CN110598815A - 一种基于uhf无源rfid的金属结构健康检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法：构建3D模型弯折贴片偶极子传感标签；确定金属结构表面的缺陷与所述传感标签内部特征变化的关系；根据所述关系获取所述传感标签与RFID阅读器之间的振幅和相位特征；根据所述振幅和相位特征训练金属结构表面的缺陷，并提取对应缺陷的特征绘制特征曲线函数，从而完成基于UHF无源RFID对金属结构的检测。本发明通过以上设计解决了传统标签无法对金属进行特征检测的问题。本发明方法灵活，具有很强的推广应用价值。

Description

一种基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法

技术领域

本发明属于实用机械与民用基础设施建设的结构健康监测领域，尤其涉及一种基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法。

背景技术

目前国内外在大量使用金属材料设计和制作机架、桥梁和建筑物的承载物、标志性建筑和娱乐设施等等，金属在人们的生活中无处不在。针对一直承载巨大压力和常年裸露于外界环境的金属，其金属结构不容有半点差池，由于金属长期的承载压力和环境风化、侵蚀，金属结构上的疲劳或者腐蚀导致的未知因素可能会诱发危险事故，危及到社会群众生命安全和社会财产安全，因此针对SHM来说，检测金属结构的健康不可或缺。

传统RFID技术用来目标跟踪定位和身份识别，不能感知事物结构性的动态变化和发展趋势，随着物联网(Internet Of Things)与大数据时代的来临，将感知能力引入RFID技术，可以通过系统了解现实对象的状态，同时集成到全球网络物理基础设施中。目前有人研究过基于无源UHF RFID温度标签的温度监测系统和基于无源UHF RFID MPU6050倾斜标签的建筑物倾斜监测系统等，同时也有抗金属无源RFID标签天线设计，这种设计规避了标签天线对金属的不适应性，回避了金属这种辐射边界物质，这一系列的传感标签都是以较薄的FR4板材为基底且天线尺寸大，由于标签天线靠近金属表面上，会极大的改变标签天线的阻抗、降低天线的增益、影响标签散射方向和效率，以致阅读器接收不到后向散射波，因此这些传感标签无法检测金属结构的特征变化。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法，解决了传统标签无法对金属进行特征检测的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于UHF无源RFID金属结构健康的检测方法，包括如下步骤：

