装置包括回弹弹簧和回弹套筒，所述回弹套筒置于所述硅棒的上方并与之接触，所述回弹弹簧位于所述回弹套筒上方并与所述支护管内壁连接，同时所述回弹弹簧外壁设置有滑槽，所述回弹弹簧通过所述滑槽与所述回弹套筒滑动连接，所述硅棒的下端与所述接触头的上端刚性连接；
所述RFID阅读器与所述RFID标签无线通信连接，通过所述RFID阅读器检测所述RFID标签的谐振频率。
在本发明中，RFID标签中的两个组件通过外部连接置于测点正对方，可以通过在待测结构上安装夹持装置夹持传感器使其正对测点，也可在外部安装支护装置对传感器进行夹持，使用方式可以类比拉杆式位移传感器。
在RFID标签中，硅棒与螺旋天线一同构成传感单元，当被测构件表面发生位移时，硅棒与螺旋天线发生相对位移，螺旋天线内部高介电常数介质硅棒和低介电常数介质空气的界面发生扰动，其使天线的谐振频率发生漂移。
本发明测量构件位移原理如下：RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的RFID芯片即可被激活。激活RFID标签所需要的RFID阅读器最小发射功率与RFID阅读器所发射信号频率有关，当RFID阅读器以RFID标签中螺旋天线谐振频率发射信号时，激活RFID标签所需的最小发射功率最小。通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率。
当螺旋天线内部高介电常数介质和低介电常数介质的界面发生相对位移时，按照电磁学的微扰动理论，在限定高度范围内，天线(谐振系统)的谐振频率漂移量将相对于结构位移变化量发生线性的变化。
具体的，天线的谐振频率漂移量x与结构位移变化量y可以表达为一次函数，即y＝kx，其中k为线性拟合系数，线性拟合系数k可以通过实验得到，在实验过程中，可以将结构位移变化量y设定为已知的，然后通过RFID阅读器检测出此时天线的谐振频率，进而得到谐振频率的漂移量x，结构位移变化量y与谐振频率漂移量x的比值即为线性拟合系数k。得到线性拟合系数k后，通过RFID阅读器可以检测出待测结构位移变化时天线的谐振频率，进而得到谐振频率的漂移量x，从而可以得到待测结构位移变化量y。
进一步，RFID芯片中存储有基于螺旋天线的无源无线位移传感器的识别信息，所述识别信息包括基于螺旋天线的无源无线位移传感器的编码信息，利用RFID阅读器向RFID标签发射调制的电磁波信号，可以识别该RFID标签的编码信息，当RFID阅读器扫描范围布置多个RFID标签时，RFID阅读器可以根据各RFID标签的编码信息，标记各测点的位移值。
本发明的关键点在于：
(1)关键点一在于，本申请应用了螺旋天线的谐振特性。组件一中的硅棒与组件二中的螺旋天线组成了一个谐振系统。当外界的位移变化使得两组件发生相对位移时，螺旋天线内部高介电常数介质硅和低介电常数介质空气的界面发生相对位移，按照电磁学的微扰动理论，在限定高度范围内，谐振系统的谐振频率将发生线性的变化。
(2)关键点二在于，本申请具有RFID的特征，是一种无源无线的传感器。无源是指本申请不需要通过预装电池或者馈电线进行能量输入，而是通过接收发射天线的电磁波进行能源输入；无线是指本申请不需要额外的馈电线进行数据传输，具体表现为当传感器内部组件一和组件二发生相对位移使得谐振频率发生线性飘移时，可以通过阅读器无源无线获取天线谐振频率的改变量，进而得到硅棒的位移大小，从而得到结构位移的大小。
(3)关键点三在于，本申请中的芯片可以对信息进行简单的存储。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
(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)以天线的谐振频率作为参数测量位移，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；
(4)本申请带有回弹装置，可以起到复位的作用，使得位移传感器能够测量结构的实时位移；
(5)本申请位移传感器的成本较之现有的传感器极为低廉，可以作为预制设备与结构一同设计和建造，建设起同步监测的网络。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于螺旋天线的无源无线位移传感器的轴侧剖切图；
