CN115372384A - 射频检测系统及其裂纹、应变检测方法和rfid标签 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种射频检测系统及其裂纹、应变检测方法和RFID标签，该RFID标签包括介质基板和贴合在介质基板顶端面的天线，介质基板的四个方向上均设置有标签激励电路，每路标签激励电路包括射频芯片、耦合环、旁支电感、叉指电容和匹配电容，介质基板包括第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板。该多方向检测的RFID标签通过在介质基板的四个方向上均设置有标签激励电路，使得该RFID标签能够实现四个方向检测待测金属样件的裂纹和应变变化情况，解决了现有采用射频识别技术只能从一个方向对金属构件的结构进行健康检测，检测的结果比较片面的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及裂纹检测技术领域，尤其涉及一种射频检测系统及其裂纹、应变检测方法和RFID标签。
背景技术
随着航天航空技术、钢结构桥梁、建筑、铁路运输等行业的蓬勃发展。应用在这些行业上的金属构件大部分是采用大型结构，且这些大型结构的金属构件通常需要长期处于恶劣的极端环境条件和频繁的应力集中作用下，久而久之其中的这些金属构件出现裂纹损伤的概率将大大增加。对于这些细小的裂纹，如果不能即时地发现并加以修复，长此以往细小的裂纹一旦扩展超出一定的阈值，将会对金属构件的结构安全运行造成严重的威胁，甚至造成重大财产损失和重大安全事故。因此，对于这些大型结构的金属构件结构进行健康检测技术的重要性就不言而喻了。
在金属构件的结构健康检测领域，现有采用无损检测技术对金属构件的结构进行检测。无损检测技术指的是在不损坏被检测物体的前提下，利用被测物产生损伤后其物理特性相对于其健康状态下的物理特性的变化，来分析推测其疲劳性裂纹、腐蚀等损伤情况，并对此进行可靠的评估。常见的高分辨率、高灵敏度的无损检测技术包含有超声检测、脉冲涡流检测和电磁热成像检测等，这些高分辨率、高灵敏度的无损检测技术广泛应用于复合材料特性评估以及金属构件的内部质量等方面。然而，在工程实践中这些传统的监测手段往往具有一定的局限性，如布线复杂、监测设备成本高、灵活性差等问题突出，因此不适合用于长期的结构表面裂纹监测。
随着科技的发展，射频识别技术也应用到对金属构件的结构健康检测中，而射频识别技术作为一种无接触式目标自动识别与数据传输技术，射频识别技术包括后台数据管理系统、阅读器和标签天线，射频识别技术的工作原理为阅读器天线发射出带有调制信息的射频信号和能量，标签天线接收该射频信号和能量，当收集的射频能量达到标签天线中RFID芯片的启动阈值功率，RFID芯片开始工作，对带有调制信息的射频信号进行解调，根据调制信息中的指令做出响应，同时将标签天线的标签信息通过反向散射调制技术，反射给阅读器，实现阅读器与标签天线的无接触目标识别和数据传输。RFID技术具有部署成本低，识别距离远，可同时识别多个不同标签等优点，已广泛应用于物流运输、交通管理、智慧家居、工业控制等多个行业。但是，目前采用射频识别技术只能从一个方向对金属构件的结构进行健康检测，只能检测被测物体某一特定方向的裂纹和某一特定方向的应变，导致检测的结果比较片面、不准确。
发明内容
本发明实施例提供了一种射频检测系统及其裂纹、应变检测方法和RFID标签，用于解决现有采用射频识别技术只能从一个方向对金属构件的结构进行健康检测，检测的结果比较片面的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种多方向检测的RFID标签，包括介质基板和贴合在所述介质基板顶端面的天线，所述介质基板的四个方向上均设置有标签激励电路，每路所述标签激励电路包括射频芯片、耦合环、旁支电感、叉指电容和匹配电容，所述介质基板包括第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，所述射频芯片和所述匹配电容设置在所述第一介质基板的上表面，所述第一介质基板的下表面和所述第二介质基板的上表面均设置有所述耦合环，所述射频芯片和所述匹配电容均通过所述第一介质基板的过孔与所述耦合环连接，所述叉指电容设置在所述第二介质基板的下表面，所述叉指电容通过所述第二介质基板的过孔与所述耦合环连接，所述叉指电容的两端均连接有所述旁支电感。
优选地，所述第一介质基板与所述第二介质基板之间和所述第二介质基板与所述第三介质基板之间均通过结合剂固定粘结。
本发明还提供一种射频检测系统，包括RFID标签、与所述RFID标签双向通信的阅读器以及控制所述RFID标签和所述阅读器运行的控制器，所述RFID标签为上述所述的多方向检测的RFID标签。
本发明还提供一种射频检测系统的裂纹检测方法，应用于上述所述的射频检测系统上，该裂纹检测方法包括以下步骤：
将RFID标签放置已知裂纹宽度某一类的第一待测金属样件上并获取所述第一待测金属样件的裂纹宽度，通过射频检测系统的阅读器轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的第一谐振频率数据；
根据每路所述标签激励电路反馈的所述第一谐振频率数据与第一基准频率，确定与每路所述标签激励电路对应的裂纹特征灵敏度和第一频率差值，以及根据所述第一频率差值确定第一待测金属样件发生裂纹的方向；
