CN207938014U - 一种基于高频无源rfid标签的钢腐蚀检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，包括RFID标签和读写器；所述RFID标签设置于被检测物体表面，RFID标签包括标签线圈和标签微芯片，读写器设置于RFID标签工作范围内，读写器包括读写器电路和读写器线圈；所述读写器电路通过读写器线圈给所述RFID标签供电并无线收发信息，被检测物体与标签线圈感应耦合并产生涡流；RFID标签发送经调制的响应信号时，涡流作用于标签线圈，并将改变RFID标签的阻抗；涡流使RFID标签产生反馈信号；读写器端接收RFID标签的阻抗以及反馈信号进行特征提取分析，读写器电路将提取的被检测物体的特征与基准信号进行比较分析并通过所述读写器线圈发送到上位机。

Description

一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种腐蚀检测系统，具体涉及一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，属于无损检测、腐蚀检测技术领域。

背景技术

长期以来，钢腐蚀的无损检测一直是技术上的难题，这是由于涂层的失效是一个长期渐变过程，而这种过程中往往与被保护钢及其构件的检查、维护周期不相匹配。这就容易出现在某个阶段或节点进行肉眼检查时涂层完好，而实际上涂层下钢已发生腐蚀现象，随之带来腐蚀破损隐患和其它牵连事故风险。为此，需要使用相关检测技术在钢的不同使用阶段，对钢腐蚀情况进行安全生产检验。同时，研究关键钢零件及其构件的服役性能和失效机理对海上风电场全寿命安全评定具有重要的现实意义。钢腐蚀需要经过萌生、扩展和损坏三个阶段，它会使钢转入氧化状态，此时钢的强度和韧性等力学性能显著降低，钢构件的几何形状被破坏，钢的使用寿命也大大缩短，还会引发火灾、爆炸等灾难性事故。通常钢腐蚀达到一定尺寸时，常规的目视如内窥镜就能检测出来。此外，光学技术如光纤检测由于其可以在极其恶劣的环境下工作，已经被运用于多种状态的结构健康监测，其中就包括腐蚀监测。但是，由于需要在被监测的物体上附上光纤，加大了施工难度，最终限制了光纤检测的应用范围。

由于钢腐蚀的本质是一种电化学过程，因而电化学检测技术是目前国内外检测涂层下金属腐蚀的主要方法。其中电化学阻抗谱(ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS)、杂散电流(Straycurrent)、电化学噪声(ElectrochemicalNoise，EN)等技术已经被广泛应用到钢腐蚀检测研究，众多能够在不同环境下快速准确测量涂层性能及钢腐蚀情况的技术和方法被提出。然而，这些电化学测量方法很难实现快速化、自动化和可视化，还需要操作人员具备较高的数据处理能力和使用昂贵的测量设备。超声检测是基于超声波在物体内的传播速度和强度衰减依赖于物体的密度和弹性。因此，超声波检测非常适合有用来描述材料的物理属性变化。其已经被广泛运用于金属腐蚀的检测。但是，超声检测时需要耦合剂和一定的表面预处理，并且受超声探头扫描范围的限制。射线类检测技术如X射线，通过测量穿透物体时各个部分的衰减强度来实现对物体的成像检测，最终利用人工对金属腐蚀区域的判定。但是，高昂的设备投入和辐射防护问题，限制了其日常的运用和发展。涡流检测已经被用于描述的磁性金属的表面和亚表面腐蚀。由于涡流的趋肤效应，限制了其的探测深度。

