[发明专利]一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器

说明书

技术领域

本发明属于结构健康监测技术和天线技术领域，设计一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器。

背景技术

风能是无污染的能源之一，也是可再生的能源类型。作为将风能转化为电能的主要设备，风力发电机的平稳运行与生产安全息息相关。因此，对风机叶片的监测也至关重要。造成风电机组叶片失效的原因是风机在运行过程中会承受载荷，当载荷达到叶片结构所能承受的强度极限时，叶片会产生裂纹直至断裂。目前现行的风机叶片表面缺陷检测方法包括地面敲击辨音、望远镜观测，以及将其拆下进行离线检测，耗时耗力，精度也无法保证。

为了克服传统监测结构复杂的缺点，本文将无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术与传感器技术相结合，提出一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，降低成本、提升检测距离，对风机结构的健康监测具有重要意义。RFID系统主要由标签和阅读器两个部分组成，其中标签包括：天线和芯片。将标签直接作为传感器使用，利用超高频RFID系统通过电磁波相互工作的原理，把标签天线设计成微带天线形式，接收RFID阅读器传来的能量，传输到标签芯片将传感器激活，芯片再通过信号调制技术，消除环境带来的噪声干扰，将标签天线谐振频率变化的信息返回给阅读器，实现无源无线的应变检测，由于每个标签芯片上存储着唯一的信息，利用阅读器可以同时读取多个标签的功能，本发明将多个标签传感器埋置在风机叶片结构中，实现大面积应力监测。

发明内容

本发明采用的技术方案是设计一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，具有成本低和非接触式实时监测等优点，完全可以满足实验分析的需要。传感器的整体装配图如图1所示，内部结构示意图如图2和3所示。

本发明采用的技术方案为一种基于微带天线式RFID标签的阵列应变传感器，该传感器由标签天线和标签芯片(4)组成。标签天线包括金属辐射面(1)、短路墙(2)、第一馈线(3)、第二馈线(5)、介质基层(6)、金属接地板(7)和短路孔(8)；标签天线用于接收阅读器传来的电磁波能量并传输到标签芯片(4)，以激活传感器；金属辐射面(1)和介质基层(6)决定标签天线的谐振频率；标签芯片(4)能与阅读器进行数据通信，标签芯片(4)位于第一馈线(3)和第二馈线(5)之间，第一馈线(3)嵌入到凹槽(9)中然后与金属辐射面(1)连接，第二馈线(5)通过短路孔与金属接地板(7)连接，短路墙(2)设置在金属辐射面(1)的侧部，金属辐射面(1)通过短路墙(2)与金属接地板(7)相连。

金属辐射面(1)长度范围为50mm～55mm，宽度范围为50mm～55mm，厚度范围为0.017mm。金属辐射元(1)通过第一馈线(3)与芯片(4)正极相连，负极与第二馈线(5)相连，第一馈线(3)的长度范围为5mm～10mm，宽度范围为1mm～3mm；第二馈线(5)长度范围为5mm～20mm，宽度为1mm～3mm。

标签传感器与被测结构相贴合，即标签传感器的金属接地板(7)的下表面通过胶水粘合在被测结构的应变集中处，当被测结构受力形变时，被设计成微带天线形式的标签天线尺寸也会跟着改变，谐振频率会发生偏移，标签芯片再通过信号调制技术，消除环境带来的噪声干扰，将标签天线谐振频率的漂移信息通过传感器传递给外部设备，实现应变量的非接触式检测。

对于标签传感器，将标签芯片与标签天线直接相连，当两者阻抗共轭匹配时，满足工作需求。金属辐射面(1)末端设有凹槽(9)，第一馈线(3)嵌入到凹槽(9)中连接金属辐射面，通过改变调第一馈线(3)的长和宽，调节标签天线实部阻抗；金属辐射面(1)，第一馈线(3)，第二馈线(5)下表面与介质基层(6)上表面贴合，介质基层(6)下表面与金属接地板(7)的上表面贴合。第二馈线(5)通过短路孔(2)与金属接地板(7)相连形成短路短截线，调节标签天线虚部阻抗，金属辐射面(1)通过短路墙(2)与金属接地板(7)相连，形成λ/4矩形贴片天线，用于减小天线尺寸。

介质基层(9)是高频板材材料，其长度取值在80mm～100mm，宽度取值在80mm～100mm，厚度d取值在0.254mm～0.787mm。介质基层(6)与金属接地板(7)粘结，金属接地板(7)的长宽尺寸与介质基层(6)的长宽尺寸相同。其中，金属辐射面(1)，第一馈线(3)，第二馈线(5)，介质基层(6)，金属接地板(7)的厚度与金属辐射面(1)一致。

金属辐射面(1)、第一馈线(3)、第二馈线(5)、金属接地板(7)均为铜箔片。