CN112556564A - 基于双层贴片天线的无源无线形变传感器及监测系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于双层贴片天线的无源无线形变传感器及监测系统，其特征在于，包括RFID标签传感器、阅读器和设置模块，其中：基于双层贴片天线的无源无线形变传感器设计,它由三个组件构成，其中：组件二置于组件一上，两者为标签的天线，两平面平行，功能上相互耦合，两者无连接，可以相对移动；组件三为组件二、组件一之间的连接机构；组件一固定于被测结构一侧，组件二通过组件三连接于被测结构另一侧；随着结构产生变形，协同组件二、组件一之间发生相对位移变化，改变两平面的重合面积；RFID标签通过连接机构始终跨接被测结构的两侧以实现对其变形监测，当被测结构因变形将协同改变RFID标签中两个贴面天线重贴面积从而影响其工作谐振频率。

Description

基于双层贴片天线的无源无线形变传感器及监测系统
技术领域
本申请涉及建筑结构形变传感器及其监测技术。
背景技术
为准确评估结构的性能、强度和恶化程度，大量结构形变传感器被开发和投入使用。
传统的建筑结构形变传感器，诸如拉线式位移传感器、拉杆式位移传感器、应变计、光纤位移计等，都需要延伸出错综复杂的引线并以此提供能量和传输数据。如此，一方面增大了试验的工作量，另一方面也增大了出错几率，给试验前排障带来了困难。
针对以上传统传感器的问题，学者提出了基于单片贴片天线的受力式无源无线形变传感器。这类传感器的机理是，通过将结构的形变转化为单片贴片天线本身的变形，并通过测量随天线本身形变而改变的天线电磁参量，达到对结构形变进行测量。在测量的阶段，由于传感器本身会受力而产生变形，基于单片贴片天线的受力式无源无线形变传感器的测试精度和使用寿命会受到传感器黏贴强度和底部剪力传递效率的影响，如此往往无法较好地完成测量任务。
发明内容
本申请针对现有技术的缺点，为解决已有基于单片贴片天线的受力式无源无线形变传感器其受力带来的问题，本申请提出了一种新型的基于双层贴片天线的无源无线形变传感器。
同时本申请还提出了一种该新型基于双层贴片天线的无源无线形变传感器构建的建筑结构监测系统，可降低结构形变监测成本，实现在传感器不受力的状态下对结构形变无源无线的监测。
本申请技术方案设计要点：
(1)基于双层贴片天线的无源无线形变传感器可以感知结构形变，并且传感器的谐振频率漂移量与形变大小在固定范围内有较为明确的关系；
(2)基于双层贴片天线的无源无线形变传感器在工作时传感器并不受力；
(3)检测设备可无线检测天线谐振频率的漂移量，依此推算出结构所经历的形变，如位移、裂缝、应变等，实现结构形变的无线检测；
(4)检测设备可通过电磁波激活传感器使其工作，不需要额外的电源，实现传感器的无源；芯片可存储贴片天线的ID、位置等简单信息，实现大范围多个传感器的密集布设和识别。
技术方案二
一种基于双层贴片天线的无源无线形变传感器及监测系统，其特征在于，包括RFID标签8传感器、阅读器4和设置模块，其中：
基于双层贴片天线的无源无线形变传感器设计,它由三个组件构成，其中：
组件二置于组件一上，两者为标签的天线，两平面平行，功能上相互耦合，两者无连接，可以相对移动；
组件三为组件二、组件一之间的连接机构；
组件一固定于被测结构一侧，组件二通过组件三连接于被测结构另一侧；随着结构产生变形，协同组件二、组件一之间发生相对位移变化，改变两平面的重合面积；
RFID标签8通过连接机构7始终跨接被测结构12的两侧以实现对其变形监测，当被测结构12因开裂、裂缝变大、发生位移、变形将协同改变RFID标签8中两个贴面天线重贴面积从而影响其工作谐振频率；RFID标签8与阅读器4之间的距离在通信读取范围内；
系统控制阅读器4以周期性以可变的不同频率电磁波发射，当发射的频率电磁波匹配RFID标签目前的工作谐振频率则被激活，RFID标签通过自身天线发生应答信号，与阅读器4建立通信；
阅读器4负责无线读取RFID标签的信息并进行数据处理；
设置模块作为人机交互模块，系统通过设置模块设置好初始状态下特定裂缝/位移/形变参数和超出安全边界时的阈值参数。
RFID标签作为传感器用于监测裂缝/位移/形变的宽度，RFID标签1安装在待测结构两个位点处；当结构经历形变时，分别与结构两点相连的组件一和组件二产生相对位移，辐射贴片3与平行贴片6构成的一对互相耦合的辐射贴片的重叠长度变化，其使天线上负载的等效电容发生变化，从而使得天线的谐振频率发生漂移；RFID阅读器检测RFID标签的谐振频率漂移，并根据对应关系计算出两组件的相对位移，从而推算得到结构的形变。
