CN115423055A

CN115423055A - 一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统

Info

Publication number: CN115423055A
Application number: CN202211007598.8A
Authority: CN
Inventors: 戈伟杰; 巫江; 罗凌志; 任翱博; 沈凯; 周翔宇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2022-12-02

Abstract

本发明公开了一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，属于隧道管片溯源及应变监测技术领域，目的在于提供一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，解决现有技术抗干扰能力差、识别效果差、监测时间短的问题。其利用射频供能芯片的供能与信息传输功能，进行信息传输与整体供能，并利用单片机控制芯片，控制整体电路运行，盾构管片的全身没有任何连接出口，单纯依靠无线射频供能并传输信息，从而实现盾构管片无线、无源、嵌入式、低功耗的溯源及应变监测，具有超长时间管片溯源，应变感知的功能，且绿色无污染，低功耗。本发明适用于一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统。

Description

一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统

技术领域

本发明属于隧道管片溯源及应变监测技术领域，具体涉及一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统。

背景技术

隧道管片的进出厂溯源，应变参数监测对于隧道的结构安全性具有重要的参考意义。在盾构机安装管片的过程中，可能造成管片的损坏，导致安装后的一些隐患，从而引发隧道安全事故。在安装后，对隧道进行验收检测，需要花费大量的人力、物力来布置应变传感器，对隧道进行应力参数定点监测，并得出验收报告。验收后隧道的后期管理，也需要众多应变参数的实时动态采集更新，对应变异常位置进行实时监测预警。此外，隧道管片的进出厂数据统计，后期事故溯源，对于隧道的安全监测也具有重要的参考意义。现有技术，对于隧道管片的溯源，以及嵌入式应变监测仍不够成熟。

现有的有线有源应变监测系统大多需要插入到管片内部，引出一根电源线以及信号传输线，影响了隧道管片的自身结构独立性、完整性，也无法在安装后及时检测结构应变变化。现有低功耗无线应变传感大多为利用纽扣电池供能，使用寿命2-3年左右，且电池会对环境造成污染，难以长时间无污染实时溯源感知应变参数。无线有源应变模块的控制程序，大多都基于不同的射频芯片与单片机芯片来实现，通用性较差，需要根据具体的硬件结构开发相应的应变程序。

现有较为成熟的技术有传统的有线应变传感以及光纤应变传感。前者需要把应变传感探头插入到管片中或者表面上，后端连接一根电源及信号传输线用于供能和传输信息。后者通过光纤中光信号的变化来表征应力参数变化，但需要在管片内部植入大量光纤并引出管片，影响管片的独立性和完整性。

现有无线无源应变传感器模块的技术缺陷在于：

(1)嵌入到钢筋、混凝土中，钢筋网络对电磁信号具有较强的反射干扰，而混凝土对于电磁信号具有较强的衰减干扰。需要具有抗干扰、高增益、大带宽的天线设计，来克服嵌入式的应变监测，实现数据传输功能。

(2)对于供能方式问题，现有技术大多采用内置电池供能，导致监测寿命有限，且会造成较大环境污染。采用电磁供能方式，需要面临一个电磁能的有效收集以及储存问题。电磁接收能量较低，要实现相关功能，就需要设计出低功耗的整体电路方案以及相关的低功耗控制程序，尽可能节约能耗，带动更多的传感探头。

(3)对于隧道管片的安全溯源，进出场资产管理问题，现有溯源手段一般采用二维码，条形码等，虽然成本低，但是需要很大的人力、物力进行数据扫描，费时费力。近年发展起来的射频识别(RFID)技术，可以远距离、快速扫描识别，但是面临管片金属、混凝土的电磁干扰与衰减，导致识别效果并不理想，且成本较高。

缺陷的原因主要在于盾构管片复杂的电磁环境，会影响电磁波的传输，造成干扰。还在于低功耗电路的设计以及基于硬件的应变监测控制程序。还在于读取距离，成本等问题。

因此，针对盾构管片溯源，应变监测的以上问题，需要研发出能无线、无源、嵌入式、低功耗的应变射频溯源传感集成模块。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，解决现有技术抗干扰能力差、识别效果差、监测时间短的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，包括若干个盾构管片，所述盾构管片包括管片本体和嵌入在管片本体内的若干个溯源应变监测集成模块；

所述溯源应变监测集成模块包括射频供能芯片、控制芯片，应变传感器前端电路、温度传感器前端电路，所述射频供能芯片分别与应变传感器前端电路、温度传感器前端电路、控制芯片无线信号连接，所述控制芯片与应变传感器前端电路、温度传感器前端电路信号连接，所述应变传感器前端电路信号连接有应变传感器，所述温度传感器前端电路信号连接有温度传感器，所述应变传感器和温度传感器相邻设置于管片本体内，还设置有射频扫描天线阵列，所述射频扫描天线阵列无线信号连接有射频天线，射频天线与射频供能芯片信号连接。

进一步地，射频供能芯片包括射频溯源标签，所述射频溯源标签的工作频段为860MHz-960MHz，所述射频溯源标签的带宽不小于450MHz，所述射频溯源标签的增益不小于2.6dB，所述射频溯源标签的溯源信息存储容量不小于1.2Kb。

