本發(fā)明涉及一種金屬構(gòu)件表面應(yīng)變的測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前常用的應(yīng)變傳感器有電阻式應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計和布拉格光柵傳感器。電阻式應(yīng)變片可以將應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，并通過電橋進一步轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化；振弦式應(yīng)變計利用弦的共振頻率與應(yīng)變的關(guān)系來進行應(yīng)變測量；布拉格光柵傳感器的原理是是基于光纖光柵布拉格波長的漂移理論。這些應(yīng)變傳感器具有自身的優(yōu)點，在實際工程應(yīng)用中可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的應(yīng)變傳感器，但它們也具有無法克服的缺點：傳感器布置和信號采集采用有線的方式，作業(yè)復(fù)雜、引線眾多、采集設(shè)備價格不菲，盡管目前采用一些如Zigbee、Wifi等無線通信方式進行了改善，但還不能從根本上克服這一缺點；在信號采集過程中需要實時的電源供電，而結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷災(zāi)害時可能發(fā)生供電失效的問題，導(dǎo)致信號采集系統(tǒng)無法獲得災(zāi)害發(fā)生時的數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述方案的不足，本發(fā)明公開一種用于測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變的標(biāo)簽、測量系統(tǒng)及其應(yīng)用方法。

為突破傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器中有源、有線的限制，本發(fā)明利用無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)為應(yīng)變傳感器的設(shè)計提供了一種新思路，可以實現(xiàn)無需外部有線電源、非接觸式的應(yīng)變測量。

技術(shù)方案一

本發(fā)明用于測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變測量的RFID系統(tǒng)，該系統(tǒng)由閱讀器8和用于測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變的標(biāo)簽10組成,

其中用于測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變的標(biāo)簽10固定于被測金屬構(gòu)件1，標(biāo)簽10包含RFID天線、芯片2。所述的RFID天線包括上輻射貼片31、下輻射貼片32、介質(zhì)板4、匹配線5，標(biāo)簽10通過RFID天線的下輻射貼片32粘結(jié)于所述被測金屬構(gòu)件1的金屬表面，所述芯片2通過匹配線5與所述的上輻射貼片31、下輻射貼片32連接。

在應(yīng)變測量中，所述標(biāo)簽10上的RFID天線起到傳感單元的作用。當(dāng)標(biāo)簽10經(jīng)歷變形時，天線的尺寸會發(fā)生變化，其諧振頻率會發(fā)生漂移；RFID閱讀器8通過其天線9檢測RFID標(biāo)簽10的諧振頻率漂移，并計算出被測金屬構(gòu)件1上的天線經(jīng)歷的應(yīng)變。

進一步細化技術(shù)方案，所述RFID天線還包括導(dǎo)電膠6，下輻射貼片32粘結(jié)于所述被測金屬構(gòu)件1的金屬表面采用所述導(dǎo)電膠6實現(xiàn)。

RFID式應(yīng)變傳感器的性能與標(biāo)簽上天線的種類有關(guān)，對標(biāo)簽上的天線進行優(yōu)化設(shè)計可以減小傳感器的尺寸并提高其靈敏度。例如，采用二分之一波長矩形貼片天線或四分之一波長矩形貼片天線。

進一步優(yōu)化，與二分之一波長矩形貼片天線相比，本發(fā)明將二分之一波長矩形貼片天線改為四分之一波長矩形貼片天線作為優(yōu)選的實施方式，從而可以將傳感器尺寸縮小一半或?qū)鞲衅鞯撵`敏度提高一倍。本發(fā)明制作四分之一波長矩形貼片天線，可采用以下任意一種方式實現(xiàn)：

1.在二分之一波長矩形貼片天線一端打若干過孔，并在過孔臂上涂導(dǎo)電材料將上下輻射貼片短路；

2.在天線一側(cè)添加側(cè)向短路壁將上下輻射貼片短路，可將二分之一波長矩形貼片天線變?yōu)樗姆种徊ㄩL矩形貼片天線；

3.也可在利用焊接技術(shù)將矩形貼片天線與金屬構(gòu)件表面連接以替代用導(dǎo)電膠將矩形貼片天線粘貼在金屬構(gòu)件表面。(為最優(yōu)實施方式)

技術(shù)方案二

一種用于測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變的標(biāo)簽10，固定于被測金屬構(gòu)件1，標(biāo)簽10包含RFID天線、芯片2。所述的RFID天線包括上輻射貼片31、下輻射貼片32、介質(zhì)板4、匹配線5，標(biāo)簽10通過RFID天線的下輻射貼片32粘結(jié)于所述被測金屬構(gòu)件1的金屬表面，所述芯片2通過匹配線5與所述的上輻射貼片31、下輻射貼片32連接。

技術(shù)方案三

一種用于測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變的應(yīng)用方法，包括如下步驟：

步驟一，利用無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)設(shè)計出應(yīng)變傳感器，用于安裝固定于被測量金屬構(gòu)件表面。所述應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)即為所述標(biāo)簽10的結(jié)構(gòu)。

步驟二，在測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變測量時，為實現(xiàn)將二分之一波長的矩形貼片天線轉(zhuǎn)化為四分之一波長矩形貼片天線，利用焊接技術(shù)，將天線的上輻射貼片和被測金屬構(gòu)件表面通過焊縫相連，使矩形貼片天線上下輻射貼片短路，形成四分之一波長矩形貼片天線。

