[发明专利]一种无芯片RFID应变传感标签及其无损检测方法

说明书

本发明公开一种无芯片RFID应变传感标签及其无损检测方法，应用于结构健康监测和无损检测领域，针对现有技术存在的仅能检测单一应变方向且易受环境干扰的问题，本发明使用传输线转发型天线与C型谐振器组成无芯片RFID应变传感标签，应变表征基于C型谐振器结构变化导致谐振频率变化；利用发射天线发射交叉极化的电磁波减少金属与天线结构的RCS对回波信号的干扰；本发明提出的这种结构可以有效保障响应信号强度与工作稳定性；与现有的散射型应变传感标签相比，本发明抗干扰能力更强，通信性能更好，对应变检测的灵敏度更高，可以检测应变的方向，可以减少环境噪声的影响。

技术领域

本发明属于结构健康监测和无损检测领域，特别涉及一种无芯片RFID应变传感检测技术。

背景技术

金属结构在现代工程中的使用量极为庞大。金属结构常年工作在恶劣的环境中，并长期承受重载及疲劳载荷，难以避免地会产生各种损伤和缺陷。当损伤和缺陷积累到一定程度时，会造成金属结构的承载能力和抗疲劳性能降低，酿成极其严重的后果。应变是表征工程结构受力状态的重要指标，通过对应力集中处的应变检测可有效判断结构的安全状况因此，采用可靠、实用的技术手段监测金属结构表面的应变，进而采取相应的预防措施对减少或避免结构性失效事故的发生具有重要意义。

传统的应变检测与健康监测技术历经几十年的发展，已经形成了一个较完善的理论体系，应变检测方法有应变片电测法、光纤Bragg光栅测试法等。但是传统无损检测技术由于设备笨重、检测速度慢、可检测范围小及自动化程度低，在检测大规模设施中的潜在损伤，特别是在复杂环境下的损伤时，往往可行性差且花费巨大。针对大规模金属设施的表面应力健康监测的问题，无线传感器网络(WSN)脱颖而出。WSN网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个自组织网络。RFID 技术可以用于搭建无线传感器网络。RFID即射频识别技术，指通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，从而达到识别目标和数据交换的目的。经典的RFID系统由一个阅读器和多个RFID标签组成。RFID标签因为其成本低廉，可以组成阵列，可以远距离通信等优点，开发传感功能后可以作为无线传感网络的传感器节点。目前RFID无线传感技术分为有源与无源两种，有源需要电池对天线与传感器提供能量，使用电池的RFID无线传感技术因为其体型相对较大、昂贵的更换成本、传感器寿命较低、电池对环境造成的污染等问题，并未成为无线检测技术的主流技术方案。无源RFID应变传感技术无需额外的集成电源，只需外部射频信号供电即可工作，可植入设备内部而无需更换部件，拥有更佳的鲁棒性与稳定性，可常年无人值守工作等优点成为目前主流的技术方案。

RFID无源传感技术又分为有芯片RFID应变传感与无芯片RFID应变传感技术两种。有芯片RFID传感技术基本工作过程为标签天线接收阅读器发送的连续电磁波，当天线发生应变时，因为本身结构的变化，天线电磁场分布、天线输入阻抗和增益等近远场参量亦相应发生变化，这一变化通过反向散射通信被阅读器以反向散射功率等模拟量接收，进而可以根据接收到的信号提取特征信息并反演所标识物体的应变。无芯片RFID传感技术则不需要任何数字芯片，其工作原理是阅读器发出一串宽频带的电磁波，当电磁波照射到无芯片RFID标签后，因为标签本身结构的特性，对不同频率信号有不同的反射能力，导致反射信号携带天线的结构参量，当天线本身结构发生变化后，标签天线的频域特征随之发生变化，通过提取回波信号的特征信息可以反演结构的应变。

最接近的现有技术

(1)有芯片RFID应变传感标签

例如Sari Merilampi等在Embedded wireless strain sensors based onprinted RFID tag 中提出了一种基于印刷RFID标签的嵌入式无线应变传感标签，该设计通过阅读器唤醒 RFID标签的阈值功率P_t来反演应变。

该方法存在以下缺点：

1.使用信号的幅值来建立阈值功率特征值与应变的关系，当受到外界环境电磁噪声信号的干扰时，很难保证信号幅值的稳定性，误差很大。