CN111860014B - 一种无源rfid标签及识别金属深度裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源RFID标签及识别金属深度裂纹的方法，其中无源RFID标签包括主体基板、设置在主体基板顶部的顶部覆铜面、及设置在主体基板底部的底部覆铜面，顶部覆铜面和底部覆铜面通过短路孔连接。该方法分析金属物体裂纹深度变化与标签的反向散射信号强度变化的关联，通过RFID阅读器读取标签在不同裂纹深度下的信号强度，提取信号强度信息，绘制裂纹深度与标签信号强度的函数关系图像。将标签放置在待测金属物体表面，通过测得的信号强度并结合函数关系图像，可以快速识别待测金属物体裂纹的存在，同时能够快速鉴别出金属裂纹的深度。本发明可以应用于多种场景，同时使用RFID阅读器快速获取裂纹深度变化信息，使得测量的方法更加的简便。

Description

一种无源RFID标签及识别金属深度裂纹的方法

技术领域

本发明涉及金属结构健康检测技术领域，具体涉及一种无源RFID标签及识别金属深度裂纹的方法。

背景技术

近年来随着工业物联网的高速发展，工业上对各种金属部件的使用也是广泛，但是在工业物联网繁荣发展的背后，必须得考虑到迅速扩张的工业设备的由于金属结构损坏而出现的潜在威胁。同时与我们生活息息相关的各种由金属材料搭建而成的桥梁，娱乐设施等等，也都存在金属长时间的暴露在环境中而而到侵蚀。无论工业还是民用上，一旦由于发生金属结构损坏，而没有及时的检测，最终可能会导致不可预计的事故，损害国家以及个人的利益。所以对金属表面裂纹检测变得尤为的重要。

在众多领域都应用到了金属的裂纹检测中，例如，使用光纤系统，这种方的测量精度以及分辨率都能达到一个较高的水平，但是它的缺点在于系统的安装非常的复杂，同时安装的成本非常的高。传统的RFID技术多应用于物体识别方面，同时也有将RFID技术应用在温湿度的检测领域中，RFID技术的优势在于部署简单，同时能够将获取到的信息快速加入到各种基础的网络设施中，在对信息处理这方面也有极大的优势。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种无源RFID标签及识别金属深度裂纹的方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种无源RFID标签，包括主体基板、设置在所述主体基板顶部的顶部覆铜面、及设置在所述主体基板底部的底部覆铜面，所述顶部覆铜面和底部覆铜面通过短路孔连接；所述顶部覆铜面两侧边分别向内对称开设三角形开槽形成叉形结构，所述顶部覆铜面中心对称开设有两个射频开槽，所述射频之间设置有射频芯片；所述底部覆铜面中心对称开设有十字型矩形开槽，且一条矩形开槽贯穿底部覆铜面。

进一步地，所述顶部覆铜面中心的射频开槽均设置为五边形结构，且两个射频开槽的一条边平行设置，平行边之间设置射频芯片。

进一步地，所述顶部覆铜面中心的射频开槽与两侧三角形开槽之间还分别开设有四个矩形开槽。

基于上述无源RFID标签，本发明还提出了一种利用无源RFID标签识别金属深度裂纹的方法，包括以下步骤：

S1、设计上述的无源RFID标签；

S2、分析金属物体裂纹深度变化与无源RFID标签的反向散射信号强度变化的关系；

S3、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在不同金属裂纹深度下的反射信号，提取信号强度信息，绘制裂纹深度与信号强度的函数关系图像；

S4、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在待测金属表面的反射信号，根据步骤S3绘制的裂纹深度与信号强度的函数关系图像得到待测金属的实际裂纹深度。