进一步地，所述应变器传感器和温度传感器设置有多个，每个应变器传感器均相邻设置有一个温度传感器。

进一步地，所述射频扫描天线阵列为固定式扫描天线阵列或移动式扫描天线阵列。

进一步地，所述移动式扫描天线阵列为手持移动式扫描天线阵列或车载移动式扫描天线阵列。

进一步地，所述固定式扫描天线阵列为天线扫描门阵列或固定式仰角扫描阵列。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，射频溯源标签的的工作频段为860MHz-960MHz，带宽不小于450MHz，所增益不小于2.6dB，溯源信息存储容量不小于1.2Kb，具有超高频、高增益、大带宽的特点，实现了860MHz-960MHz的RFID频段的全覆盖，在发射天线功率30dBM条件下，无干扰读取距离可达25m以上。

2、本发明中，利用射频供能芯片的供能与信息传输功能，进行信息传输与整体供能，并利用单片机控制芯片，控制整体电路运行，盾构管片的全身没有任何连接出口，单纯依靠无线射频供能并传输信息，从而实现盾构管片无线、无源、嵌入式、低功耗的溯源及应变监测，具有超长时间管片溯源，应变感知的功能，且绿色无污染，低功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1为本发明的溯源应变监测集成模块结构框图；

图2为本发明的控制程序和数据处理流程图；

图3为本发明的系统安装示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：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，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

进一步地，所述固定式扫描天线阵列为天线扫描门阵列。

本发明在实施过程中，射频供能芯片的射频溯源标签为超高频、高增益、大带宽的抗干扰射频标签，工作频段在860MHz-960MHz，带宽450MHz以上，增益在2.6dB以上，最远读取距离在25m以上，具有抗混凝土等衰减介质干扰的性能，嵌入混凝土中读取距离大于1.5m，必要时，可以通过在背面添加抗金属超表面，使其具有一定抗金属的性能并提高读取距离。射频溯源标签具有足够大的存储容量，溯源信息存储容量在1.2Kb以上；盾构管片溯源流程包括：射频溯源标签录入盾构管片信息，盾构管片制作中嵌入溯源标签，盾构管片在进出厂时的固定天线扫描阵列录入进出厂信息，盾构管片安装完成后的移动天线扫描阵列追踪溯源。其中，固定天线扫描阵列为天线扫描门阵列，用于批量读取管片内部溯源标签。移动扫描天线设备为手持或车载扫描天线阵列，用于读取安装完成后的内部射频标签溯源信息；

射频扫描天线阵列可连接配套盾构管片溯源管理系统，盾构管片溯源管理系统包括生产制造信息显示、批次信息显示、盾构管片读取率显示、设计信息显示。

采用射频供能芯片，既能连接射频天线，进行信息储存、传输处理，又能接收电磁波能量并储存；采用低功耗的应变传感监测电路设计，包括射频供能芯片外围电路，单片机控制芯片外围电路，应变、温度传感器前端电路；采用低功耗的应变、温度传感器，最低成本采集应变温度数据并达到精度要求；采用基于硬件的应变数据采集控制程序。

单个盾构管片，具有多个嵌入式的溯源应变监测集成模块，溯源应变监测集成模块结构框图如图1所示，单个溯源应变监测集成模块具有应变、温度传感监测，兼具溯源标签功能；一个溯源应变监测集成模块可对应多个应变、温度传感器，应变传感器安装处同时布置一个温度传感器，用于获取盾构隧道的破损信息情况和管片应变信息。盾构管片外部，采用射频扫描天线阵列，批量扫描读取盾构管片内部的溯源应变监测集成模块，并无线供能。构管片的全身没有任何连接出口，单纯依靠无线射频供能并传输信息。射频扫描天线阵列可以为固定式射频扫描天线阵列也可以是移动式射频扫描天线阵列，移动式射频扫描天线阵列可分为手持或车载。

本发明解决了隧道管片在无线、嵌入式、实时、超长时间应变监测的难题，兼具隧道管片溯源功能。系统安装示意图如图3所示，隧道管片外部为射频扫描天线阵列，内部为无线、无源、低功耗的溯源应变监测集成模块。

工作流程：

应变、温度传感器感知应变、温度参数，经过单片机控制芯片(MCU)控制输送到射频供能芯片，通过射频天线无线传输到读取天线设备，再输送到电脑端进行数据处理。单片机的控制程序和数据处理算法程序，如图2所示。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，其特征在于，包括若干个盾构管片，所述盾构管片包括管片本体和嵌入在管片本体内的若干个溯源应变监测集成模块；

2.按照权利要求1所述的一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，其特征在于，射频供能芯片包括射频溯源标签，所述射频溯源标签的工作频段为860MHz-960MHz，所述射频溯源标签的带宽不小于450MHz，所述射频溯源标签的增益不小于2.6dB，所述射频溯源标签的溯源信息存储容量不小于1.2Kb。

3.按照权利要求1所述的一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，其特征在于，所述应变器传感器和温度传感器设置有多个，每个应变器传感器均相邻设置有一个温度传感器。

4.按照权利要求1所述的一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，其特征在于，所述射频扫描天线阵列为固定式扫描天线阵列或移动式扫描天线阵列。

5.按照权利要求4所述的一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，其特征在于，所述移动式扫描天线阵列为手持移动式扫描天线阵列或车载移动式扫描天线阵列。

6.按照权利要求4所述的一种基于隧道管片的无源射频溯源及应变监测集成系统，其特征在于，所述固定式扫描天线阵列为天线扫描门阵列或者固定式仰角扫描阵列。