CN113419079B - 一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置 - Google Patents

一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，用于检测待测结构的结构加速度，包括加速度传感器、阅读器、发射天线和数据终端，所述的加速度传感器包括封装板、弹性组件和辐射单元，所述的辐射单元包括辐射贴片、芯片和短接贴片，所述的辐射贴片通过基板固定在封装板上，所述的芯片固定在辐射贴片上，所述的短接贴片一侧与弹性组件连接，另一侧紧贴辐射贴片，检测时加速度传感器固定在待测结构上，所述的阅读器通过发射天线收发信号，提取辐射单元的谐振频率，所述的数据终端根据谐振频率计算得到待测结构的结构加速度。与现有技术相比，本发明具有布设简单、成本低、适用性强、可靠性高和使用寿命长等优点。

Description

一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置
技术领域
本发明涉及一种结构加速度检测技术，尤其是涉及一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置。
背景技术
随着结构服役时间的延长，结构损伤逐渐累积。为确保结构服役能力，需要对结构进行实时监测。其中，加速度传感器在分析楼层振动，高层风荷载响应，桥梁稳定性等实际问题中具有独特的作用。
传统的适用于结构健康检测的加速度传感器，包括振弦式传感器、电容式传感器、光纤式传感器等，可以对结构进行动态加速度检测，但是，由于传统传感器采用电缆进行数据传输和能源供给，在复杂的检测环境中，往往会产生极为复杂的布线，需要较高的人力成本，且检测系统故障后较难排除和修复。通过在加速度传感器节点上增添电源供应设备，可以对加速度传感器节点进行无线访问。但是，这些传感器一方面安装较为困难，且较为昂贵，因此，很难应用于常态化、分布式的加速度传感监测系统；另一方面，由于体积较大、占空较多，有源加速度传感器在旋转过程中失效概率较大，很难应用于混凝土埋置式监测和旋转体的加速度监测中，限制了有源加速度传感器的发展。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，布设简单，成本低，适用性强，可靠性高，使用寿命长。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，用于检测待测结构的结构加速度，包括加速度传感器、阅读器、发射天线和数据终端，所述的加速度传感器包括封装板、弹性组件和贴片天线，所述的贴片天线包括接地平面、基板、芯片和辐射单元，所述的基板、接地平面和封装板依次连接，所述的辐射单元包括辐射贴片和短接贴片，所述的辐射贴片固定在基板上，所述的芯片固定在辐射贴片上，所述的短接贴片一侧与弹性组件连接，另一侧紧贴辐射贴片；
检测时加速度传感器固定在待测结构上，所述的阅读器通过发射天线收发信号，提取贴片天线的谐振频率，所述的数据终端根据谐振频率计算得到待测结构的结构加速度；
所述的贴片天线的谐振频率跟辐射贴片的长度线性相关，由于弹性组件具有弹性，当待测结构发生振动时，弹性组件发生形变，所述的短接贴片会随着弹性组件移动，此时辐射贴片和短接贴片互相错动，改变了辐射单元的总长度，从而改变了贴片天线的谐振频率，此时，通过对贴片天线的谐振频率进行检测和计算，可以表征待测结构此时的振动加速度；
所述的加速度传感器具有一种无源无线的传感器，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，也不需要额外的馈电线进行数据传输，当待测结构发生振动时，所述的贴片天线的谐振频率发生变化，可以通过阅读器获取谐振频率的改变量，进而推算出短接贴片与辐射贴片的相对错动情况，从而无源无线获得结构的振动加速度信息；
所述的芯片中存储有加速度传感器的对应的编号和位置信息，当布置多个加速度传感器时，便于识别信息来源。
进一步地，所述的弹性组件包括联动件、联动敏感轴和两块质量块，所述的联动敏感轴穿过联动件和质量块，且固定在封装板上，所述的两块质量块设于联动件的相对两侧，所述的联动件和短接贴片固定连接，所述的质量块和封装板之间设有套在联动敏感轴上的弹簧；
当待测结构振动时，所述的质量块在弹簧的作用下开始往复振动，所述的质量块通过联动件带动短接贴片往复运动，进而导致短接贴片与辐射贴片的相对位移，进而改变贴片天线的谐振频率，通过弹簧和质量块感知待测结构的振动频率，所述的弹簧起到缓冲和复位的功能，灵敏度高，且结构简单，寿命长。
进一步地，所述的质量块和联动件固定连接。
进一步地，所述的弹簧的两端分别与质量块和封装板固定连接。
进一步地，所述的封装板包括底面封装板以及垂直对称设置在底面封装板上的两块侧面封装板。
进一步地，所述的底面封装板和侧面封装板一体化设计或粘接。
进一步地，所述的联动敏感轴固定在两块侧面封装板之间。
进一步地，所述的接地平面通过沉金工艺镀在基板上。
进一步地，所述的辐射贴片通过沉金工艺镀在基板上。