S1、构建3D模型弯折贴片偶极子传感标签；

S2、确定金属结构表面的缺陷与所述传感标签内部特征变化的关系；

S3、根据所述关系获取所述传感标签与RFID阅读器之间的振幅和相位特征；

S4、根据所述振幅和相位特征训练金属结构表面的缺陷，并根据提取对应缺陷的特征，绘制特征曲线函数，从而完成基于UHF无源RFID对金属结构的检测。

进一步地，所述步骤S1中传感标签包括16mm厚的FR4基板、附着于所述FR4基板表面的天线臂，以及与所述天线臂连接的射频芯片。

再进一步地，所述步骤S1包括如下步骤：

S101、根据辐射边缘效应确定传感标签的尺寸；

S102、选择射频芯片，并确定该射频芯片在不同工作频率下的阻抗特性；

S103、建立与所述射频芯片阻抗匹配的传感标签天线臂，并将传感标签的天线臂向下弯折，形成3D模型；

S104、调节传感标签天线臂的参数使其与所述射频芯片的阻抗相匹配，并优化传感标签的方向，以及方向上的增益和驻波比，从而完成3D模型弯折贴片偶极子传感标签的构建。

再进一步地，所述步骤S2包括如下步骤：

S201、针对金属结构表面缺陷的宽度以及金属结构表面缺陷与传感标签的距离在固定情况下时，通过改变金属结构表面缺陷的深度，得到传感标签内部的特征变化情况；

S202、针对金属结构表面缺陷的深度和宽度在固定情况下时，通过改变金属结构表面缺陷与固定传感标签的距离，得到传感标签内部的特征变化情况；

S203、针对金属结构表面缺陷的深度以及金属结构表面缺陷和与传感标签的距离在固定情况下时，通过改变金属表面缺陷的宽度，得到传感标签内部的特征变化情况。

再进一步地，所述步骤S3包括如下步骤：

S301、通过调节RFID阅读器与传感标签的距离和方向，激活传感标签；

S302、通过阅读器向传感标签发送连续波，接收传感标签的后向散射调制信号；

S303、利用相干接收机对RFID阅读器接收到的后向散射信号进行解调，产生基带信号；

S304、利用零差同相/正交解调将所述基带信号分解为由传感标签上感应电流产生的恒定信号和传感标签产生的时变信号；

S305、将零差同相/正交解调的I路的恒定信号和时变信号，以及Q路的恒定信号和时变信号经过滤波器滤除I路和Q路的恒定信号，得到I路和Q路的时变信号；

S306、利用I路和Q路的时变信号得到由金属结构表面缺陷引起的传感标签后向散射信号的振幅和相位变化，从而获取传感标签与RFID阅读器之间的振幅和相位。

再进一步地，所述步骤S4包括如下步骤：

S401、根据金属结构表面的一个缺陷在RFID阅读器不同频率扫描下得到的振幅和相位建立一个二维数据集；

S401、根据金属结构表面的多个缺陷训练得到一个三维数据库；

S402、利用奇异值分解方法将三维数据库中的振幅和相位特征进行融合计算，得到金属结构表面中每一个缺陷对应的特征向量；

S403、将所述特征向量进行投影处理，得到特征向量的投影系数，并将所述投影系数作为金属结构表面缺陷的特征；

S404、根据所述金属结构表面的多个缺陷特征绘制得到特征曲线函数，从而完成基于UHF无源RFID的金属结构检测。

本发明的有益效果：

(1)本发明考虑金属是一种辐射边界条件，针对现有的传感标签无法靠近金属对金属性质的物体进行特征检测，本发明设计了一个3D模型的弯折偶极子传感标签，可以合理的利用金属特性对金属结构特征变化进行检测；

(2)本发明提出了一种基于UHF无源RFID金属结构健康检测方法，提供了一种除超声波检测、涡流检测等无损检测以及无线传感的新方法；

(3)本发明采用间接测量的方式检测金属结构特征，建立数据集，引入奇异值分解(SVD)的方法，避免了直接使用网络矢量分析仪测量数据的步骤，为RFID传感器系统提供了新的数据处理方法；

(4)本发明虽然只是针对金属缺陷做了研究，但是同样能够检测其他非金属结构缺陷，进一步完善了结构健康检测的全面性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明中金属结构检测框图。

图3为本发明中传感标签的结构示意图。

图4为本发明中特征信号的流程图。

图5为本发明中同一缺陷在不同频率扫描下测量的幅值和相位数据集示意图。

图6为本发明中训练多个缺陷的特征数据集示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图1所示，本发明提供了基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法，其具体实现框图如图2所示。本发明根据金属结构在裸露环境下或是巨大压力下，金属表面出现缺陷(裂纹)，间接引起天线臂的阻抗发生变化，根据这一特征变化就可以利用RFID技术实现对金属结构健康实时检测。具体实现步骤如下：

S1、构建3D模型弯折贴片偶极子传感标签，如图3所示，所述步骤S1中传感标签包括16mm厚的FR4基板、附着于所述FR4基板表面的天线臂，以及与所述天线臂连接的射频芯片。

本实施例中，针对步骤S1中3D模型小型化弯折贴片偶极子传感标签设计，首先考虑由于传感标签靠近金属表面，会极大的改变传感标签的阻抗、降低传感标签的增益、影响标签散射方向和效率因素，选择升高FR4介质板材，将标签天线适当远离金属表面，由此形成3D模型。实现步骤S1的具体步骤如下：