漏磁检测(MFL)利用磁场传感器如霍尔元件来测量漏磁通量，并可以使用计算机来进行进一步的处理、分析和定量评估。目前，管道的缺陷和腐蚀检测大都采用漏磁检测。但是，漏磁检测只能应用于磁性金属材料检测，而且不能远离被测物体表面。此外，由于漏磁影响因素众多，只能定性评估难以达到定量评估，有待在大量实验的基础上进行总结和深入研究。红外热成像方法对涂层下的腐蚀损伤具有较好的检测效果，可用于估算涂层厚度和实现腐蚀损伤大小和位置的定量识别，如国防科技大学潘孟春和湖南大学何赟泽将红外热成像相位法运用于钢腐蚀检测，成功定位出钢腐蚀的位置。但是，红外热成像检测结果受材料表面的均匀度影响较大。此外，热像仪的高昂价格是使用热成像检测不可忽视的重要因素。基于微波无损检测的腐蚀成像方法，由于其在非金属涂层下金属腐蚀检测和定量分析上的优势引起了广泛关注。张宏利用矩阵分解技术，如主成分分析(PCA)和非负矩阵分解(NMF)，对整个波导频率波段进行了处理和分析得到空间模式特征用于微波图中钢腐蚀的定位，成功提高了微波检测图像的空间分辨率，并量化了钢腐蚀尺寸和深度信息，成功解决了人为选择频率和特征值的问题。但是，昂贵的设备投入和微波信号容易被水吸收的特征，限制了其在海洋环境的腐蚀检测应用。

综上，国内外学者研究应用了光学、电化学、超声检测、涡流检测、漏磁检测、红外热成像、微波检测等方法就钢腐蚀研究取得了诸多重要的成果，然而针对钢腐蚀行为及机理研究，尤其是腐蚀层微观组织演变的定量研究还不成熟。针对涂层下钢结构健康监测中存在的问题及现有无损检测技术的不足，本实用新型将高频RFID标签检测技术引用到钢腐蚀检测，并最终通过标签传感阵列实现对钢腐蚀的实时监测。

西方发达国家率先开展了基于RFID标签检测技术相关研究，并取得了一些研究成果。由于在体积和使用寿命上显著优势，无源RFID标签已被发展为各种检测系统，如温度、湿度、应力、食品质量控制和化学物质监测等。2012年，英国纽卡斯尔大学Mohammed利用无源低频RFID标签的时域特征对碳钢(mildsteel)腐蚀检测做了初步研究。Ali通过优化阻抗匹配和工作频率，提取静态和瞬态特征来实现对不同腐蚀阶段的电导率和磁导率变化的表征，并通过磁耦合共振实现无线电力传输，提高了读写器和标签的通信距离。英国纽卡斯尔大学Mohammed利用无源低频RFID标签检测系统成功实现了对热障钢腐蚀的检测。申请人研究了基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，利用矢量网络分析仪提取出标签天线的复阻抗，并通过主成分分析法成功提取出不受涂层厚度影响的特征值。ZhangJun提出了一种基于超高频RFID传感器的钢腐蚀检测系统，将3D天线安装在钢试件表面，实现了在1米范围内对钢腐蚀的厚度变化监测。此外，Rania利用天线优化重新设计了RFID标签天线，实现了对2米范围内的钢腐蚀的检测。

国内针对钢腐蚀检测的RFID标签监测研究尚处于萌芽状态。从文献调研来看，南通大学的学者研究了RFID标签检测用于形状记忆合金增强复合结构低速冲击和SMA增强复合材料层合板无线分布监测，同时还研究了RFID标签检测用于主轴热误差、弯曲应变和机动车车速无线结构健康监测。贵州师范大学的学者研究了无源超高频RFID标签的功率传递模型用于轮胎胎压无线监控。天津大学的学者研究了基于RFID标签可定位生命体征监测系统。合肥工业大学和华中科技大学的学者研究了RFID标签用于电气设备状态无线监测和信息采集。

在申请公布号为CN105334151A的中国实用新型专利文献中公开了了一种工业管路及槽体腐蚀检测装置，包括一个侦测导线、一个晶片及检测仪器：所述侦测导线是一个铁丝回路，其与一个晶片电连结；所述晶片包括一个发射电路，所述发射信号电路透过侦测导线与一个电池电连结，所述电池提供所述发射信号电路所需的电力，使所述晶片透过所述发射信号电路而可发射信号；所述检测仪器更包含一个接收信号电路，所述接收信号电路可接收晶片所发射的信号。

