CN115683001A - 基于贴片天线的单向应变智能骨料、监测传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于贴片天线的单向应变智能骨料、监测传感系统及方法，该智能骨料整体采用水泥基保护层封装，还包括依次设置的基板、辐射贴片、移动辐射贴片、移动基板和传动杆，以及固定在基板上用于感知谐振频率的射频识别芯片；射频识别芯片与辐射贴片连接；辐射贴片电镀贴合在基板的表面，移动辐射贴片电镀贴合在所述移动基板的表面；移动辐射贴片的另一面与所述辐射贴片紧密贴合，形成上下部分重叠且可相互错动短接的组合辐射贴片；传动杆一端固定于所述移动基板，另一端伸出固定于水泥基保护层上，用于在智能骨料沿传动杆向受力产生变形时传递单向应变以形成组合辐射贴片内相互错动。与现有技术相比，本发明具有可实现无源无线监测的优点。

Description

基于贴片天线的单向应变智能骨料、监测传感系统及方法

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，尤其是涉及一种基于贴片天线的单向应变智能骨料、监测传感系统及方法。

背景技术

混凝土作为一种重要的建筑材料，已经广泛应用于土木工程领域。混凝土本身是一种耐久性良好的建筑材料，但是在长期使用过程中，由于受到外界环境及荷载等因素的作用，混凝土材料会发生劣化，为结构的安全可靠运行埋下隐患。因此，在混凝土结构的整个生命周期内，有必要对混凝土结构的变形状态和影响耐久性的环境因素进行感知，从而及时发现结构安全隐患，采取必要措施保证结构的安全可靠使用。

近些年来，具有局部性、分布性优势的混凝土智能骨料逐渐应用于混凝土内部损伤监测。智能骨料是指将用于混凝土监测的传感单元进行封装，使其成为一种可以植入于混凝土中的智能元件，既具有普通骨料的功能，又可以实现对混凝土内部信息感知。

但是当前基于压电材料的智能骨料仍然需要持续的电源供应以及线缆进行信号传输，与混凝土结构的长期服役寿命不匹配，使其在实际工程中的应用仍受到一定限制。

因此，有必要研究一种适用于无源无线监测的混凝土智能骨料，以克服其对线缆和电源的依赖。

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了一种可用于无源无线监测、温度修正补偿的基于贴片天线的单向应变智能骨料、监测传感系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，整体结构采用水泥基保护层进行封装，所述智能骨料还包括依次设置的基板、辐射贴片、移动辐射贴片、移动基板和传动杆，以及固定在所述基板上用于感知谐振频率的射频识别芯片；所述射频识别芯片与所述辐射贴片连接；

所述辐射贴片电镀贴合在所述基板的表面，所述移动辐射贴片电镀贴合在所述移动基板的同一面；所述移动辐射贴片的另一面与所述辐射贴片紧密贴合，形成上下部分重叠且可相互错动短接的组合辐射贴片；

所述传动杆一端固定于所述基板，另一端伸出固定于水泥基保护层上，用于在智能骨料沿传动杆向受力产生变形时传递单向应变以形成组合辐射贴片内相互错动。

优选地，所述射频识别芯片与辐射贴片通过设有的微带馈电线连接。

优选地，所述微带馈电线为偏离所述辐射贴片中心线设定距离处设置，以激发所述辐射贴片在平面两个方向的谐振模式。

优选地，所述基板、辐射贴片、移动辐射贴片、移动基板所处的空间由内向外依次还设有用于支撑保护的保护层以及用于避免混凝土内部水分和侵蚀性介质进入的防水涂层。

优选地，所述传动杆伸出保护层且处于水泥基保护层内部的空间填充有用于承担部分传动杆垂直向受力并使传动杆沿平行向移动的填充颗粒。

优选地，所述辐射贴片、移动辐射贴片和微带馈电线的材质均为铜。

优选地，所述基板和移动基板均为RT5880介质板。

根据本发明的第二方面，提供了一种基于贴片天线的单向应变智能骨料、监测传感系统及方法单向应变智能骨料监测传感系统，该系统包括埋置于混凝土结构内部的智能骨料、引出同轴线缆、宽带天线、以及用于读取单向应变智能骨料中射频识别芯片的信息并进行数据处理的阅读器；所述智能骨料为任一项所述的基于贴片天线的单向应变智能骨料；

