CN110030917A - 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 - 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。所述位移传感器包括RFID芯片、上辐射贴片、圆形的基板和开设有变深度斜槽的铝板；上辐射贴片为基板上表面的镀铜层，上辐射贴片上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间部分为馈线，RFID芯片粘贴在馈线的表面上，基板与铝板紧密接触之后组成圆形贴片天线，当基板沿铝板的斜槽长度方向发生相对移动时，基板下部的斜槽的深度发生变化，当RFID芯片被激活后，圆形贴片天线的电长度、电容、电感等发生变化，随之谐振频率发生变化，进而通过圆形贴片天线谐振频率的变化可以监测待测构件的位移变化。
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。
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，可检测如相对位移、应变、裂缝、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，相对位移可直接反应结构的损伤状态，是结构评估中的重要参数。
建筑物在地震发生后，会发生变形。当房屋的层间位移大于弹性限值时，材料可能会发生塑性变形，对结构产生不利影响；隔震橡胶支座、BRB等抗震构件发生的变形超过一定的限值后，就视为构件失效，需要进行更换。
随着计算机科学、传感器技术及通信技术的飞速发展，在土木工程结构的施工和营运阶段开始引入传感器网络，用于采集与结构状态相关的物理量(位移、加速度、应变等)。为了监测这些物理量，过去数十年，研究者和工程师开发了许多传感技术，如利用压电阻抗、波导、声发射、光纤等技术，对这些物理量进行监测。但目前应用的大部分传感技术需要持续的电源供应，以及采用有线的方式进行采集信号的传输，这样在应用传感技术时，需要大量的电源线和数据线，且需要很多人力进行线路的布置，导致成本高昂，使结构健康监测系统变得复杂，也难以维护。当需要增加新的传感器时，整个监测系统可能难以调整，很难适应这些传感器网络之间的连接，因此也增加了系统的成本。
为了解决传统传感器需要数据传输线的问题，将无线传感器网络(wirelesssensor network)应用在结构健康监测领域中，降低传感器的安装费用，可安装更多的传感器，以获取更多与结构健康状态相关的数据。针对传感器持续采集所需要的电源的问题，为了降低对电源线的需求，采用了energy harvest的技术，利用环境振动能源、太阳能、电池等对传感器进行供电，但是，以无线传感器网络为标志的第四代传感器网络还是处于研究阶段，正处于研究和开发阶段，暂时不可以成熟的应用到结构健康监测中。无线传感器网络在根本上无法解决电源的问题。
土木工程结构的服役期一般为50年，重要的基础设施要求100年，由于服役期长、体量大，对传感器的要求有一定的特殊性：低成本、耐久性高、可覆盖(可埋置)。
土木工程有其自身的特点，对传感器有着与其他领域的不同要求，需要针对土木工程的特有环境开发出满足需要的传感器。将健康监测系统应用在大规模的土木工程，为了监测局部的物理量，需要大量的传感器，形成具有分布式传感器的监测系统(distributed sensor-based SHM)，同时要求传感器造价低、可靠性好，这样才可以提高传感器空间分布的密度(spatial granularity)。因此，需要寻找一种无需能源供应、可无线传输、耐久性好且价格低廉的传感器，用于结构局部损伤的监测，如应变、位移、裂缝、腐蚀等。
对于传统的传感器，传感器布置和信号采集采用有线的方式，作业复杂、引线众多、采集设备价格不菲，尽管目前采用一些如Zigbee、Wifi等无线通信方式进行了改善，但还不能从根本上克服这一缺点。传统的传感器在信号采集过程中需要实时的电源供电，而结构在经历灾害时可能发生供电失效的问题，导致信号采集系统无法获得灾害发生时的数据。
发明内容
本发明的目的在于，为解决传统有源有线的位移计断电失效等问题，提供一种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，针对土木工程结构受力和变形的特点，结合传感理论研究、数值模拟和试验测试，将无需能源供应、无线传输且成本低的射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)应用于结构或者构件的位移监测，可避免因电源线、数据线引起的缺点，并可降低传感器的成本。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，包括组件一和铝板；组件一包括RFID芯片、上辐射贴片、圆形的基板、馈线；
上辐射贴片为基板上表面的镀铜层，上辐射贴片上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间部分为馈线，RFID芯片粘贴在馈线的表面上；组件一通过基板的下表面可移动地设置在铝板上，铝板上开设有沿铝板长度方向的且变深度的斜槽，馈线长度方向与斜槽长度方向垂直，组件一与铝板可沿斜槽长度方向相对移动；