将RFID标签放置未知裂纹宽度某一类的第二待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的第二谐振频率数据；
根据每路所述标签激励电路反馈的所述第二谐振频率数据与第一基准频率，确定第二频率差值，根据所述裂纹特征灵敏度和所述第二频率差值，确定所述第二待测金属样件的裂纹宽度；
其中，所述第一基准频率为某一类金属样件处于健康状态下的谐振频率。
优选地，该射频检测系统的裂纹检测方法包括：根据每路所述标签激励电路反馈的所述第一谐振频率数据与第一基准频率，并采用裂纹特征关系式确定与每路所述标签激励电路对应的裂纹特征灵敏度和频率差值，所述裂纹特征关系式为：S＝Δf1/H，Δf1＝|f1-f0|，式中，S为裂纹特征灵敏度，Δf1为第一频率差值，f1为第一谐振频率数据，f0为第一基准频率，H为裂纹宽度。
优选地，该射频检测系统的裂纹检测方法包括：根据所述裂纹特征灵敏度和所述第二频率差值，确定所述第二待测金属样件的裂纹宽度，采用偏移量关系式确定所述第二待测金属样件的裂纹宽度，所述偏移量关系式为：L＝Δf2/S，Δf2＝|f2-f0|，式中，S为某一类金属样件的裂纹特征灵敏度，Δf2为第二频率差值，f2为第二谐振频率数据，f0为第一基准频率，L为第二待测金属样件的裂纹宽度。
优选地，通过射频检测系统轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的谐振频率数据过程中，该射频检测系统的裂纹检测方法包括：通过所述射频检测系统控制所述RFID标签的标签阻抗等于所述RFID标签的射频芯片阻抗。
本发明还提供一种射频检测系统的应变检测方法，应用于上述所述的射频检测系统上，该应变检测方法包括以下步骤：
将RFID标签放置在已知弯曲半径的某一类第三待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的第一应变谐振频率数据；
根据每路所述标签激励电路反馈的所述第一应变谐振频率数据与第二基准频率，确定与每路所述标签激励电路对应的应变量灵敏度和第一应变频率差值，以及根据所述第一应变频率差值确定第三待测金属样件发生应变的方向；
将RFID标签放置在未知弯曲半径的某一类第四待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的第二应变谐振频率数据；
根据每路所述标签激励电路反馈的所述第二应变谐振频率数据与第二基准频率，确定与每路所述标签激励电路对应的第二应变频率差值，根据所述应变量灵敏度和所述第二应变频率差值，确定所述第四待测金属样件的应变曲率；
其中，所述第二基准频率为某一类金属样件处于健康状态下的谐振频率。
优选地，该射频检测系统的应变检测方法包括：根据每路所述标签激励电路反馈的所述第一应变谐振频率数据与第二基准频率，并采用应变量关系式确定与每路所述标签激励电路对应的应变量灵敏度和应变频率差值，所述应变量关系式为：Y＝Δf1'/(1r)，Δf1'＝|f1'-f0'|，式中，Y为应变量灵敏度，Δf1'为第一应变频率差值，f1'为第一应变谐振频率数据，f0'为第二基准频率，r为弯曲半径。
优选地，该射频检测系统的应变检测方法包括：根据所述应变量灵敏度和所述第二应变频率差值，采用应变曲率关系式确定所述第四待测金属样件的应变曲率，所述应变曲率关系式为：K＝Δf2'/Y，Δf2'＝|f2'-f0'|，式中，Y为应变量灵敏度，Δf2'为第二应变频率差值，K为第四待测金属样件的应变曲率，f2'为第二应变谐振频率数据，f0'为第二基准频率。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：该射频检测系统及其裂纹、应变检测方法和RFID标签，该多方向检测的RFID标签包括介质基板和贴合在介质基板顶端面的天线，介质基板的四个方向上均设置有标签激励电路，每路标签激励电路包括射频芯片、耦合环、旁支电感、叉指电容和匹配电容，介质基板包括第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，射频芯片和匹配电容设置在第一介质基板的上表面，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面均设置有耦合环，射频芯片和匹配电容均通过第一介质基板的过孔与耦合环连接，叉指电容设置在第二介质基板的下表面，叉指电容通过第二介质基板的过孔与耦合环连接，叉指电容的两端均连接有旁支电感。该多方向检测的RFID标签通过在介质基板的四个方向上均设置有标签激励电路，使得该多方向检测的RFID标签能够实现四个方向检测待测金属样件的裂纹和应变变化情况，解决了现有采用射频识别技术只能从一个方向对金属构件的结构进行健康检测，检测的结果比较片面的技术问题。
该射频检测系统通过具有四个方向检测的RFID标签，能够对金属构件实现实时检测、无源、成本低等优势外，而且还能实现多方向裂纹特征与应变的检测。
该射频检测系统的裂纹检测方法通过射频检测系统实现对待测金属样件的裂纹检测，能够检测裂纹发生的方向，为预防裂纹继续恶化以及维修待测金属样件提供依据；也能够检测待测金属样件裂纹的宽度，为研究待测金属样件裂纹的变化提供数据，实现检测待测金属样件裂纹信息的多样化。
