CN110110834A - 基于倒f天线的无源无线rfid位移传感器及传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑、桥梁结构健康监测技术领域，提供一种基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器及位移传感系统。该移传感器包括组件一和耦合线；组件一包括RFID芯片、上辐射贴片、接地孔、基板、下辐射贴片；耦合线为镀铜片，其放置在基板和上辐射贴片的表面上，且耦合线可在组件一上沿竖部的长度方向移动；上辐射贴片、接地孔、基板、下辐射贴片与耦合线共同构成倒F天线，RFID芯片存储有倒F天线的识别信息；当倒F天线的谐振频率随着待测构件的相对位移发生变化时，通过电磁波激活倒F天线使其工作，并检测倒F天线的谐振频率，进而通过倒F天线的谐振频率监测待测构件的相对位移。
Description
技术领域
本发明属于建筑、桥梁结构健康监测技术领域，具体设计一种基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器及传感系统。
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，可以将无线传感器网络(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，可以采用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，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。
发明内容
为解决传统有源有线的位移计断电失效等问题，本发明提供一种基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器及传感系统，以实现结构或者构件的位移无源无线监测。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
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。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器，包括组件一和耦合线；
所述组件一包括RFID芯片、上辐射贴片、接地孔、基板、下辐射贴片；所述上辐射贴片为基板上表面一侧的“L”型的镀铜层，其包括垂直连接的竖部和横部；所述RFID芯片粘贴在所述竖部上；所述横部的端部开设有贯穿所述基板的所述接地孔，所述接地孔内壁镀铜；所述下辐射贴片为所述基板下表面另一侧的镀铜层，同时，所述下辐射贴片的一条边穿过所述接地孔，所述下辐射贴片与所述上辐射贴片通过所述接地孔连接。
所述耦合线为镀铜片，其放置在所述基板和所述上辐射贴片的表面上，并与所述竖部相互垂直，所述耦合线可在所述组件一上沿所述竖部的长度方向移动；
所述上辐射贴片、接地孔、基板、下辐射贴片与所述耦合线共同构成倒F天线，所述RFID芯片存储有所述倒F天线的识别信息。所述识别信息可以包括倒F天线的ID编码、位置等简单信息。
在本发明中，可以将该位移传感器的组件一和耦合线分别用胶水粘贴于被测构件的两侧，因在被测构件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。
在本发明中，上辐射贴片、接地孔、基板、下辐射贴片、耦合线共同组成倒F天线，当耦合线沿上辐射贴片的竖部长度方向移动时，倒F天线的电容和电感发生变化，随之倒F天线的谐振频率发生变化。
本发明提供的基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器可以与RFID阅读器构成基于倒F天线的无源无线RFID位移传感系统；其中，基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器作为RFID标签，其包括组件一和耦合线；
所述组件一包括RFID芯片、上辐射贴片、接地孔、基板、下辐射贴片；所述上辐射贴片为基板上表面一侧的“L”型的镀铜层，其包括垂直连接的竖部和横部；所述RFID芯片粘贴在所述竖部上；所述横部的端部开设有贯穿所述基板的所述接地孔，所述接地孔内壁镀铜；所述下辐射贴片为所述基板下表面另一侧的镀铜层，同时，所述下辐射贴片的一条边穿过所述接地孔，所述下辐射贴片与所述上辐射贴片通过所述接地孔连接。
所述耦合线为镀铜片，其放置在所述基板和所述上辐射贴片的表面上，并与所述竖部相互垂直，所述耦合线可在所述组件一上沿所述竖部的长度方向移动；所述上辐射贴片、接地孔、基板、下辐射贴片与所述耦合线共同构成倒F天线，所述RFID芯片存储有所述倒F天线的识别信息。
进一步，所述RFID阅读器与所述RFID标签无线通信连接，当倒F天线的谐振频率随着待测构件的相对位移发生变化时，所述RFID阅读器通过电磁波激活所述倒F天线使其工作，并检测倒F天线谐振频率的大小，每一个谐振频率对应待测构件的一个相对位移。
本发明测量带测构件相对位移的工作原理如下：
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。激活标签所需要的阅读器最小发射功率P min(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中倒F天线谐振频率发射信号时，激活标签所需的最小发射功率P min(fR)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。
当倒F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，倒F天线(谐振系统)的谐振频率相对于待测构件的相对位移值呈线性变化。
具体的，倒F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倒F天线的谐振频率x，待测构件的相对位移值y与倒F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倒F天线的谐振频率x，可以得到待测构件的相对位移值y。进而，通过倒F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，本发明可以利用RFID阅读器向RFID标签发射调制的电磁波信号，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，标记不同待测构件间的相对位移。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)通过倒F天线的形状的改变而使谐振频率发生变化，使其性能更加可靠.