上辐射贴片、基板、铝板、馈线共同构成圆形贴片天线，RFID芯片中存储有圆形贴片天线的识别信息。
进一步，组件一的中心位置位于斜槽长度方向的中心线上。
在本发明中，组件一与带有斜槽的铝板之间无粘结，且组件一可在铝板的斜槽长度方向无阻碍移动。组件一和带有斜槽的铝板分别通过胶水粘贴于两待测构件上或同一待测构件的两侧，因在位移发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。当两待测构件沿铝板的斜槽长度方向产生相对位移时，组件一和铝板的相对位置发生变化，从而使基板下方对应的铝板的斜槽深度发生变化，使得该位移传感器的形式发生变化，谐振频率发生变化。
在本发明中，可以通过调整圆形贴片天线的尺寸，以提高圆形贴片天线的灵敏度及量程。
本发明还提供一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感系统，包括RFID阅读器、RFID标签；RFID标签为上述采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，RFID阅读器与RFID标签无线通信连接，RFID阅读器通过向RFID标签发射电磁波以检测圆形贴片天线的谐振频率。
在本发明中，圆形贴片天线的谐振频率与圆形贴片天线的结构形式一一对应，即与圆形贴片天线基板下部斜槽的深度一一对应。因此通过检测出圆形贴片天线的谐振频率，可以得出铝板和基板之间的相对位移，即可以得到两待测构件的相对位移。当圆形贴片天线的形状随着待测构件的相对位移发生变化，通过RFID阅读器无源无线的获取圆形贴片天线的谐振频率，进而得到待测构件的相对位移。
进一步，该位移传感系统的工作原理为：
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标签中圆形贴片天线的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标签中圆形贴片天线的谐振频率。
因为每个谐振频率都对应于一个天线的形状和位置，每个天线的形状和位置都对应于一个具体的相对位移。因此，本发明圆形贴片天线的谐振频率与圆形贴片天线的结构形式一一对应，即与圆形贴片天线基板下部斜槽的深度一一对应。因此通过检测出圆形贴片天线的谐振频率，即可得出出铝板和基板之间的相对位移，即可以得到两待测构件的相对位移。
进一步，当圆形贴片天线的谐振频率随着待测构件的相对位移发生变化时，按照电磁学的微扰动理论，圆形贴片天线(谐振系统)的谐振频率将相对于待测构件的相对位移值呈线性变化。
具体的，圆形贴片天线的谐振频率x与待测构件的相对位移值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，可以将待测构件的相对位移值y设定为已知的，然后通过本发明公开的位移传感系统检测出此时圆形贴片天线的谐振频率x，待测构件的相对位移值y与圆形贴片天线的谐振频率x的比值即为线性拟合系数k。得到线性拟合系数k后，通过本发明公开的位移传感系统可以检测出待测结构位移变化时圆形贴片天线的谐振频率x，进而可以得到待测构件的相对位移值y。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明应用了圆形贴片天线的谐振特性。圆形贴片天线的基板与下铝板紧密接触之后组成圆形贴片天线，当组件一沿铝板的斜槽长度方向发生相对移动时，基板下部的斜槽的深度发生变化，当RFID芯片被激活，圆形贴片天线工作时，圆形贴片天线的电长度、电容、电感等发生变化，随之谐振频率发生变化。
(2)RFID芯片中携带RFID标签的编码信息，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，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，标记各测点的相对位移。
(3)本发明包括组件一和开有斜槽的铝板，通过组件一的基板下部的斜槽的深度的变化而使圆形贴片天线的形状发生改变，从而使谐振频率发生变化，使其性能更加可靠。
(4)本发明以圆形贴片天线的谐振频率作为参数测量相对位移，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。
(5)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。
(6)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；
(7)采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器成本较低。如批量生产，组件一每片的成本不到一元人民币，铝板价格也较低廉，基板可以采用FR4-epoxy等低成本的材料。