该射频检测系统能够通过RFID标签上四个方向上的射频芯片的信息轮流对待测金属样件进行检测获取数据，将获取的每个数据与各匹配电路健康状态下的基准频率对比，便可知道裂纹、应变存在于哪个射频芯片所在的匹配电路下，从而确定裂纹、应变的方向。以及根据检测得到的发生裂纹、应变方向上的数据分析得到对应的裂纹宽度、应变曲率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所述的多方向检测的RFID标签的俯视结构示意图；
图2为本发明实施例所述的多方向检测的RFID标签的分解结构示意图；
图3为本发明实施例所述的多方向检测的RFID标签中每路标签激励电路的叉指电容与旁支电感结构图；
图4为本发明实施例所述的多方向检测的RFID标签中每路标签激励电路的叉指电容与旁支电感等效模型图；
图5为本发明实施例所述的射频检测系统的框架图；
图6为本发明实施例所述的射频检测系统中阅读器的框架图；
图7为本发明实施例所述的射频检测系统的裂纹检测方法的步骤流程图；
图8为本发明实施例所述的射频检测系统的裂纹检测方法中谐振频率的对比图；
图9为本发明实施例所述的射频检测系统的应变检测方法的步骤流程图；
图10为本发明实施例所述的射频检测系统的应变检测方法中谐振频率的对比图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本申请实施例提供了一种射频检测系统及其裂纹、应变检测方法和RFID标签，用于解决了现有采用射频识别技术只能从一个方向对金属构件的结构进行健康检测，检测的结果比较片面的技术问题。
实施例一：
图1为本发明实施例所述的多方向检测的RFID标签的俯视结构示意图，图2为本发明实施例所述的多方向检测的RFID标签的分解结构示意图。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种多方向检测的RFID标签，包括介质基板1和贴合在介质基板顶端面的天线2，介质基板1的四个方向上均设置有标签激励电路，每路标签激励电路包括射频芯片5、耦合环3、旁支电感7、叉指电容4和匹配电容6，介质基板1包括第一介质基板11、第二介质基板12和第三介质基板13，射频芯片5和匹配电容6设置在第一介质基板11的上表面，第一介质基板11的下表面和第二介质基板12的上表面均设置有耦合环3，射频芯片5和匹配电容6均通过第一介质基板11的过孔与耦合环3连接，叉指电容4设置在第二介质基板12的下表面，叉指电容4通过第二介质基板12的过孔与耦合环3连接，叉指电容4的两端均连接有旁支电感7。
如图1和图2所示，在本发明实施例中，介质基板1是采用柔性材料制作层低剖面的基板，使得介质基板1的厚度薄，使得介质基板1能够更好地与待测金属样件进行贴合，也能更好地适应待测金属样件的应变。
如图1和图2所示，在本发明实施例中，天线2可以选为贴片天线。
需要说明的是，天线2可以用于与该多方向检测的RFID标签对应的阅读器进行通信连接。在本实施例中，若阅读器发出检测/能量信号，天线2(无源)在收到检测/能量信号后将其一部分整流为直流电源供多方向检测的RFID标签内的电路工作；另一部分能量信号被多方向检测的RFID标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器。
在本发明实施例中，耦合环3在该多方向检测的RFID标签的天线2接收到阅读器发出的信号时，信号将会耦合到耦合环3中，耦合环3内的信号将会流到射频芯片5和叉指电容4中，为射频芯片5提供能量和信号。
在本发明实施例中，叉指电容4是以其特有的平面电极结构和表面空间电场，是制作表面传感器的理想器件，叉指电容4的正负电极之间的电场在电极平面上下方表面空间分布，当电极平面上下方表面的介电常数发生变化时会导致叉指电容4的电容值变化。
需要说明的是，待测金属样件在健康状态下，射频芯片5与由叉指电容4、耦合环3所组成的匹配电路阻抗匹配，在某个频率下射频芯片5对应的功率反射系数Γ值最小，此时与该多方向检测的RFID标签对应的阅读器读取到的响应频率为该多方向检测的RFID标签的谐振频率，该多方向检测的RFID标签的传感性能在谐振频率下最强。当待测金属样件出现裂纹时，裂纹中的空气相对于健康状态下的金属样件的介电常数发生了变化，会引起叉指电容4的电容值变化，匹配电路阻抗随之发生了变化，相应地与该多方向检测的RFID标签对应的阅读器读取到的标签谐振频率也发生了改变。因此采用该多方向检测的RFID标签能够建立起了裂纹宽度、深度等特征与标签谐振频率的关系，通过多次测试得到裂纹宽度、深度、频率之间的关系式。通过关系式和阅读器中读取到的该多方向检测的RFID标签谐振频率便可推出相应的裂纹特征。通过设计调整标签激励电路各部分尺寸(如耦合环3、旁支电感7、叉指电容4和匹配电容6等尺寸大小)，使得该多方向检测的RFID标签与射频芯片阻抗匹配。
图3为本发明实施例所述的多方向检测的RFID标签中每路标签激励电路的叉指电容与旁支电感结构图，图4为本发明实施例所述的多方向检测的RFID标签中每路标签激励电路的叉指电容与旁支电感等效模型图。
如图3所示，在本发明实施例中，叉指电容4的两端均连接有旁支电感7。
需要说明的是，如图4所示，
分别为等效模型的串联支路电容、电感，等效模型的并联支路电容、等效模型的串联支路电感、等效模型的并联支路电感、电容。Zint、Yint、Zstub、Ystub分别为叉指电容的阻抗、导纳，旁支电感的阻抗、导纳。根据
