CN111027180B - 一种基于rfid标签的表面裂纹长度识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于RFID标签的表面裂纹长度识别方法。该RFID标签为带天线结构的裂纹传感标签。本发明监测裂纹发生情况时，无需破坏裂纹传感标签的几何结构，能在一个监测周期结束后将裂纹传感标签取下，用于下一次的表面裂纹长度监测；监测区域为裂纹传感标签的覆盖区域。本发明提供了表面裂纹长度识别方法的具体步骤，根据此步骤可建立金属结构表面裂纹长度与标签性能参数(阈值功率Pth)的关系式。确定关系式后便可根据标签阈值功率Pth的实测值，来对表面裂纹长度变化进行识别，弥补了传统裂纹传感标签只能对贯穿裂纹长度进行识别的局限。

Description

一种基于RFID标签的表面裂纹长度识别方法
技术领域
本发明涉及金属裂纹传感领域和射频识别领域，尤其涉及一种基于超高频RFID标签的表面裂纹长度识别方法。
背景技术
疲劳裂纹是金属构件的一种常见缺陷。桥梁、铁轨、飞行器中的金属构件在服役过程中，容易在应力集中区域产生疲劳裂纹，带来安全隐患，因此需要对金属构件的应力集中区域进行裂纹长度监测，用于判断金属构件的损伤程度，这样有利于及时发现大型结构件的安全隐患，实现高效的维修与保养。
基于RFID技术的传感标签是结构健康监测领域新兴的传感技术。由于RFID标签具有无源、无线的信息传输方式，有望解决传统裂纹传感器线路布设复杂的问题。近年来，常见的裂纹传感标签均为易损型标签，即当待监测金属构件产生裂纹的同时标签天线结构受损，这会造成标签的传输性能降低，甚至无法有效读取标签信息。通过标签传输性能参数变化便可达到裂纹识别的目的。这类裂纹传感标签存在两个问题：一是裂纹传感标签使用寿命短，当标签结构受损后将无法在下一个裂纹监测周期继续使用；二是识别的裂纹种类单一，仅能对贯穿型裂纹长度进行监测。
若按几何特征分类则分为深埋裂纹、表面裂纹以及贯穿裂纹。金属结构在服役过程中较常出现的裂纹种类为表面裂纹，并且通常贯穿裂纹是由表面裂纹的进一步发展所形成的裂纹类型。然而，由于表面裂纹的产生与扩展对标签结构的影响十分有限，难以利用标签结构的变化来识别或定量化表征表面裂纹的长度变化。因此，目前欠缺一种基于RFID标签的表面裂纹长度识别与表征方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型流感病毒小分子黏附抑制剂高通量筛选模型。
本发明的技术方案为：
本发明所提供的表面裂纹长度识别方法与步骤主要应用于金属构件。当标签工作时，会在待测金属构件表面形成与标签极化方向一致的面电流。裂纹的出现与扩展会改变面电流路径，从而影响标签的性能参数，例如标签阈值功率P_th。本发明所提供的识别方法包括：建立基于标签阈值功率P_th的表面裂纹长度的方法与步骤，建立P_th-裂纹长度之间关系式，具体的步骤如下：
Step1:仿真设置。在电磁仿真软件中设置待识别金属构件的尺寸、表面裂纹扩展方向，并且根据标签实际所用的芯片品牌型号设置标签芯片阻抗；
Step2:获得标签性能的仿真值。获得标签芯片工作频率范围内，金属构件在出现不同裂纹长度下的标签天线输入阻抗仿真值、反射系数仿真值；
Step3:确定标签工作频率。根据表面裂纹长度识别的仿真结果，将反射系数仿真曲线中各条曲线间距最大时所对应频率作为传感标签的工作频率；
Step4:求标签增益的平均值。获得传感标签在工作频率下，不同裂纹长度时增益值，并求出增益平均值；
Step5:求标签阈值功率理论值。将Step2中标签工作频率下的反射系数仿真值与Step4 中的增益平均值代入标签阈值功率计算公式，得到不同裂纹长度时标签阈值功率理论值；
Step6:标签阈值功率理论值的检验与修正。通过RFID读写器得到标签的阈值功率测量值。根据测量值和仿真值的差异，标签阈值功率理论值进行修正。
Step7:建立表面裂纹长度-标签阈值功率表达式。根据Step6中标签阈值功率理论值的修正值，将不同裂纹长度时的阈值功率进行二元一次多项式拟合，得到的拟合曲线多项式即为表面裂纹长度-标签阈值功率的表达式。
Step8:表面裂纹长度-标签阈值功率表达式的验证。预制不同长度的表面裂纹，通过测量不同表面裂纹长度下的标签阈值功率，验证表面裂纹长度-标签阈值功率表达式的准确程度。
Step2中输入阻抗记为Za，输入阻抗的共轭值记为
Figure RE-GDA0002372162280000021
芯片阻抗记为ZIC。其中，Za与
Figure RE-GDA0002372162280000022
的值均需通过仿真软件HFSS或者CST获的。ZIC的值根据标签中实际应用的芯片种类可在仿真软件中进行设置。反射系数仿真值为标签反射系数的模值，记为|Γ|。|Γ|是通过输入阻抗Za的仿真值计算得出，计算方法为：