根据被测结构的规格、材料力学特征参数，确定出从初始状态变化到完全失去安全保障状态时变形程度，设置模块给系统输入；同时，根据传感器设计，贴片相对重合面积发生改变，天线谐振长度发生变化，从而天线谐振频率发生变化，经过理论分析和具体试验，确定出天线谐振频率漂移量与变形/位移量之间的关系式。
阅读器4包括无线收发模块、调制解调模块、控制模块、数字处理模块；通过无线收发模块、调制解调模块，RFID阅读器可以检测RFID标签的谐振频率漂移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出因变形两组件所发生的相对位移。
其中控制模块，用于控制系统的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标签中的芯片即可被激活。激活标签所需要的阅读器最小发射功率Pmin(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中贴片天线谐振频率fR发射信号时，激活标签所需的最小发射功率Pmin(fR)最小。
其中，数字处理模块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。当天线重合面积发生变化，天线电容发生变化，其谐振频率漂移，通过数字处理模块可以确定谐振频率漂移量，从而得出对应结构发生变形程度，从而反映出被监测结构构件12变形的无源无线监测。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
(1)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；
(2)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；
(3)以天线的谐振频率作为参数测量位移，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；
(4)传感器的成本较之现有的传感器极为低廉，可以作为预制设备与结构一同设计和建造，建设起实时监测的网络；
相比于其他基于单片贴片天线的结构形变传感器，本申请工作时传感器内部不产生应力，工作性能不会受到应力影响，从而提高了传感器测量精度。
附图说明
图1实施例1中传感器安装应用场景示意
图2实施例1中由组件一、二、三构成的RFID标签传感器的拆解图
图3实施例2系统构成及测试示意图
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请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。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请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。
本申请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、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请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。
以下结合附图和实施例对本申请技术方案做详细说明。共3个实施例。
实施例1
一、基础技术方案描述
本申请公开了一种基于双层贴片天线的无源无线形变传感器设计，为需要保护的核心专利之一，如图1所示，它由三个组件构成，其中：
组件二置于组件一上，两者为标签的天线，两平面平行，功能上相互耦合，两者无连接，可以相对移动；
组件三为组件二、组件一之间的连接机构；
组件一固定于被测结构一侧，组件二通过组件三连接于被测结构另一侧；随着结构产生变形(如应变、裂缝宽度、位移等)，协同组件二、组件一之间发生相对位移变化，改变两平面的重合面积。
二、结构实现：
组件一由接地平面1、基板2、辐射贴片3、芯片4组成；
接地平面1、基板2、辐射贴片3三者由下至上呈依次叠合的位置关系；
基板2为连接件：芯片4通过锡焊焊接在基板2上，辐射贴片3通过沉金工艺镀于基板2上部，接地平面1紧密贴合基板2之下，辐射贴片3和芯片4的厚度相当且电连接。
组件二由平行贴片6、移动基板5组成；平行贴片6作为功能件安载于移动基板5上呈一体，位于辐射贴片3上方。
组件三为连接机构7，其尾部连接于移动基板5，其头部固定于被监测结构构件12上。
三、设计原理及有益效果：
本申请应用了贴片天线的谐振特性。组件一的辐射贴片3与组件二的平行贴片6组成一对互相耦合的辐射贴片。两组件产生相对位移时，互相耦合的辐射贴片的重叠长度发生改变，从而使得形成的电容发生改变，根据贴片天线的等效谐振设计关系，天线的谐振频率将发生改变。