以及通过公式二至公式五和π型、T型网络电路模型推导所得Zint、Yint、Zstub、Ystub，公式六和公式七分别为叉指电容的Y参数、旁支电感的Z参数。在本实施例中，该多方向检测的RFID标签的功率反射系数Γ采用公式一表达式表示，公式一表达式为：Γ＝(ZC-ZA)/(ZC+ZA)，式中，ZC为射频芯片的阻抗，ZA为该多方向检测的RFID标签的阻抗。公式二为：
公式三为：
公式四为：
公式五为：
公式六为：
公式七为：
式中，j为虚数单位，ω为多方向检测的RFID标签的角频率。
在本发明实施例中，射频芯片5包括电压调节器、调制器、解调器、逻辑控制单元和存储单元。
需要说明的是，电压调节器能够用于将与该多方向检测的RFID标签对应的阅读器传送的射频信号转换为直流电源，并通过大电容将转换的直流电源储存，存储的电压再经稳压电路给调制器、解调器、逻辑控制单元和存储单元提供稳定的电源。调制器可以用于逻辑控制该视频芯片5送出的数据经调制后输送至天线2传送到阅读器。解调器可以用于把信号中的载波去除以获得真正的调制信号。逻辑控制单元可以用来译码阅读器送来的信号，并依其要求传送数据给阅读器。存储单元包括EEPROM与ROM，可以用于存放识别数据。
在本发明实施例中，该多方向检测的RFID标签通过射频芯片、耦合环和叉指电容组成每路标签激励电路的匹配电路，使得该多方向检测的RFID标签通过调节叉指电容的叉指间距、叉指长度、旁支电容的尺寸来调节匹配电路的电容电感值，使匹配电路实现射频芯片的阻抗与该多方向检测的RFID标签的阻抗匹配。
在本发明实施例中，匹配电容6可以用于该多方向检测的RFID标签与射频芯片5之间的匹配，该多方向检测的RFID标签通过匹配电容6配合叉指电容4进行灵活设置，当射频芯片5的电容值小到一定值可去除，使得该多方向检测的RFID标签性能更好。
本发明提供的一种多方向检测的RFID标签，包括介质基板和贴合在介质基板顶端面的天线，介质基板的四个方向上均设置有标签激励电路，每路标签激励电路包括射频芯片、耦合环、旁支电感、叉指电容和匹配电容，介质基板包括第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，射频芯片和匹配电容设置在第一介质基板的上表面，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面均设置有耦合环，射频芯片和匹配电容均通过第一介质基板的过孔与耦合环连接，叉指电容设置在第二介质基板的下表面，叉指电容通过第二介质基板的过孔与耦合环连接，叉指电容的两端均连接有旁支电感。该多方向检测的RFID标签通过在介质基板的四个方向上均设置有标签激励电路，使得该多方向检测的RFID标签能够实现四个方向检测待测金属样件的裂纹和应变变化情况，解决了现有采用射频识别技术只能从一个方向对金属构件的结构进行健康检测，检测的结果比较片面的技术问题。
在本发明实施例中，采用该多方向检测的RFID标签对待测金属样件进行健康检测时，可以轮流控制每路标签激励电路工作，实现对待测金属样件多个方向检测，提高对待测金属样件健康检测的效率。
在本发明的一个实施例中，第一介质基板11与第二介质基板12之间和第二介质基板12与第三介质基板13之间均通过结合剂固定粘结。
实施例二
图5为本发明实施例所述的射频检测系统的框架图，图6为本发明实施例所述的射频检测系统中阅读器的框架图。
如图5所示，本发明还提供一种射频检测系统，包括RFID标签10、与RFID标签10双向通信的阅读器20以及控制RFID标签10和阅读器20运行的控制器30，RFID标签10为上述的多方向检测的RFID标签。
需要说明的是，该多方向检测的RFID标签的内容已在实施例一中阐述，此实施例中不再对该多方向检测的RFID标签10的内容进行阐述。RFID标签10也称智能标签，RFID标签10是指由射频芯片和无线通信天线组成的超微型标签，其内置的射频天线用于和阅读器20进行通信。在该射频检测系统工作时，阅读器20发出查询/能量信号，RFID标签10通过天线接收到查询/能量信号后将其一部分整流为直流电源供RFID标签10内的电路工作；另一部分能量信号被RFID标签10内保存的数据信息调制后反射回阅读器20。RFID标签10是射频检测系统真正的数据载体，能够根据其应用场合不同表现为不同的应用形态，例如，在动物跟踪和追踪领域中称为动物标签或动物追踪标签、电子狗牌；在不停车收费或车辆出人管理等车辆自动识别领域中称为车辆远距离IC卡、车辆远距离射频标签或电子牌照；在访问控制领域中称为门禁卡或卡通。而该射频检测系统采用的具有检测裂纹与应变的RFID标签10，当该RFID标签10检测到裂纹和应变的存在，其射频信号会发生相应的变化，并由阅读器20读取相应的变化，最后由控制器30经行数据分析处理。
如图5所示，在本发明的一个实施例中，阅读器20又称读头、读写器等，在射频检测系统中扮演着重要的角色。阅读器20主要负责与RFID标签10进行双向通信，同时接受来自控制器30的控制指令。阅读器20的频率决定了射频检测系统工作的频段，阅读器20的功率决定了射频识别的有效距离。阅读器20根据使用的结构和技术不同可以是读或读写装置,它是射频检测系统信息控制和处理中心。如图6所示，阅读器20通常由射频接口单元、逻辑控制单元和天线三部分组成。