进一步地，所述步骤S1包括以下分步骤：

S11、确定无源RFID标签叉形结构及标签尺寸大小；

S12、根据天线信号传输效益，选择标签所有基板介质材料；

S13、设置无源RFID标签处在UHF频段后，选择射频芯片，确定该射频芯片在UHF频段下的阻抗信息；

S14、根据步骤S13得到的阻抗信息对无源RFID标签结构进行优化调节，使得无源RFID标签结构与射频芯片的阻抗匹配；

S15、在无源RFID标签的底部覆铜面开设十字型矩形开槽。

进一步地于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、搭建测试环境，选择能够读取无源RFID标签反射信号的RFID阅读器；

S22、设定金属物体表面裂纹深度为固定值，无源RFID标签与金属物体表面的距离为变化值，利用RFID阅读器读取无源RFID标签反射信号的变化值；

S23、设定无源RFID标签与金属物体表面的距离为固定值，金属物体表面裂纹深度为变化值，利用RFID阅读器读取无源RFID标签反射信号的变化值。

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、确定无源RFID标签与RFID阅读器之间的方向和距离，调整阅读器的发射功率，确定无源RFID标签激活功率；

S32、确定RFID阅读器发射功率，RFID阅读器开始时会向无源RFID标签发送射频信号使无源RFID标签正常工作，同时RFID阅读器接收无源RFID标签反射信号；

S33、RFID阅读器通过解调电路解调无源RFID标签反射信号，得到反射信号的信号强度、相位、及无源RFID标签所处的工作频率；

S34、将无源RFID标签放置在金属有裂纹位置表面，改变裂纹深度，利用RFID阅读器获取信号强度，绘制裂纹深度与信号强度的函数关系图像。

进一步地，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、将无源RFID标签放置于待测金属物体表面，保持无源RFID标签与RFID阅读器的距离与方向，以及RFID阅读器的发射功率与步骤S3相同；

S42、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在待测金属物体表面的反射信号，提取该反射信号的信号强度，将提取到的信号强度在绘制的裂纹深度与信号强度的函数关系图像上进行定位。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用新型叉形结构的无源RFID标签，对标签的底部进行矩形开槽，开槽后，金属裂纹深度的应变将会直接影响标签性能的改变；

(2)本发明提供了一种通过RFID阅读器快速识别金属裂纹以及检测金属裂纹深度的系统，具有易于部署，成本低，识别快速的特点；

(3)本发明通过RFID阅读器获取标签在不同裂纹深度下的信号强度信息，然后对获取的信息进行处理，避免了使用复杂仪器测量处理数据的步骤；

(4)本发明为金属结构健康检测提供了新方案，具有成本低、识别快速、操作简便、适合在复杂环境的快速部署、快速识别的优点。

附图说明

图1为本发明的无源RFID标签的结构示意图；

图2为本发明的顶部覆铜面的结构示意图；

图3为本发明的底部覆铜面的结构示意图；

图4为本发明的利用无源RFID标签识别金属深度裂纹的方法流程图；

图5为本发明的测试系统示意图。

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1

如图1所示，本发明实施例提供了一种无源RFID标签，包括主体基板、设置在所述主体基板顶部的顶部覆铜面、及设置在所述主体基板底部的底部覆铜面，所述顶部覆铜面和底部覆铜面通过短路孔连接；所述顶部覆铜面两侧边分别向内对称开设三角形开槽形成叉形结构，所述顶部覆铜面中心对称开设有两个射频开槽，所述射频之间设置有射频芯片；所述底部覆铜面中心对称开设有十字型矩形开槽，且一条矩形开槽贯穿底部覆铜面。

本发明的主体基板采用FR4基板，FR4是一种材料的规格的代号，所代表的是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料的名称。该材料的主要技术特点有：绝缘性，平整度好，常用作电路板制作。本实施例中，结合天线的辐射方向，辐射增益，以及传输效益方面考虑，使用FR4作为介质基板，其介电常数为4.4，损耗正切角为0.03，能够获取更好的天线效益。