所述引出同轴线缆一端与射频识别芯片连接，另一端与混凝土外置的宽带天线连接。

优选地，所述阅读器包括以下子模块：

无线收发模块，用于接收单向应变智能骨料发出的谐振频率偏移信号；

调制解调模块，用于对无线收发模块接收的信号进行解调处理；

数字处理模块，用于根据对应关系解耦计算出混凝土结构内部智能骨料埋置位置的单向应变与温度变化数据；

控制模块，用于向埋置于混凝土结构内部的智能骨料发射不同频率的调制电磁波信号，以激活智能骨料中的射频识别芯片。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于所述的单向应变智能骨料监测传感系统的方法，该方法包括以下步骤：

1)控制模块向埋置于混凝土结构内部的智能骨料发射不同频率的调制电磁波信号；当智能骨料接收到的信号功率达到设定阈值时，射频识别芯片11被激活；

2)所述射频识别芯片被激活后，辐射贴片的天线产生电流并发射出带有标签编号和测点位置信息的电磁波信号，该信号被无线收发模块接收后，经调制解调模块处理后得到对应智能骨料的标签编号和位置信息；

3)数字处理模块通过寻找激活所述射频识别芯片时信号的阈值发射功率达到最小值的发射频率，确定出智能骨料内部辐射贴片的横向和纵向谐振频率；

4)对确定的横向和纵向谐振频率解耦后，得到智能骨料埋置位置的混凝土结构单向应变，并且同步测得监测点温度，对应变监测值进行温度补偿修正，得到温度自补偿后的单向应变数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)无源无线：将具有无源无线的射频识别传感技术与智能骨料的埋置形式相结合，通过电磁波进行信息传输，不需要通过预装电池或者电线进行能量输入，避免传统混凝土埋置式传感器需要能源供应及有线信号传输等问题，大大减少了智能骨料安装的劳动力以及传感系统的成本，且布置更加灵活，在自然灾害下更不容易失效；

2)单向应变及温度参数同步监测：基于混凝土内部单向应变和温度变化与智能骨料内部贴片天线两个方向谐振频率之间的对应关系，通过智能骨料内部贴片天线横向和纵向谐振频率的偏移量同时表征结构单向应变和环境温度变化，实现单一传感器对多种监测变量的同步监测，实用性高；

3)温度偏移修正：利用了双频贴片天线的谐振特性，采用了微带线偏心馈电以激发贴片天线两个方向的谐振频率，其中辐射贴片的横向对应一个谐振模式，纵向对应另一个谐振模式，整体辐射贴片尺寸变化和环境温度改变均会影响天线的谐振频率，当智能骨料埋置位置处混凝土结构发生单向应变或温度变化时，智能骨料内部贴片天线双向谐振频率发生改变，通过阅读器可以无源无线获取该谐振频率的改变，进而实现对混凝土结构内部单向应变的监测和温度偏移的补偿修正，提高了监测的准确性；

4)稳定性好：通过水泥基材料、防水涂层、碳纤维保护层等对传感单元进行保护，使传感单元免受混凝土内侵蚀性环境的影响，并通过传动杆等传递混凝土内部应变；

5)信号有效性高：通过引出同轴线缆及混凝土外置宽带天线装置可以有效克服钢筋笼的电磁屏蔽作用，使该无源无线智能骨料的信号更好地被阅读器读取。

附图说明

图1为本发明的单向应变智能骨料结构示意图；

图2为辐射贴片馈电方式示意图；

图3为本发明的单向应变智能骨料监测传感系统结构示意图；

附图标记：1-基板，2-辐射贴片，3-移动辐射贴片，4-移动基板，5-保护层，6-防水涂层，7-水泥基保护层，8-传动杆，9-填充颗粒，10-微带馈电线，11-射频识别芯片，12-引出同轴线缆、13-宽带天线、14-阅读器，1401-无线收发模块，1402-调制解调模块，1403-数字处理模块，1404-控制模块。