需要说明的是，射频接口单元可以用于产生高频发射能量，该高频发射能量用于激活RFID标签10并为其提供能量。射频接口单元也可以对高频发射能量的发射信号进行调制，将调制后的发射信号传输给RFID标签10。射频接口单元也可以用于接收并调制来自RFID标签10的射频信号。射频接口单元中有两个分隔开的信号通道，两个信号通道分别用于来往于RFID标签10与阅读器20两个方向的数据传输。其中，两个信号通道分别为发射器的发射通道和接收器的接收通道。发射器的发射通道能够通过发射器分支通道发射可以送往RFID标签10数据的信号通道，接收器的接收通道能够通过接收器分支通道接收来自RFID标签10数据的信号通道。逻辑控制单元也称读写模块，其逻辑控制单元的作用是：一是与控制器30进行通信，并执行从控制器30发送的指令；二是控制阅读器20与RFID标签10之间的通信过程；三是能够对发射信号进行编码与对接收的信号进行解码；四是对阅读器20和RFID标签10之间传输的数据进行加密和解密；五是能够执行防碰撞算法；六是对阅读器20和RFID标签10的身份进行验证。天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或将电流信号较换成电磁波发射出去的装置。在该射频检测系统中，阅读器20必须通过天线发射能量形成电磁场，通过电磁场对RFID标签10进行识别。因此，阅读器20上的天线所形成的电磁场范围就是阅读器20的可读区城。
如图5所示，控制器30能够可以有效地控制阅读器20对RFID标签10信息进行读写，并且对阅读器20接收到的目标信息或检测信息进行集中的统计与处理。在本实施例中，控制器30可以设置在RFID应用系统软件上，该RFID应用系统软件可以集成到现有的电子商务和电子政务平台中，与ERP、CRM以及WMS等系统结合以提高各行业的生产效率。
需要说明的是，该射频检测系统的阅读器20与控制器30之间还设置有中间件，中间件可以管理计算资源和网络通信。通过中间件提供的一组通用的应用程序编程接口，该应用程序编程接口能连到阅读器20，读取阅读器20接收的数据。若控制器30中存储RFID标签10的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者阅读器20种类增加等情况发生时，控制器30不需修改也能处理，解决了多对多连接的维护复杂性问题。
在本发明的实施例中，该射频检测系统通过具有四个方向检测的RFID标签，能够对金属构件实现实时检测、无源、成本低等优势外，而且还能实现多方向裂纹特征与应变的检测。
实施例三：
图7为本发明实施例所述的射频检测系统的裂纹检测方法的步骤流程图。
如图7所示，在本发明还提供一种射频检测系统的裂纹检测方法，应用于上述的射频检测系统上，该裂纹检测方法包括以下步骤：
S1.将RFID标签放置在已知裂纹宽度某一类的第一待测金属样件上并获取第一待测金属样件的裂纹宽度，通过射频检测系统的阅读器轮流控制RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路标签激励电路工作反馈对应的第一谐振频率数据。
需要说明的是，射频检测系统的内容已经在实施例二中阐述，此实施例中不再对射频检测系统的内容进行阐述。在步骤S1中，将需要进行健康检测的一类中一个已知裂纹宽度的待测金属样件(记为第一待测金属样件)上放置实施例一的RFID标签，通过实施例二射频检测系统的控制器控制阅读器轮流激活RFID标签中各个方向上的标签激励电路，使得标签激励电路工作，能够获取激活后标签激励电路反馈的信号数据，即是第一谐振频率数据，该第一谐振频率数据被射频检测系统的阅读器接收后传送至控制器。在本实施例中，轮流激活RFID标签中各个方向上的标签激励电路，那么对应的获取第一待测金属样件四个第一谐振频率数据。其中，标签激励电路的工作指的是：激励的标签激励电路中射频芯片所在的电路(耦合环、匹配电容、叉指电容、旁支电感)处于通路，没有激励的标签激励电路所在的电路处于开路。即是由射频芯片、匹配电容、耦合环、叉指电容、旁支电感形成的标签激励电路通路，且通路的标签激励电路能够接收到阅读器发送到RFID标签中天线的能量，从而使这路的标签激励电路对第一待测金属样件进行裂纹检测。
S2.根据每路标签激励电路反馈的第一谐振频率数据与第一基准频率，确定与每路标签激励电路对应的裂纹特征灵敏度和第一频率差值，以及根据第一频率差值确定第一待测金属样件发生裂纹的方向。其中，第一基准频率为某一类金属样件处于健康状态下的谐振频率。
需要说明的是，在步骤S2中，根据对第一待测金属样件四个方向检测四个第一谐振频率数据分别与基准频率进行计算，得到每个方向的第一频率差值和裂纹特征灵敏度。在本实施例中，可以通过裂纹特征灵敏度确定待测金属样件发生裂纹的方向，即是当金属样件出现裂纹时，裂纹中的空气相对于健康状态下的金属样件的介电常数发生了变化，因此会引起标签激励电路中叉指电容的电容值变化，匹配电路阻抗随之发生了变化，相应地阅读器读取到的RFID标签谐振频率也发生了改变。若第一待测金属样件的某个方向存在裂纹，与该方向垂直的标签激励电路中叉指电容所在的匹配电路阻抗，与金属样件健康状态下对比将发生改变，使得该匹配电路的谐振频率相比于第一待测金属样件健康状态下发生改变。对RFID标签上四个射频芯片的信息轮流进行读取时，通过与各匹配电路健康状态下的谐振频率对比，便可知道裂纹存在于哪个射频芯片所在的匹配电路下，从而确定裂纹方向，例如某个方向的第一频率差值大于0，说明该方向是裂纹所在的方向。
