CN113919451A - 一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统和数字化裂纹监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及结构健康监测和射频识别技术领域，公开了一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统，包括：RFID传感标签结构、与传感标签结构相连的调谐控制电路、与上位机软件相连的RFID阅读器；还公开了一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，包括以下步骤：S1.搭建基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统；S2.上位机软件控制RFID阅读器识别RFID传感标签，并以单一频点对RFID传感标签进行盘点；S3.通过多次盘点RFID传感标签，得到RFID传感标签的谐振频率；S4.上位机软件控制RFID阅读器对所述的RFID传感标签的谐振频率进行判断调谐；S5.通过提取的谐振频率，判断裂纹表面是否扩张，并输出裂纹表面的监测结果。
Description
技术领域
本发明涉及结构健康监测和射频识别技术领域，更具体的，涉及一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法。
背景技术
目前在结构健康监测领域，传统的裂纹监测方法有超声、渗透、磁粉等方法。但是这些方法对环境的要求较高、监测程序繁琐、人工成本高，无法满足日益多样化的裂纹监测需求等问题；在此背景下，RFID技术开始被运用于结构健康监测领域。
RFID技术，即射频识别系统技术，是一种非接触式的自动识别系统，它通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据，由电子标签、读写器和计算机网络构成。
与传统裂纹检测方法相比，RFID方法人工成本低，精度高，程序简单；然而由于环境和通信通道的限制，现有的RFID往往需要安装后对其天线进行调谐。目前RFID传感标签大都采用手动更改调谐器件的方式调谐，通过监测阅读器启动功率获取天线谐振频率等裂纹特征，存在调谐灵活性差、无线信道对裂纹特征提取干扰较大的局限问题。为解决所述问题，本技术领域发明有如中国专利号CN112580376A，公开日2021.03.30，公开了一种基于软硬件协同的RFID标签天线阻抗调谐方法和系统，可解决现有RFID标签阻抗调谐方式灵活性较差且精度低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有RFID裂纹检测方法传感标签调谐灵活性差、无线信道对裂纹特征提取干扰较大的问题，提出一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统和数字化裂纹监测方法。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统，包括：RFID传感标签结构、与传感标签结构相连的调谐控制电路、与上位机软件相连的RFID阅读器。
优选的，所述的RFID传感标签包括标签天线结构、调谐控制电路、RFID芯片；所述标签天线结构、调谐控制电路、RFID芯片依次连接。
进一步的，所述的调谐控制电路包括MCU芯片、电容调谐器件。所述电容调谐器件与所述MCU芯片相连，被MCU芯片控制。
一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，包括以下步骤：
S1.搭建基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统；
S2.利用上位机软件控制RFID阅读器识别RFID传感标签，并以单一频点对RFID传感标签进行盘点；
S3.通过多次盘点RFID传感标签，得到RFID传感标签的谐振频率；
S4.上位机软件控制RFID阅读器对所述的RFID传感标签的谐振频率进行判断调谐；
S5.通过提取的谐振频率，判断裂纹表面是否扩张，并输出裂纹表面的监测结果。
更进一步的，步骤S1，表面裂纹对应所述标签天线结构的具体的谐振频点；当表面裂纹发生变化，所述的标签天线结构谐振频率即发生偏移，从而达成表面裂纹的传感。
更进一步的，步骤S3，包括以下步骤：
S301.通过MCU芯片监测RFID芯片输出电压并记录与RFID芯片输出电压对应的RFID阅读器发送频率；
S302.多次重复S301-S302步骤，得到所述RFID芯片输出电压与所述RFID传感标签响应频率的对应关系。
更进一步的，步骤S301，包括以下步骤：
S301_1.上位机软件记录所述RFID阅读器发送频点信息并保存，等待跳频标志位；
S301_2.MCU芯片对所述RFID芯片的输出电压进行采样，转换为数字电压值，并将此电压值写入所述RFID芯片内存中；
S301_3.向所述RFID芯片写入跳频标志位，并等待跳频标志位被清除；
S301_4.RFID阅读器识别到跳频标志位后，读取RFID芯片内存中的数字电压值并保存，然后改变发送频点，并清除跳频标志位。
更进一步的，步骤S302，包括以下步骤：
S302_1.判断所述的发送频点是否已经达到所述阅读器工作频段极限，若是则执行步骤S4，否则，返回执行步骤S2；