(8)当需要安装多个位移计时，无需布线，且RFID芯片可存储圆形贴片天线的ID、位置等简单信息，互不干扰。
附图说明
图1为本发明实施例提供的采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器的示意图；
图2为本发明实施例提供的采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器的俯视图；
图3为本发明实施例提供的采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器的主视图。
附图标记说明
1-RFID芯片、2-上辐射贴片、3-基板、4-铝板、5-斜槽、6-馈线。
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。
如图1至图3所示，一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，包括组件一和铝板4。其中，组件一包括RFID芯片1、上辐射贴片2、圆形的基板3、馈线6。
铝板4上开设有变深度的斜槽5，斜槽5的宽度固定，斜槽5的长度方向与铝板4长度方向一致，同时斜槽5的深度沿其长度方向呈一定斜率变化；经试验证实，斜率大，量程越小，精度越高。
进一步，基板3放置在铝板4的上表面，且基板3与铝板4之间可相对移动，上辐射贴片2为基板3上表面的镀铜层，同时上辐射贴片2上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间的长条状部分为馈线6，馈线6的长度方向与铝板4的斜槽5长度方向始终保持垂直，RFID芯片1采用胶水粘贴在馈线6的表面上；同时，组件一的中心位置位于铝板4的斜槽5在长度方向的中心线上。在本发明中，组件一与带有斜槽5的铝板4之间无粘结，且组件一可沿铝板4的斜槽5长度方向无阻碍移动。
进一步，组件一和带有斜槽5的铝板4分别通过胶水粘贴于两待测构件上或一个待测构件的两侧上，因在位移发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。当待测构件沿铝板4的斜槽5长度方向产生相对位移时，组件一和铝板4的相对位置发生变化，从而使基板3下方对应的铝板4的斜槽5深度发生变化，使得该位移传感器的形式发生变化，谐振频率发生变化。
在发明中，上辐射贴片2、基板3、铝板4、馈线6共同构成圆形贴片天线，RFID芯片1存储有圆形贴片天线的识别信息，所述识别信息包括圆形贴片天线的ID编码、位置等简单信息。
在本实施例中，基板3的材料选用FR4-epoxy，其形状为扁圆柱体，厚度为2mm；上辐射贴片2为镀铜层，厚度为0.05mm，形状为圆形，且刻蚀有两个矩形开口；下贴片铝板4的材质为铝，铝板4上斜槽5的宽度为2mm。
在本发明中，可以通过调整圆形贴片天线的尺寸，以提高圆形贴片天线的灵敏度及量程。具体可以通过HFSS软件、改变圆形贴片天线的尺寸参数，进行大量的优化仿真，挑选出合适的尺寸。
进一步，本发明还提供一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感系统，采用RFID技术，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
本发明提供的一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感系统包括RFID阅读器、RFID标签。
其中，RFID标签为上述采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，因此RFID标签包括圆形贴片天线和RFID芯片1，圆形贴片天线包括上辐射贴片2、圆形的基板3、铝板4、馈线6。
在本发明中，RFID阅读器与RFID标签无线通信连接，当圆形贴片天线的形状可以随着待测构件的相对位移发生变化，可以通过RFID阅读器无源无线地检测圆形贴片天线的谐振频率。
本发明提出的位移传感系统的工作原理为：
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1即可被激活。激活RFID标签所需要的最小发射功率与RFID阅读器所发射信号频率有关，当RFID阅读器以RFID标签中圆形贴片天线的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标签中圆形贴片天线的谐振频率。
因为每个谐振频率都对应于一个天线的形状和位置，每个天线的形状和位置都对应于一个具体的相对位移。因此，本发明圆形贴片天线的谐振频率与圆形贴片天线的结构形式一一对应，即与圆形贴片天线基板下部斜槽的深度一一对应。因此通过检测出圆形贴片天线的谐振频率，即可得出出铝板和基板之间的相对位移，即可以得到两待测构件的相对位移。
进一步，当圆形贴片天线的谐振频率随着待测构件的相对位移发生变化时，按照电磁学的微扰动理论，圆形贴片天线(谐振系统)的谐振频率将相对于待测构件的相对位移值呈线性变化。