Figure RE-GDA0002372162280000031
Step5中，标签阈值功率理论值与反射系数模值|Γ|、标签芯片被激活所需要的最小功率Pchip，读写器天线增益Greader、标签增益Gtag、标签与读写器天线之间的距离r以及波长λ有关。在计算时，以上参数均为Step3所获工作频率下的值。其中，Pchip和Greader与实际使用的标签芯片和读写器天线型号有关，该值可通过查询设备参数获得。|Г|为 Step2中得到的仿真值，Gtag为Step4中得到的均值增益。r为实际测量环境中标签与读写器天线之间的距离。标签工作频率f下的波长根据如下公式计算：
Figure RE-GDA0002372162280000032
其中c为光速。标签阈值功率理论值Pth的计算方法为：
Figure RE-GDA0002372162280000033
优选地，Step6中标签阈值功率的测量值采用Tagformance读写器获得。标签制作完成后由于制备工艺等原因，标签本身必然会与仿真标签之间存在差异。因此，需要对仿真标签性能参数进行修正。修正方式为建立实际标签性能参数的测量值与仿真标签的性能参数之间的关系。根据经验，实际标签的反射系数模值与仿真标签反射系数模值的比例约在0.6到1之间。此比例作为修正值与待识别金属构件的大小有关，金属构件的尺寸越接近标签尺寸，实际标签的反射系数模值与仿真标签反射系数模值越相近，该比例越接近1；金属构件的尺寸越大，则该比例越接近0.6。在Tagformance读写器的测量下，阈值功率测量值的偏差在7dBm左右。因此在Step6中，可将仿真|Γ|除以修正比例，再加上7dBm 便可得到修正后的阈值功率计算值。
为了验证Step7中表面裂纹长度-标签阈值功率关系式的准确度，可预制不同长度的表面裂纹，通过测量不同长度表面裂纹所对应的标签阈值功率进行验证。当表面裂纹长度变化时，标签阈值功率的变化规律为：随着表面裂纹长度的增加，阈值功率的值逐渐下降。
本申请还提出了一种用于表面裂纹长度识别方法的裂纹传感标签，包括：介质基板、标签芯片、天线和金属贴片，所述标签芯片和天线分别与介质基板的上表面贴合，标签芯片和天线连接，金属贴片与所述介质基板的下表面贴合，所述天线和所述金属贴片连接。
附图说明：
图1为根据本发明所使用的裂纹传感标签结构示意图；
其中：1.短路针 2.标签芯片 3.天线 4.金属贴片 5.介质基板 6.待测金属构件
图2为表面裂纹出现时面电流路径变化示意图，其中图2(a)为待测金属平板的侧视图，图2(b)为待测金属平板的俯视图；
图3为基于RFID标签的表面裂纹长度识别方法流程图；
图4为RFID标签在表面裂纹长度变化时的阻抗图，其中图4(a)为阻抗实部，图4(b)为阻抗虚部；
图5为RFID标签在表面裂纹长度变化时的反射系数模值图；
图6为RFID标签在表面裂纹长度变化时的增益值；
图7为RFID标签在表面裂纹长度变化时的阈值功率理论值修正值及表面裂纹长度-Pth关系曲线(拟合曲线)；
图8为RFID标签的阈值功率测量环境；
图9为表面裂纹长度-Pth关系曲线及Pth测量值。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
裂纹传感标签的结构如图1所示。表面裂纹长度变化的识别原理依赖于标签覆盖范围内面电流的路径变化。只要有面电流经过标签裂纹的位置便会造成标签整体的电长度增加，如图2所示。此处将一块金属平板作为待测的金属构件。当表面裂纹长度增加时，意味着更多的面电流会流经表面裂纹。因此即使裂纹深度不发生明显变化，标签电长度(面电流路径长度)仍然会随着表面裂纹长度的增加而变大，从而影响标签性能参数。所以利用标签性能参数便可以对表面裂纹长度变化进行识别。
为了考察表面裂纹长度变化对标签性能参数的影响规律，可采用HFSS软件进行传感标签的性能仿真。在仿真软件中依次对标签、待识别金属板的参数进行设置。利用软件绘制一个尺寸为100*100*5mm3的铝合金平板。金属板的中央绘制一个宽0.5mm、深2mm 的U型凹槽，将其代表金属板上的表面裂纹。表面裂纹的长度方向与传感标签的长边垂直。仿真时的空气盒子尺寸设为300*300*300mm3。选用专利(申请号：201810837745.1)中涉及的微带天线标签作为传感元件，标签结构如图1所示。标签选用的Alien Higgs-3芯片的工作频率在860-960MHz，因此设标签芯片的仿真频率为860-960MHz。此处设定标签与读写器天线之间的距离r＝30cm；芯片Alien Higgs-3被激活所需要的最小功率 Pchip＝-18dBm。