S101、根据辐射边缘效应确定传感标签的尺寸。

本实施例中，首先考虑传感标签的尺寸，根据辐射边缘效应可知传感标签的尺寸越大，边缘效应越强；传感标签尺寸越小，会导致辐射效率降低，进而降低通信性能，缩短阅读器与传感标签的距离。因此传感标签尺寸需要折中考虑，传感标签尺寸需要减小到与需要检测的最大裂纹缺陷的恰到好处，以最大限度地提高灵敏度的同时也要易于部署，并且不受附近物体的影响。进一步地，为降低因阻抗不匹配造成的驻波消耗能量，以求传感标签充分的利用能量，使得远距离检测金属裂纹，因此需要设计传感标签与射频芯片阻抗匹配。

S102、选择射频芯片，并确定该射频芯片在不同工作频率下的阻抗特性。

本实施例中，根据具体情况需求选择射频芯片，利用射频芯片数据手册，采用ADS软件建立仿真该射频芯片在不同工作频率下的阻抗特性，为实现传感标签与射频芯片实现阻抗匹配提供数据参考。

S103、建立与所述射频芯片阻抗匹配的传感标签天线臂，并将传感标签的天线臂向下弯折，形成3D模型。

本实施例中，采用HFSS天线仿真软件设计与射频芯片阻抗匹配的传感标签。采用弯折天线臂可以极大的减小天线臂伸展尺寸，同时为合理的利用空间减小天线的尺寸，将天线臂向下弯折，形成3D模型。

S104、调节传感标签天线臂的参数使其与所述射频芯片的阻抗相匹配，并优化传感标签的方向，以及方向上的增益和驻波比，从而完成3D模型弯折贴片偶极子传感标签的构建。

本实施例中，通过HFSS仿真软件调节传感标签各个参数使天线与射频芯片达到阻抗匹配，同时优化传感标签的方向图，方向上的增益、驻波比，设置一个以损耗角正切为0.02，相对介电常数4.4的低成本阻燃FR4材料为基板，总尺寸合理的3D模型贴片弯折偶极子天线，其传感标签结构模型如图3所示。

S2、确定金属结构表面的缺陷与所述传感标签内部特征变化的关系。

本实施例中，射频芯片阻抗与传感标签的阻抗(有可能为复数)完全匹配时，传感标签接收到的能量被完全吸收，但是当金属表面有缺陷时，金属表面的面电流大小，流向轨迹将会改变，导致传感标签的天线臂的阻抗发生改变，针对一个二端口匹配网络，当整个网络由一个匹配网络向不匹配网络改变，必然会发生信号的反射，形成驻波，因此，可以利用这一特性探讨金属缺陷引起的传感标签的内部特征变化关系；利用HFSS仿真软件，可以证实这一关系。金属结构缺陷的生成会影响传感标签天线臂的阻抗，导致传感标签匹配网络发生改变，主要对金属结构产生缺陷的宽度、深度以及与传感标签的距离三个方面进行探讨。具体仿真步骤如下：

S201、针对金属结构表面缺陷的宽度以及金属结构表面缺陷与传感标签的距离在固定情况下时，通过改变金属结构表面缺陷的深度，得到传感标签内部的特征变化情况。

本实施例中，在金属结构表面缺陷的宽度与传感标签的距离一定情况下，改变金属缺陷的深度，传感标签的电抗和容抗随着缺陷深度的加深而减小，谐振频率随金属裂纹深度的增加而向高频移动。

S202、针对金属结构表面缺陷的深度和宽度在固定情况下时，通过改变金属结构表面缺陷与固定传感标签的距离，得到传感标签内部的特征变化情况。

本实施例中，在金属结构表面缺陷的深度和宽度一定情况下，改变金属缺陷与固定标签的距离；随着距离增大，传感标签自身的谐振频率向高频移动，且其回波损耗在小于-10dB的阻抗带宽相对不会变化。