具体的，圆形贴片天线的谐振频率x与待测构件的相对位移值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，可以将待测构件的相对位移值y设定为已知的，然后通过本发明公开的位移传感系统检测出此时圆形贴片天线的谐振频率x，待测构件的相对位移值y与圆形贴片天线的谐振频率x的比值即为线性拟合系数k。得到线性拟合系数k后，通过本发明公开的位移传感系统可以检测出待测结构位移变化时圆形贴片天线的谐振频率x，进而可以得到待测构件的相对位移值y。进而，通过圆形贴片天线的谐振频率的改变量即可得到待测构件的相对位移变化量。
进一步，RFID芯片1存储有圆形贴片天线的识别信息，所述识别信息包括圆形贴片天线的ID编码、位置等简单信息。
由于利用RFID阅读器的天线向RFID标签发射调制的电磁波信号，可以识别该RFID标签的编码，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，标记不同构件间的相对位移。
具体的，RFID标签的组件一和铝板通过胶水分别贴在被测构件的两侧，当组件一和铝板的相对位置发生变化时，圆形贴片天线的谐振频率发生变化，RFID阅读器发射电磁波，检测谐振频率的实时大小，每一个谐振频率对应一个相对位移。
在本实施例中，铝板4上部开有2mm宽的斜槽5，当圆形贴片天线被激活工作时，铝板4上表面会产生一定方向的电流，当圆形贴片天线的基板3和开斜槽5的铝板4的相对位置发生变化时，基板3下方的铝板的斜槽5深度发生变化，从而铝板4上的电流路径发生变化，从而改变圆形贴片天线的电长度、电容、电感等特性，从而使圆形贴片天线的谐振频率发生变化，进而得出待测构件的相对位移变化量。
由此可知，本发明通过电磁波激活圆形贴片天线使其工作，不需要额外的电源，实现传感器的无源。本发明采用RFID(Radio Frequency Identification)传感技术为大规模分布式传感器监测系统的应用提供了可能。在物联网、云计算和大数据信息技术迅速发展的背景下，基于RFID的无源无线传感技术，可极大地降低传感器网络的成本和安装工作量，将大规模分布式传感器监测系统应用于重要的结构、基础设施及生命线工程，可以无缝地接入物联网，将数据分布式地存储在云端，运用大数据的分析和挖掘及云端计算，在基于数据与破坏模式之间的相关关系上发展智能、可靠的结构安全评估方法。
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 (3)
1.一种采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，其特征在于：包括组件一和铝板(4)；所述组件一包括RFID芯片(1)、上辐射贴片(2)、圆形的基板(3)、馈线(6)；
所述上辐射贴片(2)为所述基板(3)上表面的镀铜层，所述上辐射贴片(2)上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间部分为所述馈线(6)，所述RFID芯片(1)粘贴在所述馈线(6)的表面上；所述组件一通过所述基板(3)的下表面可移动地设置在所述铝板(4)上，所述铝板(4)上开设有沿所述铝板(4)长度方向的且变深度的斜槽(5)，所述馈线(6)长度方向与所述斜槽(5)长度方向垂直，所述组件一与所述铝板(4)可沿所述斜槽(5)长度方向相对移动；
所述上辐射贴片(2)、基板(3)、铝板(4)、馈线(6)共同构成圆形贴片天线，所述RFID芯片(1)中存储有所述圆形贴片天线的识别信息。
2.根据权利要求1所述的采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器，其特征在于：所述组件一的中心位置位于所述斜槽(5)长度方向的中心线上。
3.一种采用圆形贴片天线的无源无线RFID位移传感系统，其特征在于：包括RFID阅读器、RFID标签；
所述RFID标签为采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器；所述采用圆形贴片天线的无源无线位移传感器包括组件一和铝板(4)；所述组件一包括RFID芯片(1)、上辐射贴片(2)、圆形的基板(3)、馈线(6)；
所述上辐射贴片(2)为所述基板(3)上表面的镀铜层，所述上辐射贴片(2)上蚀刻有两个并列设置的矩形开口，两个矩形开口之间部分为所述馈线(6)，所述RFID芯片(1)粘贴在所述馈线(6)的表面上；所述组件一通过所述基板(3)的下表面可移动地设置在所述铝板(4)上，所述铝板(4)上开设有沿所述铝板(4)长度方向的且变深度的斜槽(5)，所述馈线(6)长度方向与所述斜槽(5)长度方向垂直，所述组件一与所述铝板(4)可沿所述斜槽(5)长度方向相对移动；
所述上辐射贴片(2)、基板(3)、铝板(4)、馈线(6)共同构成圆形贴片天线，所述RFID芯片(1)中存储有所述圆形贴片天线的识别信息；
所述RFID阅读器与所述RFID标签无线通信连接，所述RFID阅读器通过向所述RFID标签发射电磁波信号以检测所述圆形贴片天线的谐振频率。
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