该业管路及槽体腐蚀检测装置运行时，仅能够侦测工业管路及槽体的保温棉层是否有水气渗入，无法反映工业管路中钢管的不同腐蚀程度，更无法实现钢腐蚀自动识别和定位，并对其发展演化进行预测。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，利用自适应稀疏控制实现钢腐蚀自动识别和定位，并对其发展演化进行预测，改善和增强钢及其构件的服役期性能，降低运营和维护成本，提高设备运行可靠性和安全性，实现高效安全生产。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，包括RFID标签和读写器；所述RFID标签设置于被检测物体表面，RFID标签包括标签线圈和标签微芯片，读写器设置于RFID标签工作范围内，读写器包括读写器电路和读写器线圈；所述读写器电路通过读写器线圈给所述RFID标签供电并无线收发信息，被检测物体与标签线圈感应耦合并产生涡流；RFID标签发送经调制的响应信号时，涡流作用于标签线圈，并将改变RFID标签的阻抗；涡流使RFID标签产生反馈信号；读写器端接收RFID标签的阻抗以及反馈信号进行特征提取分析，读写器电路将提取的被检测物体的特征与基准信号进行比较分析并通过所述读写器线圈发送到上位机。

其中，所述读写器电路包括匹配电路和与匹配电路配合的环路开关电路，所述匹配电路与读写器线圈匹配，所述环路开关电路控制所述匹配电路的开关。

本实用新型具有如下有益效果：

与超声、X射线等传统的检测技术通过人工或机器人从涂层表面对钢进行检测不同，该方法集成了无源RFID标签和电磁检测的优点：1)RFID标签体积很小，可以被放置于涂层下，直接与被监测物体接触，敏感度高；2)读写器通过射频进行能源和信息传输，因而穿透能力强，对涂层厚度变化不敏感；3)钢腐蚀时电磁特征变化比其他物理特征变化更为明显，而RFID标签钢腐蚀监测就是基于RFID标签和被监测钢的电磁耦合机理；4)由于RFID标签低廉的价格，可以通过使用大量无源RFID标签构成海上风电场钢腐蚀智能监测网络，可以长效地(寿命可达20年)、实时地获取并重构钢腐蚀分布状态，从中挖掘、提取钢腐蚀信息，并通过对分布图像的处理来实现钢腐蚀的分离和量化，以及实现不同阶段钢腐蚀的电磁特征变化与钢结构损伤之间的映射关系。

本实用新型具有十分重要的科学和工程意义：1)将解决钢腐蚀实时监测问题，扩大无损检测和物联网的研究范围；2)采用基于自适应稀疏矩阵控制的钢腐蚀盲源分离处理方法代替全数据，最大限度的降低计算量并提高准确度；3)利用RFID标签阵列实现钢腐蚀监测联网，并实现对钢结构健康的实时监测；4)利用自适应稀疏控制实现海上钢腐蚀自动识别和定位，并对其发展演化进行预测，改善和增强钢及其构件的服役期性能，降低运营和维护成本，提高设备运行可靠性和安全性，实现高效安全生产。

附图说明

图1是本实用新型的基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统的结构示意图。

图2是本实用新型的基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统的读写器电路图。

图3是本实用新型的基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统的读写器与标签线圈耦合的等效电路图。

图中的附图标记为：

1、RFID标签，2、读写器，11、标签线圈，12、标签微芯片，21、读写器电路，22、读写器线圈，23、匹配电路，24、环路开关电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本实用新型进行详细的说明。