S302_2.通过反复执行步骤S302_1,得到工作频段内所有响应频率对应的RFID芯片输出电压值，得到谐振频率。
更进一步的，步骤S302_2,包括以下步骤：
D1.将所述RFID芯片输出电压值，绘制成二维散点图，横坐标为所述响应频率，纵坐标为所述输出电压；
D2.根据散点图轮廓找到最小输出电压对应的响应频率，该频率即为待提取的所述谐振频率。
更进一步的，步骤S4，包括以下步骤：
S401.判断所述谐振频率是否处于所述RFID传感标签工作频段内，若是，则进行步骤S5，否则执行步骤S402；
S402.判断所述电容调谐器件是否处于最大量程状态，若是，则进行步骤S5，否则执行步骤S403；
S403.写调谐标志位到RFID芯片内存，等待所述MCU芯片清除调谐标志位，在调谐标志位被清除后返回执行步骤S2；
S404.所述MCU芯片识别到所述调谐标志位置位后，MCU芯片控制所述电容调谐器件改变接入电容值，完成一次调谐，主动清除调谐标志位并等待调谐标志位置位。
本发明的有益效果如下：
本发明通过采用RFID传感标签提取裂纹特征信息，并且通过上位机软件控制RFID阅读器得到谐振频率，实现对裂纹的监测，同时当裂纹扩展引发谐振频率偏移出RFID传感标签工作频段时，通过调谐控制电路实现对RFID传感标签的调谐。有效的解决了现有RFID裂纹检测方法传感标签调谐灵活性差、无线信道对裂纹特征提取干扰较大的问题。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统，包括：RFID传感标签结构、与传感标签结构相连的调谐控制电路、与上位机软件相连的RFID阅读器。
所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，其特征在于：所述的RFID传感标签包括标签天线结构、调谐控制电路、RFID芯片；所述标签天线结构、调谐控制电路、RFID芯片依次连接。
所述的调谐控制电路包括MCU芯片、电容调谐器件。所述电容调谐器件与所述MCU芯片相连，被MCU芯片控制。
实施例2
一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，包括以下步骤：
S1.搭建基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统；
S2.利用上位机软件控制RFID阅读器识别RFID传感标签，并以单一频点对RFID传感标签进行盘点；
S3.通过多次盘点RFID传感标签，得到RFID传感标签的谐振频率；
S4.上位机软件控制RFID阅读器对所述的RFID传感标签的谐振频率进行判断调谐；
S5.通过调谐后的谐振频率，判断裂纹表面是否扩张，并输出裂纹表面的监测结果。
步骤S1，表面裂纹对应所述标签天线结构的具体的谐振频点；当表面裂纹发生变化，所述的标签天线结构谐振频率即发生偏移，从而达成表面裂纹的传感。
本实施例中所述标签天线结构、调谐控制电路、RFID芯片依次连接。上位机软件安装于个人电脑中，用于控制RFID阅读器对传感标签进行扫描、盘点、读写等操作，RFID阅读器是一种与RFID标签通信的专用设备，RFID标签天线接收来自RFID阅读器的射频能量，并反射其内部信息给RFID阅读器天线，使得RFID阅读器可以和RFID标签通信，RFID芯片通过内部能量收集模块，输出模拟电压供所述MCU芯片采样，且输出直流电能为所述调谐控制电路提供能量，MCU芯片对所述RFID芯片输出电压进行采样、内存读写操作，并作为调谐的主控设备控制电容调谐器件改变接入电容值。
步骤S3，包括以下步骤：
S301.通过MCU芯片监测RFID芯片输出电压并记录与RFID芯片输出电压对应的RFID阅读器发送频率；
S302.多次重复S301-S302步骤，得到所述RFID芯片输出电压与所述RFID传感标签响应频率的对应关系。
步骤S301，包括以下步骤：
S301_1.上位机软件记录所述RFID阅读器发送频点信息并保存，等待跳频标志位；
S301_2.MCU芯片对所述RFID芯片的输出电压进行采样，转换为数字电压值，并将此电压值写入所述RFID芯片内存中；
S301_3.向所述RFID芯片写入跳频标志位，并等待跳频标志位被清除；
S301_4.RFID阅读器识别到跳频标志位后，读取RFID芯片内存中的数字电压值并保存，然后改变发送频点，并清除跳频标志位。
步骤S302，包括以下步骤：
S302_1.判断所述的发送频点是否已经达到所述阅读器工作频段极限，若是则执行步骤S4，否则，返回执行步骤S2；
S302_2.通过反复执行步骤S302_1,得到工作频段内所有响应频率对应的RFID芯片输出电压值，得到谐振频率。
本实施例中，上位机软件控制RFID阅读器以固定902MHz频率功率循环扫描RFID传感标签，记录下该频点信息并保存，通过MCU芯片采样此时RFID芯片输出电压并将此电压值信息写入RFID芯片内存，RFID阅读器读取RFID内存获取该电压值信息，更改发送频点，多次重复该过程得到工作频段内所有发送频点与电压值的关系表，分析该表找到最小电压值对应的频点，该频点即为RFID天线的谐振频率。
步骤S302_2,包括以下步骤
D1.将所述RFID芯片输出电压值，绘制成二维散点图，横坐标为所述响应频率，纵坐标为所述输出电压；
D2.根据散点图轮廓找到最小输出电压对应的响应频率，该频率即为待提取的所述谐振频率。
步骤S4，包括以下步骤：