图8为本发明实施例所述的射频检测系统的裂纹检测方法中谐振频率的对比图。
进一步地，该射频检测系统的裂纹检测方法包括：根据每路标签激励电路反馈的第一谐振频率数据与第一基准频率，并采用裂纹特征关系式确定与每路标签激励电路对应的裂纹特征灵敏度和频率差值，裂纹特征关系式为：S＝Δf1/H，Δf1＝|f1-f0|，式中，S为裂纹特征灵敏度，Δf1为第一频率差值，f1为第一谐振频率数据，f0为第一基准频率，H为裂纹宽度。
需要说明的是，如图8所示，若将第一待测金属样件在健康状态下的谐振频率作为第一基准频率，且f0＝0.958GHz，H＝2mm。通过RFID标签检测第一待测金属样件一个方向的谐振频率数据f1＝0.964GHz，那么第一频率差值Δf1＝6MHz，其裂纹特征灵敏度为3MHz/mm，即是说待测金属样件出现1mm深度裂纹标签的谐振频率会偏移3MHz。其中，1GHz＝1000MHz。
S3.将RFID标签放置未知裂纹宽度某一类的第二待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路标签激励电路工作反馈对应的第二谐振频率数据。
需要说明的是，第一待测金属样件和第二待测金属样件属于同一类金属，例如若第一待测金属样件为铁金属样件，那么第二待测金属样件也是与第一待测金属样件相同的铁金属样件。同一类金属样件的裂纹特征灵敏度是相同的。在步骤S3中，主要采用与步骤S1相同方式获取第二待测金属样件的第二谐振频率数据。
S4.根据每路标签激励电路反馈的第二谐振频率数据与第一基准频率，确定第二频率差值，根据裂纹特征灵敏度和第二频率差值，确定第二待测金属样件的裂纹宽度。
需要说明的是，在步骤S4中，能够根据裂纹特征灵敏度和第二频率差值确定第二待测金属样件的裂纹宽度。
进一步地，该射频检测系统的裂纹检测方法包括：根据裂纹特征灵敏度和第二频率差值，确定第二待测金属样件的裂纹宽度，采用偏移量关系式确定第二待测金属样件的裂纹宽度，偏移量关系式为：L＝Δf2/S，Δf2＝|f2-f0|，式中，S为某一类金属样件的裂纹特征灵敏度，Δf2为第二频率差值，f2为第二谐振频率数据，f0为第一基准频率，L为第二待测金属样件的裂纹宽度。
在本发明的一个实施例中，通过射频检测系统轮流控制RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路标签激励电路工作反馈对应的谐振频率数据过程中，该射频检测系统的裂纹检测方法包括：通过射频检测系统控制RFID标签的标签阻抗等于RFID标签的射频芯片阻抗。
需要说明的是，通过射频检测系统控制RFID标签的标签阻抗等于RFID标签的射频芯片阻抗，能够让RFID标签反射的谐振频率更为准确，使得获取的待测金属样件的频率更为准确，从而提高该射频检测系统检测裂纹的准确性。
在本发明的实施例中，该射频检测系统的裂纹检测方法通过射频检测系统实现对某一类已知裂纹宽度的第一待测金属样件的裂纹检测，能够检测裂纹发生的方向，为预防裂纹继续恶化以及维修第一待测金属样件提供依据；也能够检测同一类第二待测金属样件裂纹的宽度，为研究第二待测金属样件裂纹的变化提供数据，实现检测第二待测金属样件裂纹信息的多样化。
实施例四：
图9为本发明实施例所述的射频检测系统的应变检测方法的步骤流程图。
如图9所示，本发明实施例还提供一种射频检测系统的应变检测方法，应用于上述的射频检测系统上，该射频检测系统的应变检测方法包括以下步骤：
S10.将RFID标签放置在已知弯曲半径的某一类第三待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路标签激励电路工作反馈对应的第一应变谐振频率数据。
需要说明的是，射频检测系统的内容已经在实施例二中阐述，此实施例中不再对射频检测系统的内容进行阐述。在步骤S10中，将需要进行健康检测已知弯曲半径的某一类待测金属样件(记为第三待测金属样件)上放置实施例一的RFID标签，通过实施例二射频检测系统的控制器控制阅读器轮流激活RFID标签中各个方向上的标签激励电路，使得标签激励电路工作，能够获取激活后标签激励电路反馈的信号数据，即是第一应变谐振频率数据，该第一应变谐振频率数据被射频检测系统的阅读器接收后传送至控制器。在本实施例中，轮流激活RFID标签中各个方向上的标签激励电路，那么对应的获取待测金属样件四个谐振频率数据。其中，标签激励电路的工作指的是：激励的标签激励电路中射频芯片所在的电路(耦合环、匹配电容、叉指电容、旁支电感)处于通路，没有激励的标签激励电路所在的电路处于开路。即是由射频芯片、匹配电容、耦合环、叉指电容、旁支电感形成的标签激励电路通路，且通路的标签激励电路能够接收到阅读器发送到RFID标签中天线的能量，从而使这路的标签激励电路对第三待测金属样件进行应变检测。
S20.根据每路标签激励电路反馈的第一应变谐振频率数据与第二基准频率，确定与每路标签激励电路对应的应变量灵敏度和第一应变频率差值，以及根据第一应变频率差值确定第三待测金属样件发生应变的方向。其中，第二基准频率为第三金属样件这一类金属处于健康状态下的谐振频率。