如图1所示，一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，包括RFID标签1和读写器2；所述RFID标签1设置于被检测物体表面，RFID标签1包括标签线圈11和标签微芯片12，读写器2设置于RFID标签工1作范围内，所述读写器2包括读写器电路21和读写器线圈22；所述读写器电路21通过读写器线圈22给所述RFID标签1供电并无线收发信息，被检测物体与标签线圈11感应耦合并产生涡流；RFID标签1发送经调制的响应信号时，涡流作用于标签线圈11，并将改变RFID标签1的阻抗；涡流使RFID标签1产生反馈信号；读写器端接收RFID标签1的阻抗以及反馈信号进行特征提取分析，读写器电路21将提取的被检测物体的特征与基准信号进行比较分析并通过所述读写器线圈22发送到上位机。

如图2所示，所述读写器电路21包括匹配电路23和与匹配电路23配合的环路开关电路24，所述匹配电路23与读写器线圈22匹配，所述环路开关电路24控制所述匹配电路23的开关。

工作原理如下：高频RFID监测系统由两个部分组成：标签(Tag)和读写器(Reader)。RFID标签检测依据工作频率可以分为LF(低频)、HF(高频)、UHF(超高频)等。此外，依据标签是否含有提供能源部件(电池等)可分为：有源(active)和无源(passive)。由于无源RFID标签不需要在标签上安装能源部件，无源标签体积、使用成本与监测寿命(至少20年)存在巨大优势，本实用新型采用基于无源RFID标签发展而来的腐蚀监测系统。

一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测方法，采用以上所述的基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，该检测方法包括以下步骤：

S1：RFID标签1放置在被检测物体表面，读写器2放置在RFID标签1工作范围内，然后标签线圈11产生磁场并产生电感；标签线圈11的电感产生电压Ui，经过整流后，电压Ui给标签微芯片12供电；使RFID标签1开始工作，被检测物体和标签线圈11之间会产生感应耦合并产生涡流；

S2：读写器线圈22与电容器Cr并联，电容器Cr与读写器线圈22的电感形成一定的谐振频率，该谐振频率对应于RFID标签检测系统的工作频率f；当RFID标签1开始发送其调制的响应信号时，涡流改变RFID标签1的的阻抗；

S3：通过调节读写器线圈22的圈数和电流强度来控制磁场强度，涡流对RFID标签1产生感应负载效应，扭曲RFID标签1的反馈信号；最终传输能量并远程操作RFID标签1；

S4：读写器2对所接收到RFID标签1的阻抗和反馈信号进行特征提取分析，提取被检测物体的特征；

S5：读写器2对提取的被检测物体特征与参考信号进行比较分析；

S6：读写器电路21将比较分析的结果通过所述读写器线圈22发送到上位机。

RFID标签多物理场的耦合机理和异常电磁信号产生机理是钢腐蚀检测分离与量化的理论基础。无源RFID标签检测对钢腐蚀的监测物理过程如图1所示：1)读写器线圈22通过一定距离给RFID标签1提供能量，然后标签线圈11产生磁场并产生电感；2)标签线圈11的电感产生电压Ui，经过整流后，电压Ui给标签微芯片12供电；3)读写器线圈22与电容器Cr并联，电容器Cr与读写器线圈22的电感形成一定的谐振频率，该谐振频率对应于RFID标签检测系统的工作频率f；4)通过调节读写器线圈22的圈数和电流强度来控制磁场强度，最终传输能量并远程操作RFID标签1。

无源RFID标签监测工作原理如下：

①RFID系统工作频率检测钢磁导率变化原理

对于RFID标签检测系统，RFID工作频率(又称谐振频率)可以由以下汤姆逊方程得到：

等式(1)中，f是RFID系统的工作频率，L是线圈的电感，C是线圈的电容。当工作频率f增加时，所需标签线圈的电感减少。因此，线圈绕组数下降(135kHz大概100–1000绕组，13.56MHz减少到3–10绕组)。由于标签的工作频率f与感应电压成正比，在更高的频率范围内，绕组数的减少在功率传输致更高的效率。这是在本研究中使用高频、超高频RFID的原因之一。线圈电感L是磁通量ψ和线圈电流I的比值，它的变化可以由以下等式得到：