具体实施方式

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的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例给出了一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，整体结构采用水泥基保护层7进行封装，所述智能骨料还包括依次设置的基板1、辐射贴片2、移动辐射贴片3、移动基板4和传动杆8，以及固定在所述基板1上用于感知谐振频率的射频识别芯片11；所述射频识别芯片11与所述辐射贴片2连接；

所述基板1的下表面镀铜，并且完全覆盖基板1，辐射贴片2电镀贴合在所述基板1的上表面，所述移动辐射贴片3电镀贴合在所述移动基板4的上表面；所述移动辐射贴片3的另一面与所述辐射贴片2紧密贴合，形成上下部分重叠且可相互错动短接的组合辐射贴片；辐射贴片2的横向对应一个谐振模式，纵向对应另一个谐振模式，两个谐振模式的谐振频率与组合辐射贴片尺寸和基板介电常数相关。当智能骨料产生变形时，移动辐射贴片3与辐射贴片2之间产生相对位移，进而导致组合辐射贴片纵向长度变化，使其纵向谐振频率发生改变。

所述传动杆8一端固定于所述移动基板4，另一端伸出固定于水泥基保护层7上，用于在智能骨料沿传动杆8向受力产生变形时传递单向应变以形成组合辐射贴片内相互错动。

如图2所示，所述射频识别芯片11与辐射贴片2通过设有的微带馈电线10连接。

所述微带馈电线10为偏离所述辐射贴片2中心线设定距离处设置，以激发所述辐射贴片2在平面两个方向的谐振模式。

所述基板1、辐射贴片2、移动辐射贴片3、移动基板4所处的空间由内向外依次还设有用于支撑保护的保护层5以及用于避免混凝土内部水分和侵蚀性介质进入的防水涂层6。本实施例中的保护层5为高强度碳纤维材料，以起到支撑受力和保护内部天线的作用。防水涂层6采用环氧树脂以避免混凝土内部水分和侵蚀性介质的影响。

所述传动杆8伸出保护层5且处于水泥基保护层7内部的空间填充有用于承担部分传动杆8垂直向受力并使传动杆8沿平行向移动的填充颗粒9。

所述辐射贴片2、移动辐射贴片3和微带馈电线10的材质均为铜。

所述基板1和移动基板4均为RT5880介质板。

本实施例中的水泥基保护层7采用UHPC超高性能混凝土材料，以起到辅助支撑受力和保护的作用，且适合与混凝土浇筑为一个整体。

需要强调的是，本发明中所述的单向应变(即垂直辐射贴片2所在平面)。并非传统意义上的水平向。在实际监测应用场景下，按照需要监测感知受力的方向埋置本发明的单向应变智能骨料装置。

接下来，本实施例给出了一种基于贴片天线的单向应变智能骨料监测传感系统，该系统包括埋置于混凝土结构内部的单向应变智能骨料、引出同轴线缆12、宽带天线13、以及用于读取单向应变智能骨料中射频识别芯片11的信息并进行数据处理的阅读器14；所述单向应变智能骨料为以上任一项所述的单向应变智能骨料；