进一步地，所述的基板材料为RT5880、RT5870或FR4高频层压板材料。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明贴片天线的谐振频率跟辐射单元的长度线性相关，当待测结构开始振动时，贴附于待测点表面的加速度传感器由于共振效应随之振动，质量块在弹簧的作用下开始往复振动，质量块通过联动件带动短接贴片往复运动，进而导致短接贴片与辐射贴片的相对位移，改变了辐射单元的总长度，从而改变了贴片天线的谐振频率，阅读器通过发射天线收发电磁波信号，提取贴片天线的谐振频率，数据终端检测谐振频率的漂移，并根据对应关系计算出待测结构的结构加速度，加速度传感器通过电磁波提供能量和信息传输，不需要额外的电源、电源线以及数据传输线，从而避免了繁琐的布线工作，加速度传感器制作成本低，节省了人力和物力；
(2)本发明以贴片天线的谐振频率作为参数测量加速度，受距离和环境噪声等因素的影响小，加速度传感器的适用性强；
(3)本发明加速度传感器无需与待测结构同轴线布设，布设更加灵活，在自然灾害下更不容易失效，可靠性高，加速度传感器体积小，可以作为预制设备与待测结构一同设计和建造，建设起实时监测的网络；
(4)本发明芯片中存储有加速度传感器的对应的编号和位置信息，当布置多个加速度传感器时，便于识别信息来源；
(5)本发明通过弹簧和质量块感知待测结构的振动频率，弹簧起到缓冲和复位的功能，灵敏度高，且结构简单，寿命长，同时可通过调节弹簧的刚度和质量块的质量，对传感器的量程进行灵活调节。
附图说明
图1为加速度传感器的结构示意图；
图2为贴片天线和联动件的装配示意图；
图3为弹性组件和封装板的装配示意图；
图4为检测时结构加速度检测装置的安装位置示意图；
图中标号说明：
1.接地平面，2.基板，3.辐射贴片，4.芯片，5.短接贴片，6.联动件，7.联动敏感轴，8.质量块，9.弹簧，10.侧面封装板，11.底面封装板，12.加速度传感器，13.待测结构，14.阅读器，15.发射天线，16.数据终端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，如图4，用于检测待测结构13的结构加速度，包括加速度传感器12、阅读器14、发射天线15和数据终端16，加速度传感器12包括封装板、弹性组件和贴片天线；
如图2和图3，封装板包括底面封装板11以及垂直对称设置在底面封装板11上的两块侧面封装板10，底面封装板11和侧面封装板10一体化设计或粘接，弹性组件包括联动件6、联动敏感轴7和两块质量块8，联动敏感轴7固定在两块侧面封装板10之间，联动件6和质量块8上均开有与联动敏感轴7匹配的孔洞，联动敏感轴7穿过联动件6和质量块8上的孔洞，联动件6和质量块8可沿着联动敏感轴7滑动，两块质量块8固定在联动件6的相对两侧，联动件6和短接贴片5固定连接，质量块8和封装板之间设有套在联动敏感轴7上的弹簧9，弹簧9的两端分别与质量块8和侧面封装板10固定连接。
如图2，所述的贴片天线包括接地平面1、基板2、芯片4和辐射单元，所述的基板2、接地平面1和底面封装板11依次连接，接地平面1通过沉金工艺镀在基板2上，辐射单元包括辐射贴片3和短接贴片5，辐射贴片3固定在基板2上，芯片4焊接在辐射贴片3上，短接贴片5一侧与联动件6粘接，另一侧紧贴辐射贴片3；
贴片天线呈片状，具有低剖面、高品质因数的特点，其中，接地平面1、辐射贴片3和短接贴片5为铜质，基板2的材料为工业电介质材料，在工作时，接地平面1与辐射单元形成一个双边开槽的腔体，电磁波馈入贴片天线后在其中形成表面电流并进行传递，中间的基板2一方面起到支撑和固定接地平面1与辐射单元的作用，另一方面起到电介质的作用，由于电磁波会在辐射单元和接地平面1之间振荡，电介质基板2选取损耗较低的工业电介质材料时，可以降低电磁波的传递损耗，增加贴片天线的工作效率。
贴片天线的谐振频率跟辐射贴片的长度线性相关。
芯片4中存储有加速度传感器12的对应的编号和位置信息，当布置多个加速度传感器12时，便于识别信息来源。
辐射贴片3的尺寸为49mm*36mm，短接贴片5的尺寸为49mm*16mm。
基板2材料为RT5880、RT5870或FR4高频层压板材料。
阅读器14通过发射天线15，以不同的频率向贴片天线发射调制过的电磁波信号，当贴片天线接收到的信号功率达到阈值时，芯片4即可被激活，激活芯片4所需要的阅读器14的最小发射功率与阅读器14所发射信号频率有关，当阅读器14以贴片天线的谐振频率发射信号时，激活芯片4所需的最小发射功率最小，通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定贴片天线的谐振频率。
如图4，检测时将若干个加速度传感器12粘接在待测结构13上的各个待测点表面，当待测结构13开始振动时，贴附于待测点表面的加速度传感器12由于共振效应随之振动，质量块8在弹簧9的作用下开始往复振动，质量块8通过联动件6带动短接贴片5往复运动，进而导致短接贴片5与辐射贴片3的相对位移，改变了辐射单元的总长度，从而改变了贴片天线的谐振频率，阅读器14通过发射天线15收发电磁波信号，提取贴片天线的谐振频率，数据终端16检测谐振频率的漂移，并根据对应关系计算出待测结构13的结构加速度。