图2为本发明实施例提供的回弹套筒的轴侧剖切图；
图3为本发明实施例提供的螺旋天线的轴侧剖切图；
图4为本发明实施例提供的基于螺旋天线的无源无线位移传感器的正视图；
图5为本发明实施例提供的基于螺旋天线的无源无线位移传感器的安装示意图。
附图标记说明
1-上部平台、2-回弹装置、3-螺旋天线、4-接触头、5-硅棒、6-回弹弹簧、7-回弹套筒、8-RFID芯片、9-支护管；
10-支架、20-基于螺旋天线的无源无线位移传感器、30-测量平面、40-底平玻璃片。
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。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，本发明中的术语应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
为突破传统位移传感器中有源、有线的限制，实现基于RFID的物联网位移监测体系，本发明提出了一种基于螺旋天线的无源无线位移传感器及位移传感系统。
如图1至图4所示，一种基于螺旋天线的无源无线位移传感器，包括组件一和组件二，其中组件一包括硅棒5、接触头4、回弹装置2，组件二包括螺旋天线3、支护管9、RFID芯片8。
对于组件二，螺旋天线3套设在支护管9上，支护管9为一个与螺旋天线3等高、等直径、且厚度为1mm的空心薄管。
进一步，RFID芯片8与螺旋天线3通过串联方式相连接，起到信号调制作用。
进一步，螺旋天线3的上端设置有上部平台1，上部平台1与螺旋天线3的上端通过施焊进行连接，同时RFID芯片8和支护管9均与上部平台1采用胶水刚性连接。
对于组件一，接触头4的上端与硅棒5的下端通过施焊刚性连接，回弹装置2包括回弹弹簧6和回弹套筒7，回弹套筒7位于硅棒5的上方并与之接触但无连接，回弹弹簧6位于回弹套筒7上方，回弹弹簧6外壁设置滑槽，回弹弹簧6通过滑槽与回弹套筒7滑动连接。
进一步，回弹弹簧6外壁与支护管9内壁通过胶水进行粘结，也可将回弹弹簧6外壁与支护管9进行一体化设计以实现连接。
在本发明中，硅棒5作为变化单元置于套设有螺旋天线3的支护管9中，可以在套设有螺旋天线3的支护管9内部上下移动。
在本发明中，回弹装置2和接触头4采用介电常数接近1的材料。
进一步，螺旋天线3和回弹弹簧6材料为黄铜，硅棒5材料为硅，接触头4材料为塑料，回弹套筒7材料为介电常数较低的塑料。
进一步，螺旋天线3的螺距、匝数、半径等参数均可优化，从而达到最佳的精度和测试范围；例如在本实施例中，螺旋天线3的铜丝半径为0.5mm，螺距2mm，匝数为15，半径为11.25mm。
进一步，本发明适用于测量各种结构体系的位移大小；测量时需将传感器安装在待测点上。
本发明还提供一种基于螺旋天线的无源无线位移传感系统，包括RFID标签、RFID阅读器。
其中，RFID标签为上述基于螺旋天线的无源无线位移传感器，RFID标签中的两个组件通过外部连接置于测点正对方，可以通过在待测结构上安装夹持装置夹持传感器使其正对测点，也可在外部安装支护装置对传感器进行夹持，使用方式可以类比拉杆式位移传感器。
作为举例而非限定，本发明实施例提供的基于螺旋天线的无源无线位移传感器的安装示意图如图5所示，在具体安装过程中，先将底平玻璃片40贴在测量平面30的测点处，再将支架10安装在测量平面30上，随测量平面30的变化，支架10与测量平面30的连接方式可以采用但不限于焊接、打孔、增设悬臂结构等，支架10可以包括相互连接的竖部和横部，其竖部安装在测量平面30上，其横部对所述无源无线位移传感器进行夹持，使所述无源无线位移传感器位于支架10横部与底平玻璃片40之间，进一步调整支架10的角度使所述无源无线位移传感器的底部与底平玻璃片30垂直即可。
在RFID标签中，硅棒与螺旋天线一同构成传感单元，当被测构件表面发生位移时，硅棒与螺旋天线发生相对位移，螺旋天线内部高介电常数介质硅棒和低介电常数介质空气的界面发生扰动，其使天线的谐振频率发生漂移。
在本发明中，RFID阅读器与RFID标签无线通信连接，通过RFID阅读器向RFID标签发射电磁波信号以检测RFID标签的谐振频率。