如图2所示，本发明的顶部覆铜面采用叉形设计两侧分别向内三角形嵌入开槽，同时在分别在两侧三角形开槽旁开设了四处矩形槽，通过三角嵌入开错以及矩形开槽能够改变标签表面的电流路径，电流路径改变后标签的阻抗匹配程度也会发生改变，最终改变了标签的电路特性，最终能够使标签达到尺寸减小但是标签的识别距离以及识别范围不会变小的效果；通过将顶部覆铜面设计为叉形结构能够提供标签的增益，获取更大的方向性。

顶部覆铜面中心的射频开槽均设置为五边形结构，且两个射频开槽的一条边平行设置，平行边之间设置射频芯片。

如图3所示，本发明的底部覆铜面中心对称开设有十字型矩形开槽，使得裂纹深度发生变化时会引起改变标签性能的改变，从而达到通过反向散射信号强度变化检测裂纹深度的目的。底部覆铜面上的一条矩形开槽贯穿底部覆铜面，使得底部接地面从矩形开槽位置一分为二，形成开路，所以当标签未放置在金属物体表面时，标签无法正常工作。当标签放置在金属物体表面时，金属将会充当导体，使得底部接地面能够正常导通，同时当底部缺陷深度变化时，标签整体的电流也会随之改变，电流大小也会随之改变，从而导致标签整体性能的改变。

本发明的射频芯片采用Alien Higgs-3(AH3)，为天线提供激励。

实施例2

本发明实施例还提出了一种利用上述无源RFID标签识别金属深度裂纹的方法，如图4所示，包括以下步骤S1至S4：

S1、设计上述的无源RFID标签；

本发明设计的无源RFID标签如图1所示，设定无源RFID标签整体宽(W)为34mm，长(L)为34mm，其主体基板高(h)为2mm厚的FR4基板，主体基板的顶部与顶部均为附铜面，其中顶部附铜面为叉形结构，底部附铜面是接地面，以及为天线提供激励的射频芯片。

上述步骤S1包括以下分步骤：

S11、确定无源RFID标签叉形结构及标签尺寸大小；

本发明的无源RFID标签主体结构分为顶部覆铜面与底部覆铜面，以及连接顶部覆铜面与底部覆铜面的短路孔。其中如图2所示，顶部覆铜面设计为叉形结构，初步设定顶部覆铜面的宽(Wi)为32mm,长(Li)为32mm。通过将顶部覆铜面设计为叉形结构能够提供无源RFID标签的增益，获取更大的方向性。同时考虑无源RFID标签的尺寸，由于无源RFID标签要应用于各种复杂的环境当中，无源RFID标签的尺寸要尽可能的小，但是根据天线的辐射效应可知随着无源RFID标签尺寸的减小，无源RFID标签的辐射效率会降低。当辐射效率低到一定值后，RFID阅读器将无法识别无源RFID标签。所以无源RFID标签尺寸确定在了34mm，能够既满足了无源RFID标签的小尺寸的要求，同时获取尽可能大的辐射效率。

S12、根据天线信号传输效益，选择标签所有基板介质材料；

本发明采用FR4作为基板材料，FR4是一种材料的规格的代号，所代表的是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料的名称。该材料的主要技术特点有：绝缘性，平整度好，常用作电路板制作。本实施例中，结合天线的辐射方向，辐射增益，以及传输效益方面考虑，使用FR4作为介质基板，其介电常数为4.4，损耗正切角为0.03，能够获取更好的天线效益。

S13、设置无源RFID标签处在UHF频段后，选择射频芯片，确定该射频芯片在UHF频段下的阻抗信息；

本发明采用Alien Higgs-3(AH3)作为射频芯片，采用ADS仿真软件对射频芯片在UHF频段进行仿真，获取到AH3射频芯片在UHF频段的阻抗信息，为下一步微调结构使无源RFID标签与射频芯片阻抗匹配做准备。

