基于贴片天线的双向应变智能骨料、监测传感系统及方法

本发明涉及结构健康监测领域，尤其是涉及一种基于贴片天线的双向应变智能骨料、监测传感系统及方法。

背景技术：

1、混凝土作为一种重要的建筑材料，已经广泛应用于土木工程领域。混凝土本身是一种耐久性良好的建筑材料，但是在长期使用过程中，由于受到外界环境及荷载等因素的作用，混凝土材料会发生劣化，为结构的安全可靠运行埋下隐患。因此，在混凝土结构的整个生命周期内，有必要对混凝土结构的变形状态和影响耐久性的环境因素进行感知，从而及时发现结构安全隐患，采取必要措施保证结构的安全可靠使用。

2、近些年来，具有局部性、分布性优势的混凝土智能骨料逐渐应用于混凝土内部损伤监测。智能骨料是指将用于混凝土监测的传感单元进行封装，使其成为一种可以植入于混凝土中的智能元件，既具有普通骨料的功能，又可以实现对混凝土内部信息感知。

3、但是当前的智能骨料仍然需要持续的电源供应以及线缆进行信号传输，并且难以实现混凝土内部多参数的同步传感，使其在实际工程中的应用受到一定限制。

4、因此，有必要设计一种适用于混凝土内部多向应变和多参数感知的无源无线智能骨料，以克服其对线缆和电源的依赖，并实现混凝土内部多参数的无线监测。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种基于贴片天线的双向应变智能骨料、监测传感系统及方法，以实现对混凝土内部双向应变和温度的无源无线监测。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种基于贴片天线的双向应变智能骨料，整体结构采用水泥基保护层进行封装，所述智能骨料还包括辐射贴片组件、移动辐射贴片组件、耦合辐射贴片组件、传动杆、以及携带有智能骨料编码和位置信息的射频识别芯片；

4、所述辐射贴片组件与移动辐射贴片组件紧密贴合，且部分重叠成相互错动的短接；所述辐射贴片组件与耦合辐射贴片组件之间填充有弹性体，用以在智能骨料产生竖向变形时被压缩或拉伸以改变辐射贴片组件与耦合辐射贴片组件间距离，从而改变对应的谐振频率以进行竖向应变监测；其中，竖向为垂直于辐射贴片组件所在平面的方向；

5、所述辐射贴片组件、移动辐射贴片组件、耦合辐射贴片组件以及射频识别芯片外包裹有保护层；所述传动杆一端固定于移动辐射贴片组件，另一端从保护层中伸出并固定于水泥基保护层上，用于智能骨料水平向受力产生变形时进行两端压缩变形传递水平向应力以造成移动辐射贴片与辐射贴片之间相互错动；其中，水平向为与所述传动杆平行的方向；

6、所述射频识别芯片与所述辐射贴片组件通过设有的微带馈电线连接，用于激活辐射贴片平面两个方向的谐振以及竖向耦合谐振。

7、优选地，所述辐射贴片组件包括基板和辐射贴片，所述移动辐射贴片组件包括移动辐射贴片和移动基板，所述耦合辐射贴片组件包括耦合辐射贴片和耦合基板，所述基板、辐射贴片、移动辐射贴片、移动基板，耦合辐射贴片、耦合基板依次放置其中：

8、所述射频识别芯片焊接在基板的上表面，并与所述辐射贴片通过设有的微带馈电线连接；所述基板的下表面电镀有完全覆盖的铜层，所述基板的上表面电镀贴合所述辐射贴片；所述移动基板的下表面电镀贴合所述移动辐射贴片，所述移动辐射贴片的上表面与所述辐射贴片紧密贴合，且上下重叠形成相互错动的短接；所述耦合基板的下表面电镀贴合所述合辐射贴片，所述耦合基板的上表面固定于保护层的下表面，耦合辐射贴片与辐射贴片之间填充有弹性体，用于在智能骨料竖向产生变形时被压缩或拉伸以改变耦合辐射贴片与辐射贴片之间的距离；

9、所述传动杆的一端固定于移动基板，另一端从保护层中伸出并固定于水泥基保护层，用于智能骨料水平向受力产生变形时进行两端压缩变形传递以造成移动辐射贴片与辐射贴片之间相互错动。

10、优选地，所述微带馈电线为偏离所述辐射贴片中心线设定距离处设置，用以激活辐射贴片在平面两个方向的谐振模式以及所述耦合辐射贴片的耦合谐振模式。

11、优选地，所述传动杆中部与水泥基保护层之间填充有填充颗粒，用以承担部分竖向受力并使传动杆沿水平向移动。

12、优选地，所述智能骨料还设置有防水涂层，设置于所述水泥基保护层的内壁。

13、优选地，所述辐射贴片、移动辐射贴片、耦合辐射贴片和微带馈电线的材质均为铜。

14、优选地，所述基板、移动基板和耦合基板均为rt5880介质板。

15、根据本发明的第二方面，提供了一种基于贴片天线的双向应变智能骨料传感系统，该系统包括埋置于混凝土结构内部的智能骨料、用于读取智能骨料中射频识别芯片的信息并进行数据处理的阅读器；所述智能骨料为任一项所述的基于贴片天线的双向应变智能骨料；