通过弹簧9和质量块8感知待测结构13的振动频率，弹簧9起到缓冲和复位的功能，灵敏度高，且结构简单，寿命长，通过对弹簧9的刚度和质量块8的质量进行优化，可以对传感器的量程进行优化设计。
加速度传感器12具有一种无源无线的传感器，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15的电磁波进行能源输入，也不需要额外的馈电线进行数据传输，当待测结构13发生振动时，贴片天线的谐振频率发生变化，可以通过阅读器14获取谐振频率的改变量，进而推算出短接贴片5与辐射贴片3的相对错动情况，从而无源无线获得结构的振动加速度信息。
本实施例提出了一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，通过弹性组件传递振动，以改变辐射单元的总长度，从而改变贴片天线的谐振频率，阅读器14对芯片4进行高频访问，获得贴片天线的谐振频率，从而得到待测结构13的动态形变信息，并根据动态形变信息计算得到待测结构13的加速度信息，加速度传感器12通过电磁波提供能量和信息传输，不需要额外的电源以数据传输线，从而避免了繁琐的布线工作，同时加速度传感器12无需与待测结构13同轴线布设，布设更加灵活，在自然灾害下更不容易失效；同时以贴片天线的谐振频率作为参数测量加速度，受距离和环境噪声等因素的影响小，加速度传感器12的适用性强；加速度传感器12的成本低，体积小，结构简单，可以作为预制设备与待测结构13一同设计和建造，建设起实时监测的网络。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，用于检测待测结构（13）的结构加速度，包括加速度传感器（12）、阅读器（14）、发射天线（15）和数据终端（16），所述的加速度传感器（12）包括封装板、弹性组件和贴片天线，所述的贴片天线包括接地平面（1）、基板（2）、芯片（4）和辐射单元，所述的基板（2）、接地平面（1）和封装板依次连接，所述的辐射单元包括辐射贴片（3）和短接贴片（5），所述的辐射贴片（3）固定在基板（2）上，所述的芯片（4）固定在辐射贴片（3）上，所述的短接贴片（5）一侧与弹性组件连接，另一侧紧贴辐射贴片（3），检测时加速度传感器（12）固定在待测结构（13）上，且无需与待测结构（13）同轴线布设，所述的阅读器（14）通过发射天线（15）收发信号，提取贴片天线的谐振频率，所述的数据终端（16）根据谐振频率计算得到待测结构（13）的结构加速度；
所述的弹性组件包括联动件（6）、联动敏感轴（7）和两块质量块（8），所述的联动敏感轴（7）穿过联动件（6）和质量块（8），且固定在封装板上，所述的两块质量块（8）设于联动件（6）的相对两侧，所述的联动件（6）和短接贴片（5）固定连接，所述的质量块（8）和封装板之间设有套在联动敏感轴（7）上的弹簧（9）；
当待测结构振动时，所述的质量块（8）在弹簧（9）的作用下开始往复振动，所述的质量块（8）通过联动件（6）带动短接贴片（5）往复运动，进而导致短接贴片（5）与辐射贴片（3）的相对位移，改变了辐射单元的总长度，进而改变贴片天线的谐振频率，此时，通过对贴片天线的谐振频率进行检测和计算，以表征待测结构此时的振动加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的质量块（8）和联动件（6）固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的弹簧（9）的两端分别与质量块（8）和封装板固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的封装板包括底面封装板（11）以及垂直对称设置在底面封装板（11）上的两块侧面封装板（10）。
5.根据权利要求4所述的一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的联动敏感轴（7）固定在两块侧面封装板（10）之间。
6.根据权利要求4所述的一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的底面封装板（11）和侧面封装板（10）一体化设计或粘接。
7.根据权利要求1所述的一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的接地平面（1）通过沉金工艺镀在基板（2）上。
8.根据权利要求1所述的一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的辐射贴片（3）通过沉金工艺镀在基板（2）上。
9.根据权利要求1所述的一种基于短接贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的基板（2）的材料为RT5880、RT5870或FR4高频层压板材料。
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