(2)通过RFID阅读器无源无线获取天线谐振频率，进而得出待测构件的相对位移量；以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。
(3)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；
(4)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。
(5)RFID芯片中携带标签的ID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阅读器可以根据各标签的编码，标记各测点的相对位移。
(6)采用倒F天线的无源无线RFID位移传感器成本较低；偶极子标签(dipole tag)每片的成本不到一元人民币，基材亦可以采用FR4-epoxy等低成本的材料；且天线的制作可以采用打印的方式。
(7)当需要安装多个位移计时，无需布线，且RFID芯片可存储贴片天线的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基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器的仰视示意图。
附图标记说明
1-RFID芯片、2-上辐射贴片、3-接地孔、4-基板、5-下辐射贴片、6-耦合线。
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。
本发明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，设计和开发了基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器及位移传感系统，该基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器可避免因电源线、数据线引起的缺点，降低传感器的成本。
如图1至图3所示，一种基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器，包括组件一和耦合线6，其中组件一包括RFID芯片1、上辐射贴片2、接地孔3、基板4、下辐射贴片5。
如图2所示，上辐射贴片2为基板4上表面一侧的“L”型的镀铜层，其包括垂直连接的竖部和横部，其横部的右端处开设有贯穿基板4的接地孔3，接地孔3内壁镀铜，RFID芯片1采用胶水粘贴在上辐射贴片2的竖部上。
如图1和图3所示，下辐射贴片5为基板4下表面另一侧的镀铜层，作为举例而非限定，上辐射贴片2位于基板4上表面的左侧，下辐射贴片5位于基板4下表面的右侧；同时，下辐射贴片5的一条边穿过接地孔3，下辐射贴片5与上辐射贴片2之间通过接地孔3连接。
进一步，耦合线6为镀铜片，其放置在基板4和上辐射贴片2的表面上(由于上辐射贴片2的厚度极小，因此基板4的表面和上辐射贴片2的表面可以视为一个平面)，并与上辐射贴片2的竖部相互垂直，且耦合线6可在组件一上沿上辐射贴片2竖部的长度方向无阻碍移动。
在本发明中，可以将该位移传感器的组件一和耦合线6分别用胶水粘贴于被测构件的两侧，可以是组件一的基板下面或下辐射贴片与待测构件黏贴，耦合线的上面与待测构件黏贴。因在被测构件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。
在本发明中，上辐射贴片2、接地孔3、基板4、下辐射贴片5、耦合线6共同组成倒F天线，当耦合线6沿上辐射贴片2的竖部长度方向移动时，倒F天线的电容和电感发生变化，随之倒F天线的谐振频率发生变化。
在本发明中，RFID芯片1用于存储倒F天线的识别信息，所述识别信息包括倒F天线的ID编码、位置等简单信息；基板4材料选用FR4-epoxy；接地孔3的镀铜层厚度为0.05mm；下辐射贴片5和上辐射贴片2的镀铜层厚度为0.05mm；耦合线6的厚度为0.1mm。
本发明还提供一种基于倒F天线的无源无线RFID位移传感系统，包括RFID标签、RFID阅读器。其中，RFID阅读器与RFID标签无线通信连接。
进一步，RFID标签为本发明提供的基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器。当倒F天线的谐振频率随着待测构件的相对位移发生变化时，RFID阅读器通过电磁波激活倒F天线使其工作，并检测出倒F天线的谐振频率。
本发明测量带测构件相对位移的工作原理如下：