S401.判断所述谐振频率是否处于所述RFID传感标签工作频段内，若是，则进行步骤S5，否则执行步骤S402；
S402.判断所述电容调谐器件是否处于最大量程状态，若是，则进行步骤S5，否则执行步骤S403；
S403.写调谐标志位到RFID芯片内存，等待所述MCU芯片清除调谐标志位，在调谐标志位被清除后返回执行步骤S2；
S404.所述MCU芯片识别到所述调谐标志位置位后，MCU芯片控制所述电容调谐器件改变接入电容值，完成一次调谐，主动清除调谐标志位并等待调谐标志位置位。
本发明通过采用RFID传感标签提取裂纹特征信息，并且通过上位机软件控制RFID阅读器得到谐振频率，实现对裂纹的监测，同时当裂纹扩展引发谐振频率偏移出RFID传感标签工作频段时，通过调谐控制电路实现对RFID传感标签的调谐。有效的解决了现有RFID裂纹检测方法传感标签调谐灵活性差、无线信道对裂纹特征提取干扰较大的问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统，包括：RFID传感标签结构、与传感标签结构相连的调谐控制电路、与上位机软件相连的RFID阅读器。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统，其特征在于：所述的RFID传感标签包括标签天线结构、调谐控制电路、RFID芯片；所述标签天线结构、调谐控制电路、RFID芯片依次连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统，其特征在于：所述的调谐控制电路包括MCU芯片、电容调谐器件。所述电容调谐器件与所述MCU芯片相连，被MCU芯片控制。
4.一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
S1.搭建基于频率跟踪的数字化裂纹监测系统；
S2.利用上位机软件控制RFID阅读器识别RFID传感标签，并以单一频点对RFID传感标签进行盘点；
S3.通过多次盘点RFID传感标签，得到RFID传感标签的谐振频率；
S4.上位机软件控制RFID阅读器对所述的RFID传感标签的谐振频率进行判断调谐；
S5.通过提取的谐振频率，判断裂纹表面是否扩张，并输出裂纹表面的监测结果。
5.根据权利要求4所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，其特征在于：步骤S1，表面裂纹对应所述标签天线结构的具体的谐振频点；当表面裂纹发生变化，所述的标签天线结构谐振频率发生偏移，从而达成表面裂纹的传感。
6.根据权利要求4所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，其特征在于：步骤S3，包括以下步骤：
S301.通过MCU芯片监测RFID芯片输出电压并记录与RFID芯片输出电压对应的RFID阅读器发送频率；
S302.多次重复S301-S302步骤，得到所述RFID芯片输出电压与所述RFID传感标签响应频率的对应关系。
7.根据权利要求6所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，其特征在于：步骤S301，包括以下步骤：
S301_1.上位机软件记录所述RFID阅读器发送频点信息并保存，等待跳频标志位；
S301_2.MCU芯片对所述RFID芯片的输出电压进行采样，转换为数字电压值，并将此电压值写入所述RFID芯片内存中；
S301_3.向所述RFID芯片写入跳频标志位，并等待跳频标志位被清除；S301_4.RFID阅读器识别到跳频标志位后，读取RFID芯片内存中的数字电压值并保存，然后改变发送频点，并清除跳频标志位。
8.根据权利要求6所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，其特征在于：步骤S302，包括以下步骤：
S302_1.判断所述的发送频点是否已经达到所述阅读器工作频段极限，若是则执行步骤S4，否则，返回执行步骤S2；
S302_2.通过反复执行步骤S302_1,得到工作频段内所有响应频率对应的RFID芯片输出电压值，得到谐振频率。
9.根据权利要求8所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，其特征在于：步骤S302_2,包括以下步骤：
D1.将所述RFID芯片输出电压值，绘制成二维散点图，横坐标为所述响应频率，纵坐标为所述输出电压；
D2.根据散点图轮廓找到最小输出电压对应的响应频率，该频率即为待提取的所述谐振频率。
10.根据权利要求4所述的一种基于频率跟踪的数字化裂纹监测方法，其特征在于：步骤S4，包括以下步骤：
S401.判断所述谐振频率是否处于所述RFID传感标签工作频段内，若是，则进行步骤S5，否则执行步骤S402；
S402.判断所述电容调谐器件是否处于最大量程状态，若是，则进行步骤S5，否则执行步骤S403；
S403.写调谐标志位到RFID芯片内存，等待所述MCU芯片清除调谐标志位，在调谐标志位被清除后返回执行步骤S2；
S404.所述MCU芯片识别到所述调谐标志位置位后，MCU芯片控制所述电容调谐器件改变接入电容值，完成一次调谐，主动清除调谐标志位并等待调谐标志位置位。
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