用于测量金属构件表面应变的标签、测量系统及其应用方法与流程

本发明涉及一种金属构件表面应变的测量领域。

背景技术：

目前常用的应变传感器有电阻式应变片、振弦式应变计和布拉格光栅传感器。电阻式应变片可以将应变变化转换为电阻变化，并通过电桥进一步转换为电压或电流变化；振弦式应变计利用弦的共振频率与应变的关系来进行应变测量；布拉格光栅传感器的原理是是基于光纤光栅布拉格波长的漂移理论。这些应变传感器具有自身的优点，在实际工程应用中可根据现场情况选择合适的应变传感器，但它们也具有无法克服的缺点：传感器布置和信号采集采用有线的方式，作业复杂、引线众多、采集设备价格不菲，尽管目前采用一些如Zigbee、Wifi等无线通信方式进行了改善，但还不能从根本上克服这一缺点；在信号采集过程中需要实时的电源供电，而结构在经历灾害时可能发生供电失效的问题，导致信号采集系统无法获得灾害发生时的数据。

技术实现要素：

为克服上述方案的不足，本发明公开一种用于测量金属构件表面应变的标签、测量系统及其应用方法。

为突破传统应变传感器中有源、有线的限制，本发明利用无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术为应变传感器的设计提供了一种新思路，可以实现无需外部有线电源、非接触式的应变测量。

技术方案一

本发明用于测量金属构件表面应变测量的RFID系统，该系统由阅读器8和用于测量金属构件表面应变的标签10组成,

其中用于测量金属构件表面应变的标签10固定于被测金属构件1，标签10包含RFID天线、芯片2。所述的RFID天线包括上辐射贴片31、下辐射贴片32、介质板4、匹配线5，标签10通过RFID天线的下辐射贴片32粘结于所述被测金属构件1的金属表面，所述芯片2通过匹配线5与所述的上辐射贴片31、下辐射贴片32连接。

在应变测量中，所述标签10上的RFID天线起到传感单元的作用。当标签10经历变形时，天线的尺寸会发生变化，其谐振频率会发生漂移；RFID阅读器8通过其天线9检测RFID标签10的谐振频率漂移，并计算出被测金属构件1上的天线经历的应变。

进一步细化技术方案，所述RFID天线还包括导电胶6，下辐射贴片32粘结于所述被测金属构件1的金属表面采用所述导电胶6实现。

RFID式应变传感器的性能与标签上天线的种类有关，对标签上的天线进行优化设计可以减小传感器的尺寸并提高其灵敏度。例如，采用二分之一波长矩形贴片天线或四分之一波长矩形贴片天线。

进一步优化，与二分之一波长矩形贴片天线相比，本发明将二分之一波长矩形贴片天线改为四分之一波长矩形贴片天线作为优选的实施方式，从而可以将传感器尺寸缩小一半或将传感器的灵敏度提高一倍。本发明制作四分之一波长矩形贴片天线，可采用以下任意一种方式实现：

1.在二分之一波长矩形贴片天线一端打若干过孔，并在过孔臂上涂导电材料将上下辐射贴片短路；

2.在天线一侧添加侧向短路壁将上下辐射贴片短路，可将二分之一波长矩形贴片天线变为四分之一波长矩形贴片天线；

3.也可在利用焊接技术将矩形贴片天线与金属构件表面连接以替代用导电胶将矩形贴片天线粘贴在金属构件表面。(为最优实施方式)

技术方案二

一种用于测量金属构件表面应变的标签10，固定于被测金属构件1，标签10包含RFID天线、芯片2。所述的RFID天线包括上辐射贴片31、下辐射贴片32、介质板4、匹配线5，标签10通过RFID天线的下辐射贴片32粘结于所述被测金属构件1的金属表面，所述芯片2通过匹配线5与所述的上辐射贴片31、下辐射贴片32连接。

技术方案三

一种用于测量金属构件表面应变的应用方法，包括如下步骤：

步骤一，利用无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术设计出应变传感器，用于安装固定于被测量金属构件表面。所述应变传感器结构即为所述标签10的结构。