S14、根据步骤S13得到的阻抗信息对无源RFID标签结构进行优化调节，使得无源RFID标签结构与射频芯片的阻抗匹配；

本发明采用HFSS软件对无源RFID标签天线结构进行优化调节，使得无源RFID标签天线与射频芯片的阻抗达到匹配，当无源RFID标签天线与射频芯片达到阻抗匹配时，无源RFID标签输入回波损耗(S11)将会达到一个最优值，同时无源RFID标签能够获得一个最大的读取距离，从而获得更广的方向性，以及更高的辐射效率。

S15、在无源RFID标签的底部覆铜面开设十字型矩形开槽。

本发明在无源RFID标签底部接地面开矩形槽，使得裂纹深度发生变化时会引起改变无源RFID标签性能的改变，从而达到通过反向散射信号强度变化检测裂纹深度的目的。

图3为无源RFID标签底部覆铜面示意图，通过在底部覆铜面进行矩形开槽，当无源RFID标签未放置在金属物体表面时，由于底部矩形开槽使得底部接地面从矩形开槽位置一分为二，形成开路，所以当无源RFID标签未放置在金属物体表面时，无源RFID标签无法正常工作。当无源RFID标签放置在金属物体表面时，金属将会充当导体，使得底部接地面能够正常导通，同时当底部缺陷深度变化时，无源RFID标签整体的电流也会随之改变，电流大小也会随之改变，从而导致无源RFID标签整体性能的改变。

S2、分析金属物体裂纹深度变化与无源RFID标签的反向散射信号强度变化的关系；

本发明通过HFSS仿真软件，使得射频芯片与标签天线阻抗尽可能的匹配，当达到完全匹配时，无源RFID标签将会完全接收RFID阅读器所发送的能量，这时候能够通过RFID阅读器读取到最强的信号强度值。但是当金属裂纹深度增加时，电流路径发生改变，电流大小也会发生变化，标签天线整体结构也发生了改变。随着裂纹深度的增加，无源RFID标签整体会阻抗会失配，谐振频率往低频移动，通过RFID阅读器去识别时，可以观察到信号强度的变化。

上述步骤S2包括以下分步骤：

S21、搭建测试环境，选择能够读取无源RFID标签反射信号的RFID阅读器；

S22、设定金属物体表面裂纹深度为固定值，无源RFID标签与金属物体表面的距离为变化值，利用RFID阅读器读取无源RFID标签反射信号的变化值；

S23、设定无源RFID标签与金属物体表面的距离为固定值，金属物体表面裂纹深度为变化值，利用RFID阅读器读取无源RFID标签反射信号的变化值。

S3、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在不同金属裂纹深度下的反射信号，提取信号强度信息，绘制裂纹深度与信号强度的函数关系图像；

上述步骤S3包括以下分步骤：

S31、确定无源RFID标签与RFID阅读器之间的方向和距离，调整阅读器的发射功率，确定无源RFID标签激活功率；

S32、确定RFID阅读器发射功率，RFID阅读器开始时会向无源RFID标签发送射频信号使无源RFID标签正常工作，同时RFID阅读器接收无源RFID标签反射信号；

S33、RFID阅读器通过解调电路解调无源RFID标签反射信号，得到反射信号的信号强度、相位、及无源RFID标签所处的工作频率；

S34、将无源RFID标签放置在金属有裂纹位置表面，改变裂纹深度，利用RFID阅读器获取信号强度，绘制裂纹深度与信号强度的函数关系图像。

S4、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在待测金属表面的反射信号，根据步骤S3绘制的裂纹深度与信号强度的函数关系图像得到待测金属的实际裂纹深度。

上述步骤S4包括以下分步骤：

S41、将无源RFID标签放置于待测金属物体表面，保持无源RFID标签与RFID阅读器的距离与方向，以及RFID阅读器的发射功率与步骤S3相同；

S42、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在待测金属物体表面的反射信号，提取该反射信号的信号强度，将提取到的信号强度在绘制的裂纹深度与信号强度的函数关系图像上进行定位。