S203、针对金属结构表面缺陷的深度以及金属结构表面缺陷和与传感标签的距离在固定情况下时，通过改变金属表面缺陷的宽度，得到传感标签内部的特征变化情况。

本实施例中，在金属结构表面缺陷的深度和与标签的相对位置一定情况下，改变金属缺陷宽度；观测传感标签的阻抗变化和谐振频率的变化。针对以上三种情况，金属结构表面出现的缺陷，不论是宽度、深度以及离传感标签的距离都会改变传感标签天线臂的阻抗，由此引发匹配网络相对改变，谐振频率发生偏移，为下一步阅读器在860MHz～960MHz的工作频率范围内的到动态变化的感知信息打下基础。

S3、根据所述关系获取所述传感标签与RFID阅读器之间的振幅和相位特征。

本实施例中，传感标签驻波生成，标志着传感标签的天线臂与射频芯片之间阻抗不匹配，而驻波生成的大小与阻抗不匹配的程度有关，导致传感标签后向散射功率由阻抗不匹配经传感标签再次辐射产生新的散射场，利用新的散射场去实现步骤S3。具体实现步骤如下：

S301、通过调节RFID阅读器与传感标签的距离和方向，激活传感标签。

本实施例中，通过调节阅读器与传感标签的距离和方向，使得阅读器向传感标签发送射频询问信号(电磁波)能成功激活标签，且传感标签的后向散射信号能让阅读器成功感知的临界距离和固定方向。

S302、通过阅读器向传感标签发送连续波，接收传感标签的后向散射调制信号；

S303、利用相干接收机对RFID阅读器接收到的后向散射信号进行解调，产生基带信号。

本实施例中，通过阅读器向传感标签发送连续波，一旦金属结构产生缺陷，由新的散射场的影响，则阅读器接收到的后向散射调制信号不同，利用相干接收机将被调制的后向散射信号解调产生基带信号，采用零差同相/正交(I/Q)解调将此基带信号分解为由传感标签结构上感应电流产生的恒定信号和传感标签因阻抗变化引起的时变信号，如图4所示。

S304、利用零差同相/正交解调将所述基带信号分解为由传感标签上感应电流产生的恒定信号和传感标签产生的时变信号；

S305、将零差同相/正交解调的I路的恒定信号和时变信号，以及Q路的恒定信号和时变信号经过滤波器滤除I路和Q路的恒定信号，得到I路和Q路的时变信号；

S306、利用I路和Q路的时变信号得到由金属结构表面缺陷引起的传感标签后向散射信号的振幅和相位变化，从而获取传感标签与RFID阅读器之间的振幅和相位。

本实施例中，将零差同相/正交(I/Q)解调出来的I路和Q路信号经过滤波器滤除由传感标签结构带来的恒定信号，两路时变信号均来自同一个基带信号，利用该两路时变信号求出由缺陷引起的传感标签后向散射信号的振幅和相位变化。

在步骤S3中获得振幅和相位，从物理意义上讲，缺陷对传感标签响应的振幅和相位的影响是不同程度地，若将所有的相位都严格的设置为单个值，只用振幅的改变去表示缺陷的程度不符合实际情况，在相位上也可能包含缺陷程度的信息，反之亦然。因此进行步骤S4，具体实现步骤如下：

S4、根据所述振幅和相位特征训练金属结构表面的缺陷，并根据提取对应缺陷的特征绘制特征曲线函数，从而完成基于UHF无源RFID对金属结构的检测。

S401、如图5所示，根据金属结构表面的一个缺陷在RFID阅读器不同频率扫描下得到的振幅和相位建立一个二维数据集；

S401、根据金属结构表面的多个缺陷训练得到一个三维数据库。

本实施例中，针对不同的缺陷进行训练建立一个三维的数据库，如图6所示。其中，m表示阅读器频率扫描测量的次数，n表示训练缺陷的个数。

S402、利用奇异值分解方法将三维数据库中的振幅和相位特征进行融合计算，得到金属结构表面中每一个缺陷对应的特征向量；

S403、将所述特征向量进行投影处理，得到特征向量的投影系数，并将所述投影系数作为金属结构表面缺陷的特征；

S404、根据所述金属结构表面的多个缺陷特征绘制得到特征曲线函数，从而完成基于UHF无源RFID的金属结构检测。

本发明通过以上设计解决了传统标签无法对金属进行特征检测的问题。

Claims (6)