本申请由三个组件组成，随着结构产生变形，可通过测量两个组件之间的相对位移对结构形变(如应变、裂缝宽度、位移等)进行测量。
本申请无源无线的传感器8，本质上是无源RFID标签。无源RFID标签，不需要通过预装电池或者馈电线进行能量输入，而是通过接收发射天线的电磁波进行能源输入；无线是指本申请不需要额外的馈电线进行数据传输，具体表现为当传感器内部组件一和组件二发生相对位移使得谐振频率发生线性飘移时，本申请使用者可以通过阅读器无源无线获取天线谐振频率的改变量，进而推算出组件一和组件二的相对位移，从而测量得到结构的指定形变。
本申请中传感器可以在不受力的情况下对建筑结构形变进行测量。
四、作为实施例，仅举例而非限定本专利技术方案的保护范围，进一步给出具体化的结构细节、工艺实现或者推荐的优化措施：
平行贴片6与辐射贴片4中间间隔有移动基板5，两者上下互相平行，移动基板5与辐射贴片4之间无连接。
接地平面1、辐射贴片3、平行贴片5，其材质均为铜；基板2与移动基板5采用RT5880介质板；连接线7采用硬质泡沫材质。
基于双层贴片天线的无源无线形变传感器8的性能与标签天线的种类有关，对辐射贴片3的尺寸和平行贴片6的宽度进行优化，可提高传感器的灵敏度。
辐射贴片3可以设计为32mm*26mm，平行贴片6可以设计为32mm*16mm。
平行贴片6通过沉金工艺镀于移动基板5上。
实施例2(应用系统)
以下进一步公开本申请的系统专利，为需要保护的核心专利之二。
基于实施例1进一步给出监测系统。
无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术为建筑结构裂缝变化和位移发生、变形监测提供了一种新思路，本申请进一步公开了一种基于双层贴片天线的无源无线形变传感器及监测系统，可以实现无需外部有线电源、无需受力下的测量。
图3所示，一种基于双层贴片天线的无源无线形变传感器及监测系统，其特征在于，包括RFID标签8(即实施例1传感器)、阅读器4和设置模块(图中未画)，其中：
RFID标签8通过连接机构7始终跨接被测结构12的两侧以实现对其变形监测，当被测结构12因开裂、裂缝变大、发生位移、变形等将协同改变RFID标签8中两个贴面天线重贴面积从而影响其工作谐振频率；RFID标签8与阅读器4之间的距离在通信读取范围内。
系统控制阅读器4以周期性(举例而非限定，比如每间隔1个月，1年监测12次)以可变的不同频率电磁波发射，当发射的频率电磁波匹配RFID标签目前的工作谐振频率则被激活，RFID标签通过自身天线发生应答信号，与阅读器4建立通信；
阅读器4负责无线读取RFID标签的信息并进行数据处理；
设置模块作为人机交互模块，系统通过设置模块设置好初始状态下特定裂缝/位移/形变参数和超出安全边界时的阈值参数。
RFID标签作为传感器用于监测裂缝/位移/形变的宽度。参照实施例1，RFID标签1安装在待测结构两个位点处。当结构经历形变时，分别与结构两点相连的组件一和组件二产生相对位移，辐射贴片3与平行贴片6构成的一对互相耦合的辐射贴片的重叠长度变化，其使天线上负载的等效电容发生变化，从而使得天线的谐振频率发生漂移；RFID阅读器检测RFID标签的谐振频率漂移，并根据对应关系计算出两组件的相对位移，从而推算得到结构的形变，如位移、应变等。
根据被测结构的规格、材料力学特征参数，经过理论分析和试验，确定出从初始状态变化到完全失去安全保障状态时变形程度，设置模块给系统输入；同时，根据传感器设计，贴片相对重合面积发生改变，天线电容发生变化，从而天线谐振频率发生变化，经过理论分析和具体试验，确定出天线谐振频率漂移量与变形/位移量之间的关系式。
阅读器4包括无线收发模块、调制解调模块、控制模块、数字处理模块；其中无线收发模块、调制解调模块皆属于本领域通用的已知技术，不是本申请的创新点。通过无线收发模块、调制解调模块，RFID阅读器可以检测RFID标签的谐振频率漂移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出因变形两组件所发生的相对位移。
其中控制模块，用于控制系统的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标签中的芯片即可被激活。激活标签所需要的阅读器最小发射功率Pmin(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中贴片天线谐振频率fR发射信号时，激活标签所需的最小发射功率Pmin(fR)最小。