16、所述阅读器包括：

17、无线收发模块，用于接收智能骨料发出的多阶谐振频率偏移信号；

18、调制解调模块，用于对无线收发模块接收的信号进行解调处理；

19、数字处理模块，用于根据对应关系解耦计算出混凝土结构内部智能骨料埋置位置的结构水平向及竖向应变与温度变化；

20、控制模块，用于向埋置于混凝土结构内部的智能骨料发射不同频率的调制电磁波信号，以激活智能骨料中的射频识别芯片。

21、根据本发明的第三方面，提供了一种用于所述的智能骨料传感系统的监测方法，该方法包括以下步骤：

22、1)控制模块向埋置于混凝土结构内部的智能骨料发射不同频率的调制电磁波信号；当智能骨料接收到的信号功率达到设定阈值时，射频识别芯片被激活；

23、2)射频识别芯片被激活后，耦合贴片的天线产生电流并发射出带有标签编号和测点位置信息的电磁波信号，该信号被无线收发模块接收后，经调制解调模块处理后得到对应智能骨料的标签编号和位置信息；

24、3)数字处理模块通过寻找激活射频识别芯片时信号发射功率达到各阶极小值的阅读器电磁波的发射频率，确定耦合贴片天线的各阶谐振频率；

25、4)当埋置于混凝土内部的智能骨料产生水平向应变、竖向应变、环境温度变化时，智能骨料内部的辐射贴片的尺寸和基板的介电常数发生变化，辐射贴片之间的距离发生变化，智能骨料各阶谐振频率发生偏移；通过计算智能骨料各阶谐振频率偏移量，解耦得出智能骨料埋置位置混凝土双向应变量及温度变化量，对混凝土内部双向应变及温度的同步监测。

26、优选地，所述步骤4)当埋置于混凝土内部的智能骨料产生水平向应变、竖向应变、环境温度变化时，智能骨料内部的辐射贴片的尺寸和基板的介电常数发生变化，辐射贴片之间的距离发生变化，智能骨料各阶谐振频率发生偏移，具体为：

27、智能骨料产生水平向变形时，移动辐射贴片与辐射贴片之间产生相对位移，进而导致组合辐射贴片纵向长度变化，使其纵向谐振频率发生改变；

28、混凝土内部温度发生改变时，基板与移动基板的介电常数发生改变，辐射贴片和移动辐射贴片发生长度和宽度的变化，从而使组合辐射贴片横向和纵向谐振频率均发生改变；

29、智能骨料竖向发生变形时，弹性体产生相应的变形，进而导致耦合辐射贴片与辐射贴片之间的距离改变，使耦合辐射贴片的谐振频率发生相应改变。

30、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

31、1)采用具有无源无线优势的射频识别传感技术与智能骨料的混凝土传感器埋置形式相结合，将耦合贴片天线传感单元封装为可以埋置于混凝土中进行监测的无源无线智能元件，不需要通过预装电池或者电线进行能量输入，而是通过接收发射天线的电磁波进行能量输入，通过电磁波提供能量，不需要电源线或电池为传感系统提供能量，传感系统更加简单，布置更加灵活，大大减少了智能骨料安装的劳动力以及传感系统的成本，在自然灾害下更不容易失效；

32、2)通过水平传动杆和竖向弹性体的应力传递，基于辐射贴片、移动辐射贴片以及耦合贴片间的谐振频率变化，实现对混凝土内部双向应变的感知；

33、3)当智能骨料埋置位置处混凝土结构发生双向应变或温度变化时，智能骨料内部的耦合贴片天线多阶谐振频率发生改变，根据混凝土内部双向应变及埋置环境温度对耦合天线多阶谐振频率的影响，实现混凝土内部双向应变及温度等参数的同步监测，并使智能骨料传感器具有温度补偿功能；

34、4)利用耦合贴片天线的谐振特性，采用了微带线偏心馈电以激发辐射贴片、移动辐射贴片、耦合辐射贴片的多阶谐振频率，通过对多阶谐振频率的测量和解耦可以实现对混凝土内部水平向应变、竖向应变和温度变化的传感；

35、5)采用保护层、防水涂层、水泥基保护层等封装保护结构可以有效保护智能骨料内部的传感天线，使其免受混凝土内部侵蚀性环境等影响，且封装保护结构可以使智能骨料具有良好的受力性能；

36、6)在辐射贴片与耦合辐射贴片之间采用具有一定弹性模量的高分子弹性材料作为支撑，可在智能骨料受力情况下改变辐射贴片与耦合辐射贴片之间的距离进而改变其耦合谐振频率；

37、7)通过射频识别芯片存储智能骨料编号和混凝土内部埋置位置等信息，该信息可由阅读器捕获，进而实现对智能骨料的快速定位；

38、8)基于耦合贴片天线多阶谐振频率的偏移与多监测变量在固定范围内对应关系，可以实现单一传感单元对混凝土内部多种不同变量的监测，尤其适合于对混凝土内部不同方向应变的监测，具有较强的适用性。