需要说明的是，在步骤S20中，根据对待测金属样件四个方向检测四个应变谐振频率数据分别与基准频率进行计算，得到每个方向的应变频率差值和应变量灵敏度。在本实施例中，可以通过应变量灵敏度确定第三待测金属样件发生裂纹的方向，即是当金属样件发生了应变时，安装好的RFID标签也会随之发生应变，由此RFID标签的电流路径、阻抗等参数就会发生改变，导致RFID标签的谐振频率发生偏移。当RFID标签沿某一方向产生应变时，其正交方向的匹配电路所受的应力最大，产生的应变影响最大。通过步骤S10轮流获取RFID标签检测第三待测金属样件四个方向的第一应变谐振频率数据，得到的每个第一应变谐振频率数据与为发生应变前的基准频率对比，能够计算得到每个应变谐振频率数据，便可以知道应变发生的方向；例如某个方向的第一应变频率差值大于0，说明待第三测金属样件在该方向发生应变。
图10为本发明实施例所述的射频检测系统的应变检测方法中谐振频率的对比图。
进一步地，该射频检测系统的应变检测方法包括：根据每路标签激励电路反馈的第一应变谐振频率数据与第二基准频率，并采用应变量关系式确定与每路标签激励电路对应的应变量灵敏度和应变频率差值，应变量关系式为：Y＝Δf1'/(1/r)，Δf1'＝|f1'-f0'|，式中，Y为应变量灵敏度，Δf1'为第一应变频率差值，f1'为第一应变谐振频率数据，f0'为第二基准频率，r为弯曲半径。
需要说明的是，如图10所示，若将第三待测金属样件在健康状态下的谐振频率作为第二基准频率，且f0'＝0.958GHz，r＝900mm。通过RFID标签检测第三待测金属样件一个方向的第一应变谐振频率数据f＝0.952GHz，那么第一应变频率差值Δf1'＝6MHz，其应变量灵敏度为5400MHz/mm。其中，1GHz＝1000MHz。
S30.将RFID标签放置在未知弯曲半径的某一类第四待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路标签激励电路工作反馈对应的第二应变谐振频率数据。
需要说明的是，第三待测金属样件和第四待测金属样件属于同一类金属，例如若第三待测金属样件为铁金属样件，那么第四待测金属样件也是与第三待测金属样件相同的铁金属样件。同一类金属样件的应变量灵敏度是相同的。在步骤S30中，主要采用与步骤S10相同方式获取第四待测金属样件的第二应变谐振频率数据。
S40.根据每路标签激励电路反馈的第二应变谐振频率数据与第二基准频率，确定与每路标签激励电路对应的第二应变频率差值，根据应变量灵敏度和第二应变频率差值，确定第四待测金属样件的应变曲率。
需要说明的是，在步骤S40中，能够根据应变量灵敏度和第二应变频率差值确定第四待测金属样件的应变曲率。
进一步地，该射频检测系统的应变检测方法包括：根据应变量灵敏度和第二应变频率差值，采用应变曲率关系式确定第四待测金属样件的应变曲率，所述应变曲率关系式为：K＝Δf2'/Y，Δf2'＝|f2'-f0'|，式中，Y为应变量灵敏度，Δf2'为第二应变频率差值，K为第四待测金属样件的应变曲率，f2'为第二应变谐振频率数据，f0'为第二基准频率。
在本发明的实施例中，该射频检测系统的应变检测方法通过射频检测系统实现对已知应变弯曲半径的第三待测金属样件的应变检测，通过得到的应变量灵敏度能够检测应变发生的方向，为预防应变继续恶化以及维修待测金属样件提供依据；也能够检测未知弯曲半径与第三待测金属样件同一类的第四待测金属样件应变的曲率，为研究第四待测金属样件应变的变化提供数据，实现第四待测金属样件应变信息的多样化检测。
在本发明实施例中，该射频检测系统能够通过RFID标签上四个方向上的射频芯片的信息轮流对待测金属样件进行检测获取数据，将获取的每个数据与各匹配电路健康状态下的基准频率对比，便可知道裂纹、应变存在于哪个射频芯片所在的匹配电路下，从而确定裂纹、应变的方向。以及根据检测得到的发生裂纹、应变方向上的数据分析得到对应的裂纹宽度、应变曲率。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多方向检测的RFID标签，包括介质基板和贴合在所述介质基板顶端面的天线，其特征在于，所述介质基板的四个方向上均设置有标签激励电路，每路所述标签激励电路包括射频芯片、耦合环、旁支电感、叉指电容和匹配电容，所述介质基板包括第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，所述射频芯片和所述匹配电容设置在所述第一介质基板的上表面，所述第一介质基板的下表面和所述第二介质基板的上表面均设置有所述耦合环，所述射频芯片和所述匹配电容均通过所述第一介质基板的过孔与所述耦合环连接，所述叉指电容设置在所述第二介质基板的下表面，所述叉指电容通过所述第二介质基板的过孔与所述耦合环连接，所述叉指电容的两端均连接有所述旁支电感。
2.根据权利要求1所述的多方向检测的RFID标签，其特征在于，所述第一介质基板与所述第二介质基板之间和所述第二介质基板与所述第三介质基板之间均通过结合剂固定粘结。
3.一种射频检测系统，其特征在于，包括RFID标签、与所述RFID标签双向通信的阅读器以及控制所述RFID标签和所述阅读器运行的控制器，所述RFID标签为如权利要求1或2所述的多方向检测的RFID标签。
4.一种射频检测系统的裂纹检测方法，应用于如权利要求3所述的射频检测系统上，其特征在于，该裂纹检测方法包括以下步骤：