步骤二，在测量金属构件表面应变测量时，为实现将二分之一波长的矩形贴片天线转化为四分之一波长矩形贴片天线，利用焊接技术，将天线的上辐射贴片和被测金属构件表面通过焊缝相连，使矩形贴片天线上下辐射贴片短路，形成四分之一波长矩形贴片天线。

步骤三，RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的芯片即可被激活。激活标签所需要的阅读器最小发射功率P_min(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中矩形贴片天线谐振频率发射信号时f_R，激活标签所需的最小发射功率P_min(f_R)最小。通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率f_R。

步骤四，当天线经历应变时，其谐振频率漂移，当天线在长度方向上经历应变ε时，谐振频率f_R将会应变呈现近似线性关系，给出如下公式所示

式中c是真空中的光速，ε_e是介质板的相对介电常数，L是上辐射贴片长度，f_RO是天线在初始应变状态下的谐振频率。通过确定谐振频率漂移量，可以计算出标签所经历的应变。

1.本发明适用于测量具有导电性的金属构件表面的应变，包括但不限于钢结构、铝结构。

2.须将二分之一波长的矩形贴片天线用导电胶将其与粘贴于金属表面或与金属表面焊接，导电胶包括但不限于LED导电银胶等。

3.利用焊缝天线的上辐射贴片与金属表面连接，焊剂包括但不限于铜铝药芯焊丝。

4.保障上述所有连接导电性能良好。

技术方案带来的有益效果：

1.相比二分之一波长矩形贴片天线作为传感器的传感单元，采用四分之一波长矩形贴片天线，可减小传感器尺寸或提高传感器灵敏度；

2.采用焊接方法进行短路，使得应变传感器比较牢固，不易损坏；

5.原有方案需要在天线加工厂才能加工，本方案放宽了加工限制，可在普通环境加工。

附图说明

图1为整个系统示意图。

图2为优选实施例的标签示意图。

被测金属构件1、芯片2、上辐射贴片31、下辐射贴片32、介质板4、匹配线5、导电胶6、焊缝7、阅读器8、阅读器天线9、用于测量金属构件表面应变的标签10

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案做一步介绍。

实施例

本发明系统由RFID标签和RFID阅读器组成。RFID标签通过导电胶贴在被测金属构件表面，在RFID标签中，以通过焊缝短路的四分之一波长矩形贴片天线作为传感单元，当被测金属构件表面经历应变时，贴片天线尺寸发生变化引起谐振频率漂移；芯片中携带标签的编码信息，利用RFID阅读器向标签发射调制的电磁波信号，可以识别该标签的编码，当RFID阅读器扫描范围布置多个RFID标签时，阅读器可以根据各标签的编码，标记各测点的应变值。

该系统所使用的RFID经过特殊设计，其测量金属构件表面应变原理如下：RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的芯片即可被激活。激活标签所需要的阅读器最小发射功率P_min(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中矩形贴片天线谐振频率发射信号时f_R，激活标签所需的最小发射功率P_min(f_R)最小。通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率。

当天线经历应变时，其谐振频率漂移，当天线在长度方向上经历应变ε时，谐振频率f_R将会应变呈现近似线性关系，给出如下公式所示

式中c是真空中的光速，ε_e是介质板的相对介电常数，L是上辐射贴片长度，f_RO是是天线在初始应变状态下的谐振频率。通过确定谐振频率漂移量，可以计算出标签所经历的应变。

最优实施例

旨在提供一种简单可靠，方便加工，实用经济的将二分之一波长的矩形贴片天线短路，制成四分之一波长的矩形贴片天线，用于测量金属构件表面应变。

在测量金属构件表面应变测量时，为实现将二分之一波长的矩形贴片天线转化为四分之一波长矩形贴片天线，本发明技术方案先将二分之一波长的矩形贴片天线用导电胶粘贴在被测金属构件表面；再利用焊接技术，将天线的上辐射贴片和被测金属构件表面通过焊缝7相连。保障导电胶及焊缝导电性能良好，即可使矩形贴片天线上下辐射贴片短路，形成四分之一波长矩形贴片天线。