1.一种基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建3D模型弯折贴片偶极子传感标签；

S2、确定金属结构表面的缺陷与所述传感标签内部特征变化的关系；

S3、根据所述关系获取所述传感标签与RFID阅读器之间的振幅和相位特征；

S4、根据所述振幅和相位特征训练金属结构表面的缺陷，并根据提取对应缺陷的特征，绘制特征曲线函数，从而完成基于UHF无源RFID对金属结构的检测。

2.根据权利要求1所述的基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法，其特征在于，所述步骤S1中传感标签包括16mm厚的FR4基板、附着于所述FR4基板表面的天线臂，以及与所述天线臂连接的射频芯片。

3.根据权利要求1所述的基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：

S101、根据辐射边缘效应确定传感标签的尺寸；

S102、选择射频芯片，并确定该射频芯片在不同工作频率下的阻抗特性；

S103、建立与所述射频芯片阻抗匹配的传感标签天线臂，并将传感标签的天线臂向下弯折，形成3D模型；

S104、调节传感标签天线臂的参数使其与所述射频芯片的阻抗相匹配，并优化传感标签的方向性，以及方向上的增益和天线臂与射频芯片之间的驻波比，从而完成3D模型弯折贴片偶极子传感标签的构建。

4.根据权利要求1所述的基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：

S201、针对金属结构表面缺陷的宽度以及金属结构表面缺陷与传感标签的距离在固定情况下时，通过改变金属结构表面缺陷的深度，得到传感标签内部的特征变化情况；

S202、针对金属结构表面缺陷的深度和宽度在固定情况下时，通过改变金属结构表面缺陷与固定传感标签的距离，得到传感标签内部的特征变化情况；

S203、针对金属结构表面缺陷的深度以及金属结构表面缺陷与传感标签的距离在固定情况下时，通过改变金属表面缺陷的宽度，得到传感标签内部的特征变化情况。

5.根据权利要求1所述的基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：

S301、通过调节RFID阅读器与传感标签的距离和方向，激活传感标签；

S302、通过阅读器向传感标签发送连续波，接收传感标签的后向散射调制信号；

S303、利用相干接收机对RFID阅读器接收到的后向散射信号进行解调，产生基带信号；

S304、利用零差同相/正交解调将所述基带信号分解为由传感标签上感应电流产生的恒定信号和传感标签产生的时变信号；

S305、将零差同相/正交解调的I路的恒定信号和时变信号，以及Q路的恒定信号和时变信号经过滤波器滤除I路和Q路的恒定信号，得到I路和Q路的时变信号；

S306、利用I路和Q路的时变信号得到由金属结构表面缺陷引起的传感标签后向散射信号的振幅和相位变化，从而获取传感标签与RFID阅读器之间的振幅和相位。

6.根据权利要求1所述的基于UHF无源RFID的金属结构健康检测方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：

S401、根据金属结构表面的一个缺陷在RFID阅读器不同频率扫描下得到的振幅和相位建立一个二维数据集；

S401、根据金属结构表面的多个缺陷训练得到一个三维数据库；

S402、利用奇异值分解方法将三维数据库中的振幅和相位特征进行融合计算，得到金属结构表面中每一个缺陷对应的特征向量；

S403、将所述特征向量进行投影处理，得到特征向量的投影系数，并将所述投影系数作为金属结构表面缺陷的特征；

S404、根据所述金属结构表面的多个缺陷特征绘制得到特征曲线函数，从而完成基于UHF无源RFID的金属结构检测。