将RFID标签放置在已知裂纹宽度某一类的第一待测金属样件上并获取所述第一待测金属样件的裂纹宽度，通过射频检测系统的阅读器轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的第一谐振频率数据；
根据每路所述标签激励电路反馈的所述第一谐振频率数据与第一基准频率，确定与每路所述标签激励电路对应的裂纹特征灵敏度和第一频率差值，以及根据所述第一频率差值确定第一待测金属样件发生裂纹的方向；
将RFID标签放置未知裂纹宽度某一类的第二待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的第二谐振频率数据；
根据每路所述标签激励电路反馈的所述第二谐振频率数据与第一基准频率，确定第二频率差值，根据所述裂纹特征灵敏度和所述第二频率差值，确定所述第二待测金属样件的裂纹宽度；
其中，所述第一基准频率为某一类金属样件处于健康状态下的谐振频率。
5.根据权利要求4所述的射频检测系统的裂纹检测方法，其特征在于，包括：根据每路所述标签激励电路反馈的所述第一谐振频率数据与第一基准频率，并采用裂纹特征关系式确定与每路所述标签激励电路对应的裂纹特征灵敏度和频率差值，所述裂纹特征关系式为：S＝Δf1/H，Δf1＝|f1-f0|，式中，S为裂纹特征灵敏度，Δf1为第一频率差值，f1为第一谐振频率数据，f0为第一基准频率，H为裂纹宽度。
6.根据权利要求4所述的射频检测系统的裂纹检测方法，其特征在于，包括：根据所述裂纹特征灵敏度和所述第二频率差值，确定所述第二待测金属样件的裂纹宽度，采用偏移量关系式确定所述第二待测金属样件的裂纹宽度，所述偏移量关系式为：L＝Δf2/S，Δf2＝|f2-f0|，式中，S为某一类金属样件的裂纹特征灵敏度，Δf2为第二频率差值，f2为第二谐振频率数据，f0为第一基准频率，L为第二待测金属样件的裂纹宽度。
7.根据权利要求4所述的射频检测系统的裂纹检测方法，其特征在于，通过射频检测系统轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的谐振频率数据过程中，该射频检测系统的裂纹检测方法包括：通过所述射频检测系统控制所述RFID标签的标签阻抗等于所述RFID标签的射频芯片阻抗。
8.一种射频检测系统的应变检测方法，应用于如权利要求3所述的射频检测系统上，其特征在于，该应变检测方法包括以下步骤：
将RFID标签放置在已知弯曲半径的某一类第三待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的第一应变谐振频率数据；
根据每路所述标签激励电路反馈的所述第一应变谐振频率数据与第二基准频率，确定与每路所述标签激励电路对应的应变量灵敏度和第一应变频率差值，以及根据所述第一应变频率差值确定第三待测金属样件发生应变的方向；
将RFID标签放置在未知弯曲半径的某一类第四待测金属样件上，通过射频检测系统的阅读器轮流控制所述RFID标签中标签激励电路工作，获取与每路所述标签激励电路工作反馈对应的第二应变谐振频率数据；
根据每路所述标签激励电路反馈的所述第二应变谐振频率数据与第二基准频率，确定与每路所述标签激励电路对应的第二应变频率差值，根据所述应变量灵敏度和所述第二应变频率差值，确定所述第四待测金属样件的应变曲率；
其中，所述第二基准频率为某一类金属样件处于健康状态下的谐振频率。
9.根据权利要求8所述的射频检测系统的应变检测方法，其特征在于，包括：根据每路所述标签激励电路反馈的所述第一应变谐振频率数据与第二基准频率，并采用应变量关系式确定与每路所述标签激励电路对应的应变量灵敏度和应变频率差值，所述应变量关系式为：Y＝Δf1'/(1/r)，Δf1'＝|f1'-f′0|，式中，Y为应变量灵敏度，Δf1'为第一应变频率差值，f1'为第一应变谐振频率数据，f′0为第二基准频率，r为弯曲半径。
10.根据权利要求8所述的射频检测系统的应变检测方法，其特征在于，包括：根据所述应变量灵敏度和所述第二应变频率差值，采用应变曲率关系式确定所述第四待测金属样件的应变曲率，所述应变曲率关系式为：K＝Δf2'/Y，Δf2'＝|f2'-f0'|，式中，Y为应变量灵敏度，Δf2'为第二应变频率差值，K为第四待测金属样件的应变曲率，f2'为第二应变谐振频率数据，f′0为第二基准频率。
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| CN202211042976.6A Pending CN115372384A (zh) | 2022-08-29 | 2022-08-29 | 射频检测系统及其裂纹、应变检测方法和rfid标签 |
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117907349A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-19 | 成都信息工程大学 | 一种便携式材料微小缺陷射频检测系统及检测方法 |
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- 2022-08-29 CN CN202211042976.6A patent/CN115372384A/zh active Pending
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