等式(2)中，N是线圈的匝数，μ是磁导率，H是磁场强度，A是线圈面积，I是电流强度。显然，当线圈属性、电流和材料磁导率参数不变时，电感L变化和磁场强度H成线性关系。对于一个矩形RFID线圈的尺寸为a×b，离它距离x的磁场强度H可以由以下等式得到：

当导线的半径d远小于线圈的半径R(d/R<0.0001)，等式(2)可以被化简为：

等式(4)中N为线圈匝数，μ₀＝4π×10^-7V·s/(A·m)为自由空间的磁导率，R为线圈半径，d为导线的半径。因此，当被监测的钢发生腐蚀，它的磁导率与RFID标签的工作频率成反比。

②RFID标签检测钢腐蚀深度原理

如图2所示，互感M是用来描述RFID系统通过磁场的耦合，它具有与电感相同的单位。下面的方程可以用来计算互感系数M：

等式(5)中μ₀是自由空间的磁导率，N1是读写器的线圈匝数，N2是RFID标签的线圈匝数，R1是读写器线圈导线的半径，R2是标签线圈导线的半径，x是读写器与标签的距离。可见，在感应电流和感应电流频率稳定的条件下，产生的互感M与深度x成反比，与标签线圈导线的半径的平方根成反比。但实际情况中存在能量传递和损耗的问题，所以必须对该方法进行校正，以使测量值误差尽量减小。

③RFID标签响应信号电压

图3显示了RFID线圈耦合的等效电路图。在这个磁耦合的RFID系统中，读写器感应线圈表示为L1。R2是标签线圈的阻抗，标签的感应线圈是L2，负载电阻RL代表标签芯片的电流消耗。标签的工作频率(谐振频率)是由并联连接的标签感应线圈L2与电容C2决定。标签电压u2如下式：

等式(6)中，C₂＝C′₂+C_p由并联电容C′₂和实际电路的寄生电容C_p组成。简单而言，由腐蚀产生的介电常数将会以寄生电容的形式在钢材料中被检测出来。

④RFID标签复阻抗

读写器和标签之间的互感耦合除了用于传输能量外，还可以从RFID标签传输测量的复数阻抗数据。测得的RFID标签复阻抗关系如下式：

其中，Z_R是读写器线圈的固有阻抗，Z_T为RFID标签线圈的固有阻抗，ω是载波频率，M是互感耦合系数。简单而言，测得的复阻抗与互感耦合系数M的平方成正比。实际上，当RFID标签用于钢腐蚀检测时，还与它所处的表面状态(包括表面弧度、粗糙度、表面杂质)有关。

由以上分析可知，RFID标签的检测信号是与被检材料的电属性、介质属性、磁属性等息息相关的。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，其特征在于：包括RFID标签（1）和读写器（2）；所述RFID标签（1）设置于被检测物体表面，RFID标签（1）包括标签线圈（11）和标签微芯片（12），读写器（2）设置于RFID标签（1）工作范围内，所述读写器（2）包括读写器电路（21）和读写器线圈（22）；所述读写器电路（21）通过读写器线圈（22）给所述RFID标签（1）供电并无线收发信息，被检测物体与标签线圈（11）感应耦合并产生涡流；RFID标签（1）发送经调制的响应信号时，涡流作用于标签线圈（11），并将改变RFID标签（1）的阻抗；涡流使RFID标签（1）产生反馈信号；读写器端接收RFID标签（1）的阻抗以及反馈信号进行特征提取分析，读写器电路（21）将提取的被检测物体的特征与基准信号进行比较分析并通过所述读写器线圈（22）发送到上位机。

2.如权利要求1所述的一种基于高频无源RFID标签的钢腐蚀检测系统，其特征在于：所述读写器电路（21）包括匹配电路（23）和与匹配电路（23）配合的环路开关电路（24），所述匹配电路（23）与读写器线圈（22）匹配，所述环路开关电路（24）控制所述匹配电路（23）的开关。