其中，数字处理模块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。当天线重合面积发生变化，天线电容发生变化，其谐振频率漂移，通过数字处理模块可以确定谐振频率漂移量，从而得出对应结构发生变形程度，从而反映出被监测结构构件12变形的无源无线监测。
实施例3
在实施例2基础上，实现对大范围的建筑结构变形进行无源无线的监测。
系统还包括存储模块，预存有各个电子标签传感器8中芯片携带标签的编码和位置信息，系统利用RFID阅读器向标签发射调制的电磁波信号，可以识别该标签的编码，当RFID阅读器扫描范围布置多个RFID标签时，阅读器可以根据各标签的编码，标记各个测点处被监测结构件的状态，并定位和筛选出非健康的结构件以及确定出裂缝宽度值。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。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，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于双层贴片天线的无源无线形变传感器及监测系统，其特征在于，包括RFID标签8传感器、阅读器4和设置模块，其中：
基于双层贴片天线的无源无线形变传感器设计,它由三个组件构成，其中：
组件二置于组件一上，两者为标签的天线，两平面平行，功能上相互耦合，两者无连接，可以相对移动；
组件三为组件二、组件一之间的连接机构；
组件一固定于被测结构一侧，组件二通过组件三连接于被测结构另一侧；随着结构产生变形，协同组件二、组件一之间发生相对位移变化，改变两平面的重合面积；
RFID标签8通过连接机构7始终跨接被测结构12的两侧以实现对其变形监测，当被测结构12因开裂、裂缝变大、发生位移、变形将协同改变RFID标签8中两个贴面天线重贴面积从而影响其工作谐振频率；RFID标签8与阅读器4之间的距离在通信读取范围内；
系统控制阅读器4以周期性以可变的不同频率电磁波发射，当发射的频率电磁波匹配RFID标签目前的工作谐振频率则被激活，RFID标签通过自身天线发生应答信号，与阅读器4建立通信；
阅读器4负责无线读取RFID标签的信息并进行数据处理；
设置模块作为人机交互模块，系统通过设置模块设置好初始状态下特定裂缝/位移/形变参数和超出安全边界时的阈值参数。
2.如权利要求1所述系统，特征是，
RFID标签作为传感器用于监测裂缝/位移/形变的宽度，RFID标签1安装在待测结构两个位点处；当结构经历形变时，分别与结构两点相连的组件一和组件二产生相对位移，辐射贴片3与平行贴片6构成的一对互相耦合的辐射贴片的重叠长度变化，其使天线上负载的等效电容发生变化，从而使得天线的谐振频率发生漂移；RFID阅读器检测RFID标签的谐振频率漂移，并根据对应关系计算出两组件的相对位移，从而推算得到结构的形变。
3.如权利要求1所述系统，特征是，
根据被测结构的规格、材料力学特征参数，确定出从初始状态变化到完全失去安全保障状态时变形程度，设置模块给系统输入；同时，根据传感器设计，贴片相对重合面积发生改变，天线谐振长度发生变化，从而天线谐振频率发生变化，经过理论分析和具体试验，确定出天线谐振频率漂移量与变形/位移量之间的关系式。
4.如权利要求1所述系统，特征是，
阅读器4包括无线收发模块、调制解调模块、控制模块、数字处理模块；通过无线收发模块、调制解调模块，RFID阅读器可以检测RFID标签的谐振频率漂移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出因变形两组件所发生的相对位移。
5.如权利要求4所述系统，特征是，
其中控制模块，用于控制系统的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标签中的芯片即可被激活。激活标签所需要的阅读器最小发射功率Pmin(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中贴片天线谐振频率fR发射信号时，激活标签所需的最小发射功率Pmin(fR)最小。
6.如权利要求4所述系统，特征是，
其中，数字处理模块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。当天线重合面积发生变化，天线电容发生变化，其谐振频率漂移，通过数字处理模块可以确定谐振频率漂移量，从而得出对应结构发生变形程度，从而反映出被监测结构构件12变形的无源无线监测。
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