当表面裂纹长度分别为0mm(无裂纹)、5mm、7mm、9mm、11mm时的标签输入阻抗的仿真值如图4(a)、(b)所示。根据标签反射系数计算公式可进一步得到标签反射系数模值，如图5所示。
根据图5的仿真结果不难发现|Γ|在930MHz内随表面裂纹长度的增加而递减，说明表面裂纹长度增加时标签的阻抗匹配程度会越来越高。在930MHz时，反射系数模值对应的线条间距最大，因此将930MHz作为传感标签的实际工作频率。
标签在930MHz、Phi＝90°、Theta＝0°方向上的增益如图6所示。Gtag的值通过将图6中的数据取平均数获得，本实例中，Gtag＝-0.91942dB；在930MHz下Tagformance 读写器天线的增益Greader＝8.65dB。根据以上数据可以计算出阈值功率的理论值。根据步骤6中的修正方式对阈值功率理论值进行修正，|Γ|的修正比例为0.7。修正后的阈值功率如图7所示。将图7中的阈值功率进行多项式拟合便可得到阈值功率与表面裂纹长度之间的关系式。
利用Tagformance读写器对标签进行阈值功率测试，测试中金属板的尺寸与仿真保持一致，材料为T6061铝合金。铝合金板的中心位置利用电极电火花分别加工出长度为5mm、 7mm、9mm、11mm的凹槽。凹槽的深度均为2mm，开口宽度为0.5mm。标签与读写器天线的间距为30cm，标签阈值功率的测量环境如图8所示。不同裂纹长度下的标签阈值功率测量结果如图9所示。阈值功率测量值基本与符合阈值功率与表面裂纹长度关系曲线的变化规律，因此证明图7、图9中表面裂纹长度-标签阈值功率表达式的准确程度较好，可以用此关系式以及阈值功率测量值来反映表面裂纹长度的变化。

Claims (6)

1.一种基于RFID标签的表面裂纹长度识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在电磁仿真软件中设置待识别金属构件的尺寸、表面裂纹扩展方向，并且设置标签芯片阻抗；
2)获得标签芯片工作频率范围内，金属构件在出现不同裂纹长度下的标签天线输入阻抗仿真值、反射系数仿真值；
3)根据表面裂纹长度识别的仿真结果，将反射系数仿真曲线中各条曲线间距最大时所对应频率作为传感标签的工作频率；
4)获得传感标签在工作频率下，不同裂纹长度时增益值模拟值，并求出增益平均值；
5)将步骤2标签工作频率下的反射系数仿真值与步骤4的增益平均值代入标签阈值功率计算公式，得到不同裂纹长度时标签阈值功率理论值；
6)通过RFID读写器得到标签的阈值功率测量值，根据测量值和仿真值的差异，标签阈值功率理论值进行修正；
7)根据标签阈值功率理论值的修正值，将不同裂纹长度时的阈值功率进行二元一次多项式拟合，得到的拟合曲线多项式即为表面裂纹长度-标签阈值功率的表达式。
2.根据权利要求1所述的长度识别方法，其特征在于，步骤2)所述的输入阻抗记为Za，输入阻抗的共轭值记为
Figure FDA0002274133600000012
芯片阻抗记为ZIC，其中，Za与
Figure FDA0002274133600000013
的值均需通过仿真软件获得ZIC的值根据标签中实际应用的芯片种类可在仿真软件中进行设置，反射系数仿真值为标签反射系数的模值，记为|Γ|，|Γ|是通过输入阻抗Za的仿真值计算得出，计算方法为：
Figure FDA0002274133600000011
3.根据权利要求1所述的长度识别方法，其特征在于，步骤5)标签阈值功率理论值Pth的计算方法为：
Figure FDA0002274133600000021
其中，标签芯片被激活所需要的最小功率Pchip和读写器天线增益Greader通过查询设备参数获得，标签增益Gtag为步骤4)得到的增益平均值，标签工作频率f下的波长根据如下公式计算：
Figure FDA0002274133600000022
其中c为光速，以上参数均为步骤3)所获工作频率下的值。
4.根据权利要求1所述的长度识别方法，其特征在于，步骤6)所述的阈值功率测量值采用Tagformance读写器获得，可将仿真|Γ|除以修正比例，再加上7dBm便可得到修正后的阈值功率计算值，修正比例为0.6～1。
5.一种用于表面裂纹长度识别方法的裂纹传感标签，其特征在于，包括：介质基板(5)、标签芯片(2)、天线(3)和金属贴片(4)，所述标签芯片(2)和天线(3)分别与介质基板(4)的上表面贴合，标签芯片(2)和天线连接(3)，金属贴片(4)与所述介质基板(5)的下表面贴合，所述天线(3)和所述金属贴片(4)连接。
6.权利要求5所述的裂纹传感标签在表面裂纹长度识别与表征方面的应用。
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