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。激活标签所需要的阅读器最小发射功率P min(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中倒F天线谐振频率发射信号时，激活标签所需的最小发射功率P min(fR)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。
当倒F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，倒F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，倒F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倒F天线的谐振频率x，待测构件的相对位移值y与倒F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倒F天线的谐振频率x，可以得到待测构件的相对位移值y。进而，通过倒F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。
在本发明中，RFID芯片1用于存储倒F天线的识别信息，所述识别信息包括倒F天线的ID编码、位置等简单信息。
进一步，可以利用RFID阅读器向RFID标签发射调制的电磁波信号，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，标记不同待测构件间的相对位移。RFID标签的两个组件分别通过胶水分别贴在被测构件的两侧，当组件一和耦合线的相对位置发生变化时，倒F天线的谐振频率发生变化，RFID阅读器发射电磁波，检测倒F天线谐振频率的实时大小，每一个谐振频率对应一个相对位移。
在本发明中，可以通过调整倒F天线的尺寸以提高倒F天线的灵敏度及量程，可以采用HFSS软件，改变天线的尺寸参数，进行大量的优化仿真，挑选出合适的尺寸。
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)
1.一种基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器，其特征在于：包括组件一和耦合线(6)；
所述组件一包括RFID芯片(1)、上辐射贴片(2)、接地孔(3)、基板(4)、下辐射贴片(5)；所述上辐射贴片(2)为基板(4)上表面一侧的“L”型的镀铜层，其包括垂直连接的竖部和横部；所述RFID芯片(1)粘贴在所述竖部上；所述横部的端部开设有贯穿所述基板(4)的所述接地孔(3)，所述接地孔(3)内壁镀铜；所述下辐射贴片(5)为所述基板(4)下表面另一侧的镀铜层，同时所述下辐射贴片(5)的一条边穿过所述接地孔(3)，所述下辐射贴片(5)与所述上辐射贴片(2)通过所述接地孔(3)连接；
所述耦合线(6)为镀铜片，其放置在所述基板(4)和所述上辐射贴片(2)的表面上，并与所述竖部相互垂直，所述耦合线(6)可在所述组件一上沿所述竖部的长度方向移动；
所述上辐射贴片(2)、接地孔(3)、基板(4)、下辐射贴片(5)与所述耦合线(6)共同构成倒F天线，所述RFID芯片(1)存储有所述倒F天线的识别信息。
2.一种基于倒F天线的无源无线RFID位移传感系统，其特征在于：包括RFID标签、RFID阅读器；
所述RFID标签为基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器，所述基于倒F天线的无源无线RFID位移传感器包括组件一和耦合线(6)；
所述组件一包括RFID芯片(1)、上辐射贴片(2)、接地孔(3)、基板(4)、下辐射贴片(5)；所述上辐射贴片(2)为基板(4)上表面“L”型的镀铜层，其包括垂直连接的竖部和横部；所述RFID芯片(1)粘贴在所述竖部上；所述横部的端部开设有贯穿所述基板(4)的所述接地孔(3)，所述接地孔(3)内壁镀铜；所述耦合线(6)为镀铜片，其放置在所述基板(4)和所述上辐射贴片(2)的表面上，并与所述竖部相互垂直，所述耦合线(6)可在所述组件一上沿所述竖部的长度方向移动；
所述上辐射贴片(2)、接地孔(3)、基板(4)、下辐射贴片(5)与所述耦合线(6)共同构成倒F天线，所述RFID芯片(1)存储有所述倒F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阅读器通过电磁波激活所述倒F天线使其工作，并检测所述倒F天线的谐振频率。
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