所述引出同轴线缆12一端与射频识别芯片11连接，另一端与混凝土外置的宽带天线13连接。

所述阅读器14包括以下子模块：

无线收发模块1401，用于接收单向应变智能骨料发出的谐振频率偏移信号；

调制解调模块1402，用于对无线收发模块1401接收的信号进行解调处理；

数字处理模块1403，用于根据对应关系解耦计算出混凝土结构内部单向应变智能骨料埋置位置的单向应变与温度变化数据；

控制模块1404，用于向埋置于混凝土结构内部的单向应变智能骨料发射不同频率的调制电磁波信号，以激活单向应变智能骨料中的射频识别芯片11。

接下来，给出本发明的方法实施例，一种用于所述的基于贴片天线的单向应变智能骨料监测传感系统的方法，该方法包括以下步骤：

1)控制模块1404向埋置于混凝土结构内部的单向应变智能骨料发射不同频率的调制电磁波信号；当单向应变智能骨料接收到的信号功率达到设定阈值时，射频识别芯片11被激活；

2)所述射频识别芯片11被激活后，辐射贴片2的天线产生电流并发射出带有标签编号和测点位置信息的电磁波信号，该信号被无线收发模块1401接收后，经调制解调模块1402处理后得到对应单向应变智能骨料的标签编号和位置信息；

3)数字处理模块1403通过寻找激活所述射频识别芯片11时信号的阈值发射功率达到最小值的发射频率，确定出单向应变智能骨料内部辐射贴片2的横向和纵向谐振频率；

4)对确定的横向和纵向谐振频率解耦后，得到单向应变智能骨料埋置位置的混凝土结构单向应变，并且同步测得监测点温度，对应变监测值进行温度补偿修正，得到温度自补偿后的单向应变数据。

其中，温度自补偿原理如下：

辐射贴片2和移动辐射贴片3形成一个组合辐射贴片，组合辐射贴片的横向对应一个谐振模式，纵向对应另一个谐振模式，两个谐振模式的谐振频率与组合辐射贴片尺寸和基板介电常数相关。其中，当单向应变智能骨料产生变形时，移动辐射贴片3与辐射贴片2之间产生相对位移，会导致组合辐射贴片纵向长度变化，从而使纵向谐振频率发生改变。而当混凝土内部温度发生改变时，基板1与移动基板4的介电常数会发生改变，辐射贴片2和移动辐射贴片3也会发生长度和宽度的变化，从而使组合辐射贴片横向和纵向谐振频率均发生改变。相应纵向与横向谐振频率公式表达如下：

其中，c为真空中电磁波的传播速度，L和W分别为组合辐射贴片的纵向与横向尺，ΔT表示混凝土内部温度变化量，ΔL_应变表示由于混凝土内部应变导致的辐射贴片3与辐射贴片2之间产生相对位移，ΔL_温度和ΔW_温度分别表示由于温度变化导致的组合辐射贴片纵向和横向尺寸变化量，Δε_e表示由于温度变化导致的天线基板介电常数变化量。

与

分别为纵向谐振频率随温度变化的系数与横向谐振频率随温度变化的系数，

为纵向谐振频率随混凝土应变变化的系数，以上各系数均可以由理论计算得出。由公式可知，可以先由组合辐射贴片横向谐振频率的变化值计算获得混凝土温度变化ΔT，并将温度变化对纵向谐振频率的影响

计算出，进而根据纵向谐振频率的变化值得出混凝土内部的应变值ΔL_应变，该应变值即为经过温度补偿修正后的应变值。

综上，通过对该基于贴片天线的无源无线智能骨料纵向和横向谐振频率的测量，可以实现混凝土内部单向应变及混凝土内部温度参数的同步监测，从而使该智能骨料传感器具有温度自补偿功能，无需另外附加温度传感器对纵向谐振频率的温度偏移进行修正。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，其特征在于，整体结构采用水泥基保护层(7)进行封装，所述智能骨料还包括依次设置的基板(1)、辐射贴片(2)、移动辐射贴片(3)、移动基板(4)和传动杆(8)，以及固定在所述基板(1)上用于感知谐振频率的射频识别芯片(11)；所述射频识别芯片(11)与所述辐射贴片(2)连接；