在本发明中，传感系统测量构件位移原理如下：RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的RFID芯片即可被激活。激活RFID标签所需要的RFID阅读器最小发射功率与RFID阅读器所发射信号频率有关，当RFID阅读器以RFID标签中螺旋天线谐振频率发射信号时，激活RFID标签所需的最小发射功率最小。通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率。
当螺旋天线内部高介电常数介质和低介电常数介质的界面发生相对位移时，按照电磁学的微扰动理论，在限定高度范围内，天线(谐振系统)的谐振频率漂移量将相对于结构位移变化量发生线性的变化。
具体的，天线的谐振频率漂移量x与结构位移变化量y可以表达为一次函数，即y＝kx，其中k为线性拟合系数，线性拟合系数k可以通过实验得到，在实验过程中，可以将结构位移变化量y设定为已知的，然后通过RFID阅读器检测出此时天线的谐振频率，进而得到谐振频率的漂移量x，结构位移变化量y与谐振频率漂移量x的比值即为线性拟合系数k。得到线性拟合系数k后，通过RFID阅读器可以检测出待测结构位移变化时天线的谐振频率，进而得到谐振频率的漂移量x，从而得到待测结构位移变化量y。
进一步，RFID芯片中存储有基于螺旋天线的无源无线位移传感器的识别信息，所述识别信息包括基于螺旋天线的无源无线位移传感器的编码信息，利用RFID阅读器向RFID标签发射调制的电磁波信号，可以识别该RFID标签的编码信息，当RFID阅读器扫描范围布置多个RFID标签时，RFID阅读器可以根据各RFID标签的编码信息，标记各测点的位移值。
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 (2)
1.一种基于螺旋天线的无源无线位移传感器，其特征在于：包括组件一和组件二，所述组件一包括硅棒(5)、接触头(4)、回弹装置(2)，所述组件二包括螺旋天线(3)、支护管(9)、RFID芯片(8)；
所述支护管(9)为空心薄管，所述螺旋天线(3)套设在所述支护管(9)外；所述RFID芯片(8)位于所述螺旋天线(3)上端，并与所述螺旋天线(3)串联；同时所述螺旋天线(3)的上端还安装有上部平台(1)，且所述RFID芯片(8)和所述支护管(9)均与所述上部平台(1)刚性连接；所述RFID芯片(8)中存储有所述基于螺旋天线的无源无线位移传感器的识别信息；
所述硅棒(5)可上下移动地置于所述支护管(9)中，所述回弹装置(2)包括回弹弹簧(6)和回弹套筒(7)，所述回弹套筒(7)置于所述硅棒(5)的上方并与之接触，所述回弹弹簧(6)位于所述回弹套筒(7)上方并与所述支护管(9)内壁连接，同时所述回弹弹簧(6)外壁设置有滑槽，所述回弹弹簧(6)通过所述滑槽与所述回弹套筒(7)滑动连接，所述硅棒(5)的下端与所述接触头(4)的上端刚性连接。
2.一种基于螺旋天线的无源无线位移传感系统，其特征在于：包括RFID标签、RFID阅读器；
所述RFID标签为基于螺旋天线的无源无线位移传感器，其包括组件一和组件二，所述组件一包括硅棒(5)、接触头(4)、回弹装置(2)，所述组件二包括螺旋天线(3)、支护管(9)、RFID芯片(8)；
所述支护管(9)为空心薄管，所述螺旋天线(3)套设在所述支护管(9)外；所述RFID芯片(8)位于所述螺旋天线(3)上端，并与所述螺旋天线(3)串联；同时所述螺旋天线(3)的上端还安装有上部平台(1)，所述RFID芯片(8)和所述支护管(9)均与所述上部平台(1)刚性连接；所述RFID芯片(8)中存储有所述基于螺旋天线的无源无线位移传感器的识别信息；
所述硅棒(5)可上下移动地置于所述支护管(9)中，所述回弹装置(2)包括回弹弹簧(6)和回弹套筒(7)，所述回弹套筒(7)置于所述硅棒(5)的上方并与之接触，所述回弹弹簧(6)位于所述回弹套筒(7)上方并与所述支护管(9)内壁连接，同时所述回弹弹簧(6)外壁设置有滑槽，所述回弹弹簧(6)通过所述滑槽与所述回弹套筒(7)滑动连接，所述硅棒(5)的下端与所述接触头(4)的上端刚性连接；
所述RFID阅读器与所述RFID标签无线通信连接，通过所述RFID阅读器向所述RFID标签发射电磁波信号以检测所述RFID标签的谐振频率。
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