如图5所示，为本发明搭建的具体的测试系统，测试系统搭建完毕，即可通过RFID阅读器解调到标签反射回来的信号。通过提取到的信号强度信息这一特征能够完成对金属结构健康进行检测。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无源RFID标签，其特征在于，包括主体基板、设置在所述主体基板顶部的顶部覆铜面、及设置在所述主体基板底部的底部覆铜面，所述顶部覆铜面和底部覆铜面通过短路孔连接；所述顶部覆铜面两侧边分别向内对称开设三角形开槽形成叉形结构，所述顶部覆铜面中心对称开设有两个射频开槽，所述射频开槽之间设置有射频芯片；所述底部覆铜面中心对称开设有十字型矩形开槽，且一条矩形开槽贯穿底部覆铜面。

2.根据权利要求1所述的无源RFID标签，其特征在于，所述顶部覆铜面中心的射频开槽均设置为五边形结构，且两个射频开槽的一条边平行设置，平行边之间设置射频芯片。

3.根据权利要求2所述的无源RFID标签，其特征在于，所述顶部覆铜面中心的射频开槽与两侧三角形开槽之间还分别开设有四个矩形开槽。

4.一种利用无源RFID标签识别金属深度裂纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计如权利要求1至3任一所述的无源RFID标签；

S2、分析金属物体裂纹深度变化与无源RFID标签的反向散射信号强度变化的关系；

S3、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在不同金属裂纹深度下的反射信号，提取信号强度信息，绘制裂纹深度与信号强度的函数关系图像；

S4、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在待测金属表面的反射信号，根据步骤S3绘制的裂纹深度与信号强度的函数关系图像得到待测金属的实际裂纹深度。

5.根据权利要求4所述的利用无源RFID标签识别金属深度裂纹的方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：

S11、确定无源RFID标签叉形结构及标签尺寸大小；

S12、根据天线信号传输效益，选择标签所有基板介质材料；

S13、设置无源RFID标签处在UHF频段后，选择射频芯片，确定该射频芯片在UHF频段下的阻抗信息；

S14、根据步骤S13得到的阻抗信息对无源RFID标签结构进行优化调节，使得无源RFID标签结构与射频芯片的阻抗匹配；

S15、在无源RFID标签的底部覆铜面开设十字型矩形开槽。

6.根据权利要求4所述的利用无源RFID标签识别金属深度裂纹的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、搭建测试环境，选择能够读取无源RFID标签反射信号的RFID阅读器；

S22、设定金属物体表面裂纹深度为固定值，无源RFID标签与金属物体表面的距离为变化值，利用RFID阅读器读取无源RFID标签反射信号的变化值；

S23、设定无源RFID标签与金属物体表面的距离为固定值，金属物体表面裂纹深度为变化值，利用RFID阅读器读取无源RFID标签反射信号的变化值。

7.根据权利要求4所述的利用无源RFID标签识别金属深度裂纹的方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、确定无源RFID标签与RFID阅读器之间的方向和距离，调整阅读器的发射功率，确定无源RFID标签激活功率；

S32、确定RFID阅读器发射功率，RFID阅读器开始时会向无源RFID标签发送射频信号使无源RFID标签正常工作，同时RFID阅读器接收无源RFID标签反射信号；

S33、RFID阅读器通过解调电路解调无源RFID标签反射信号，得到反射信号的信号强度、相位、及无源RFID标签所处的工作频率；

S34、将无源RFID标签放置在金属有裂纹位置表面，改变裂纹深度，利用RFID阅读器获取信号强度，绘制裂纹深度与信号强度的函数关系图像。

8.根据权利要求4所述的利用无源RFID标签识别金属深度裂纹的方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、将无源RFID标签放置于待测金属物体表面，保持无源RFID标签与RFID阅读器的距离与方向，以及RFID阅读器的发射功率与步骤S3相同；

S42、利用RFID阅读器读取无源RFID标签在待测金属物体表面的反射信号，提取该反射信号的信号强度，将提取到的信号强度在绘制的裂纹深度与信号强度的函数关系图像上进行定位。

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