[发明专利]基于RFID天线传感器的金属表面裂纹监测

说明书

一种基于RFID天线传感器的金属表面裂纹监测方法，采用微带标签天线作为裂纹传感器，以其反向散射信号作为裂纹扩展表征参数，采用降载勾线法以获得表面裂纹在扩展中的实际尺寸，建立了表面裂纹尺寸与反向散射信号相位之间的关系。该传感器可对5.646mm²的裂纹扩展量进行感知，理论上能够实现0.195(°)/mm²的监测灵敏度，达到了动态监测的目的。

技术领域

本发明涉及无损检测技术，具体涉及一种基于RFID天线传感器的金属表面裂纹监测方法。

背景技术

飞机、桥梁、铁轨等大型机械在长期服役中，难免会受到极端载荷或恶劣环境的影响，产生裂纹，发生结构故障，可能造成重大的人员伤亡和经济损失。因此，对这类结构进行结构监测与安全评估，建立安全预警机制具有重要意义。迄今为止，结构健康状况的评估主要依赖于无损检测与评估技术，如液体渗透检测、超声波检测、涡流检测、热成像检测等。这些评估方法在结构监测方面能够显出较好的灵敏度及可靠性，但这些设备昂贵，操作复杂，往往需要大量布线及同时对现役环境要求很高，难以实现大规模布置、实时监测。近年来，基础设施的大规模建设促进了被动无源传感器的开发利用，实现了永久安装与在线实时监测。其中，基于射频识别(RFID)标签传感器成本低，操作简单，安全可靠且能够实现无源无线的特点，被视为结构健康监测的潜在技术受到广大学者的关注。

目前，基于RFID系统的传感器裂纹测量主要是针对裂纹一个维度变化的静态检测，大量学者进行了一系列的探索研究。Yi等设计了一款折叠天线传感器监测裂纹，并对两块铝合金板件间不同缝隙大小进行监测试验，结果表明该传感器可以感知毫米级的缝隙变化。Zhang等设计了带有矩形窗口的圆形RFID天线传感器对表面裂纹进行监测，并通过对预制不同深度的裂纹(固定表面裂纹宽度、长度不变，改变表面裂纹深度)铝合金试样进行试验，结果表明能够实现毫米级的检测灵敏度。Marindra等设计了一种无芯片RFID标签传感器，通过对预制不同宽度的裂纹(固定裂纹长度及深度不变)金属试样进行检测，试验结果表明可以实现亚毫米的监测灵敏度。康文芳等设计了一款微带天线传感器，通过对预制不同裂纹宽度(固定裂纹长度、深度)试样检测，结果表明同样可以实现亚毫米的监测能力。此外，国内外大多学者的试验研究也是一维静态裂纹的检测，其研究对象是预制好的裂纹，并且只改变了裂纹扩展一个方向的尺寸(其余方向裂纹尺寸不变)，然而，表面裂纹是沿着深度及长度方向同时扩展的。因此，以上研究具有一定局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于RFID天线传感器的金属表面裂纹监测方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于RFID天线传感器的金属表面裂纹监测方法，采用微带标签天线作为裂纹监测的传感器，采取降载勾线法进行表面裂纹扩展监测。

具体步骤为：将基于RFID的微带天线传感器用双面胶固定在试样中心，然后把试样夹紧于疲劳试验机上下夹头，将Tagformance阅读器天线固定在支架上，并保持读写器天线极化方向与微带天线传感器极化方向一致，两者相距30cm，疲劳试验时，疲劳试验机载荷大小按规定设置，其疲劳载荷为15Hz频率下的正弦波形，同时开启Tagformance读写器采集微带天线传感器的射频信号，读写器采样频率设为0.07s/次，发射功率设置为20dBm，工作频率设置为915MHz，直至试样断裂，同时暂停疲劳试验机与Tagformance读写器，并保存数据。

在一个具体实施例中，确定疲劳载荷的最大拉应力为抗拉强度的0.55倍，基准载荷阶段的应力比约为0.2，标记载荷的应力比约为0.8。

所述基于RFID的微带天线传感器由接地板、介质基板、辐射贴片及芯片组成，其中辐射贴片和接地板蚀刻在RF4基板上，接地板和辐射贴片分别在基板的两侧，并通过短路针相连；辐射贴片小于介质基板，辐射贴片短边的正中间位置具有一水平的T形结构，其中在T形结构的横边上具有标签芯片，芯片右端连接辐射贴片，左端连接传输线。