所述辐射贴片(2)电镀贴合在所述基板(1)的表面，所述移动辐射贴片(3)电镀贴合在所述移动基板(4)的同一面；所述移动辐射贴片(3)的另一面与所述辐射贴片(2)紧密贴合，形成上下部分重叠且可相互错动短接的组合辐射贴片；

所述传动杆(8)一端固定于所述移动基板(4)，另一端伸出固定于水泥基保护层(7)上，用于在智能骨料沿传动杆(8)向受力产生变形时传递单向应变以形成组合辐射贴片内相互错动。

2.根据权利要求1所述的一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，其特征在于，所述射频识别芯片(11)与辐射贴片(2)通过设有的微带馈电线(10)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，其特征在于，所述微带馈电线(10)为偏离所述辐射贴片(2)中心线设定距离处设置，以激发所述辐射贴片(2)在平面两个方向的谐振模式。

4.根据权利要求1所述的一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，其特征在于，所述基板(1)、辐射贴片(2)、移动辐射贴片(3)、移动基板(4)所处的空间由内向外依次还设有用于支撑保护的保护层(5)以及用于避免混凝土内部水分和侵蚀性介质进入的防水涂层(6)。

5.根据权利要求4所述的一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，其特征在于，所述传动杆(8)伸出保护层(5)且处于水泥基保护层(7)内部的空间填充有用于承担部分传动杆(8)垂直向受力并使传动杆(8)沿平行向移动的填充颗粒(9)。

6.根据权利要求1所述的一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，其特征在于，所述辐射贴片(2)、移动辐射贴片(3)和微带馈电线(10)的材质均为铜。

7.根据权利要求1所述的一种基于贴片天线的单向应变智能骨料，其特征在于，所述基板(1)和移动基板(4)均为RT5880介质板。

8.一种基于贴片天线的单向应变智能骨料监测传感系统，其特征在于，该系统包括埋置于混凝土结构内部的智能骨料、引出同轴线缆(12)、宽带天线(13)、以及用于读取智能骨料中射频识别芯片(11)的信息并进行数据处理的阅读器(14)；所述智能骨料为权利要求1～7任一项所述的基于贴片天线的单向应变智能骨料；

所述引出同轴线缆(12)一端与射频识别芯片(11)连接，另一端与混凝土外置的宽带天线(13)连接。

9.根据权利要求8所述的一种基于贴片天线的单向应变智能骨料监测传感系统，其特征在于，所述阅读器(14)包括以下子模块：

无线收发模块(1401)，用于接收所述智能骨料发出的谐振频率偏移信号；

调制解调模块(1402)，用于对无线收发模块(1401)接收的信号进行解调处理；

数字处理模块(1403)，用于根据对应关系解耦计算出混凝土结构内部智能骨料埋置位置的单向应变与温度变化数据；

控制模块(1404)，用于向埋置于混凝土结构内部的智能骨料发射不同频率的调制电磁波信号，以激活智能骨料中的射频识别芯片(11)。

10.一种用于权利要求9所述的基于贴片天线的单向应变智能骨料监测传感系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)控制模块(1404)向埋置于混凝土结构内部的智能骨料发射不同频率的调制电磁波信号；当智能骨料接收到的信号功率达到设定阈值时，射频识别芯片(11)被激活；

2)所述射频识别芯片(11)被激活后，辐射贴片(2)的天线产生电流并发射出带有标签编号和测点位置信息的电磁波信号，该信号被无线收发模块(1401)接收后，经调制解调模块(1402)处理后得到对应智能骨料的标签编号和位置信息；

3)数字处理模块(1403)通过寻找激活所述射频识别芯片(11)时信号的阈值发射功率达到最小值的发射频率，确定出智能骨料内部辐射贴片(2)的横向和纵向谐振频率；

4)对确定的横向和纵向谐振频率解耦后，得到智能骨料埋置位置的混凝土结构单向应变，并且同步测得监测点温度，对应变监测值进行温度补偿修正，得到温度自补偿后的单向应变数据。

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