步驟三，RFID閱讀器以不同的頻率向RFID標(biāo)簽發(fā)射調(diào)制過的電磁波信號，當(dāng)RFID標(biāo)簽接收到的信號功率達到閾值時，RFID標(biāo)簽中的芯片即可被激活。激活標(biāo)簽所需要的閱讀器最小發(fā)射功率P_min(f)與閱讀器所發(fā)射信號頻率f有關(guān)，當(dāng)閱讀器以RFID標(biāo)簽中矩形貼片天線諧振頻率發(fā)射信號時f_R，激活標(biāo)簽所需的最小發(fā)射功率P_min(f_R)最小。通過尋找使最小發(fā)射功率達到最小值的發(fā)射頻率，即可確定出RFID標(biāo)簽中天線的諧振頻率f_R。

步驟四，當(dāng)天線經(jīng)歷應(yīng)變時，其諧振頻率漂移，當(dāng)天線在長度方向上經(jīng)歷應(yīng)變ε時，諧振頻率f_R將會應(yīng)變呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，給出如下公式所示

式中c是真空中的光速，ε_e是介質(zhì)板的相對介電常數(shù)，L是上輻射貼片長度，f_RO是天線在初始應(yīng)變狀態(tài)下的諧振頻率。通過確定諧振頻率漂移量，可以計算出標(biāo)簽所經(jīng)歷的應(yīng)變。

1.本發(fā)明適用于測量具有導(dǎo)電性的金屬構(gòu)件表面的應(yīng)變，包括但不限于鋼結(jié)構(gòu)、鋁結(jié)構(gòu)。

2.須將二分之一波長的矩形貼片天線用導(dǎo)電膠將其與粘貼于金屬表面或與金屬表面焊接，導(dǎo)電膠包括但不限于LED導(dǎo)電銀膠等。

3.利用焊縫天線的上輻射貼片與金屬表面連接，焊劑包括但不限于銅鋁藥芯焊絲。

4.保障上述所有連接導(dǎo)電性能良好。

技術(shù)方案帶來的有益效果：

1.相比二分之一波長矩形貼片天線作為傳感器的傳感單元，采用四分之一波長矩形貼片天線，可減小傳感器尺寸或提高傳感器靈敏度；

2.采用焊接方法進行短路，使得應(yīng)變傳感器比較牢固，不易損壞；

5.原有方案需要在天線加工廠才能加工，本方案放寬了加工限制，可在普通環(huán)境加工。

附圖說明

圖1為整個系統(tǒng)示意圖。

圖2為優(yōu)選實施例的標(biāo)簽示意圖。

被測金屬構(gòu)件1、芯片2、上輻射貼片31、下輻射貼片32、介質(zhì)板4、匹配線5、導(dǎo)電膠6、焊縫7、閱讀器8、閱讀器天線9、用于測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變的標(biāo)簽10

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案做一步介紹。

實施例

本發(fā)明系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽和RFID閱讀器組成。RFID標(biāo)簽通過導(dǎo)電膠貼在被測金屬構(gòu)件表面，在RFID標(biāo)簽中，以通過焊縫短路的四分之一波長矩形貼片天線作為傳感單元，當(dāng)被測金屬構(gòu)件表面經(jīng)歷應(yīng)變時，貼片天線尺寸發(fā)生變化引起諧振頻率漂移；芯片中攜帶標(biāo)簽的編碼信息，利用RFID閱讀器向標(biāo)簽發(fā)射調(diào)制的電磁波信號，可以識別該標(biāo)簽的編碼，當(dāng)RFID閱讀器掃描范圍布置多個RFID標(biāo)簽時，閱讀器可以根據(jù)各標(biāo)簽的編碼，標(biāo)記各測點的應(yīng)變值。

該系統(tǒng)所使用的RFID經(jīng)過特殊設(shè)計，其測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變原理如下：RFID閱讀器以不同的頻率向RFID標(biāo)簽發(fā)射調(diào)制過的電磁波信號，當(dāng)RFID標(biāo)簽接收到的信號功率達到閾值時，RFID標(biāo)簽中的芯片即可被激活。激活標(biāo)簽所需要的閱讀器最小發(fā)射功率P_min(f)與閱讀器所發(fā)射信號頻率f有關(guān)，當(dāng)閱讀器以RFID標(biāo)簽中矩形貼片天線諧振頻率發(fā)射信號時f_R，激活標(biāo)簽所需的最小發(fā)射功率P_min(f_R)最小。通過尋找使最小發(fā)射功率達到最小值的發(fā)射頻率，即可確定出RFID標(biāo)簽中天線的諧振頻率。

當(dāng)天線經(jīng)歷應(yīng)變時，其諧振頻率漂移，當(dāng)天線在長度方向上經(jīng)歷應(yīng)變ε時，諧振頻率f_R將會應(yīng)變呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，給出如下公式所示

式中c是真空中的光速，ε_e是介質(zhì)板的相對介電常數(shù)，L是上輻射貼片長度，f_RO是是天線在初始應(yīng)變狀態(tài)下的諧振頻率。通過確定諧振頻率漂移量，可以計算出標(biāo)簽所經(jīng)歷的應(yīng)變。

最優(yōu)實施例

旨在提供一種簡單可靠，方便加工，實用經(jīng)濟的將二分之一波長的矩形貼片天線短路，制成四分之一波長的矩形貼片天線，用于測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變。

在測量金屬構(gòu)件表面應(yīng)變測量時，為實現(xiàn)將二分之一波長的矩形貼片天線轉(zhuǎn)化為四分之一波長矩形貼片天線，本發(fā)明技術(shù)方案先將二分之一波長的矩形貼片天線用導(dǎo)電膠粘貼在被測金屬構(gòu)件表面；再利用焊接技術(shù)，將天線的上輻射貼片和被測金屬構(gòu)件表面通過焊縫7相連。保障導(dǎo)電膠及焊縫導(dǎo)電性能良好，即可使矩形貼片天線上下輻射貼片短路，形成四分之一波長矩形貼片天線。