面向金屬裂紋深度檢測的無源RFID標簽天線傳感器*

文 豪, 李 強, 趙 亮, 陳建彬

(西南科技大學 信息工程學院,四川 綿陽 621010)

0 引 言

隨著工業物聯網的蓬勃發展,結構健康監測(structural health monitoring,SHM)以及無損檢測(non-destructive testing,NDT)在工業上的應用也變得更為廣泛,及時且準確地對金屬結構健康狀況進行檢測變得尤為重要[1]。將結構健康監測系統分為有線或無線技術兩類進行討論,其中有線測量具有測量精度高、分辨率高的優點。但有線測量存在部署困難的問題[2]。相比較而言，無線傳感器無接觸測量,可以避免部署困難的問題。其中無線無源傳感器擺脫了電池的限制,可以從環境中獲取能量,能夠增加傳感器的服役時間,消除了后期因為更換電池而產生的人工成本。同時無線無源傳感器一般具有更簡易的電路結構,可以降低制作成本[3]。

國內外對射頻識別(radio frequency identification,RFID)技術應用于金屬結構健康監測領域進行了研究。康文芳等人[4]基于微帶天線設計了應用于檢測金屬裂紋寬度變化的無源RFID標簽天線,通過矢量網絡分析儀,能夠檢測到金屬裂紋亞毫米級的變化。Yi X等人[5]提出了一種隨物體結構變化而變化的標簽天線,使用標簽天線的激活功率來判斷物體結構的應變以及裂紋的增長。Caizzone S等人[6]提出了一種用于檢測金屬裂紋的標簽天線,將兩個天線固定在裂紋的兩端,通過標簽天線的相位信息來判斷裂紋寬度的變化。Xu X等人[7]提出的一種多標簽天線復用的測量方式,設計了特定的閱讀器，通過標簽天線功率的變化來檢測裂紋長度以及方向的變化

本文設計了一種用于檢測金屬表面裂紋深度的無源RFID標簽天線傳感器。采用底部接地面開槽的方式,實現表征金屬裂紋深度變化的目的。同時,采用普通商用RFID閱讀器來獲取標簽天線傳感器性能的變化,實現了對金屬結構健康狀況進行檢測的功能。

1 標簽天線傳感器設計與仿真

1.1 標簽設計原理

標簽識別距離是衡量標簽性能的重要指標之一。通常使用弗里斯(Friis)公式(1)來確定標簽的最大讀取距離[8]

(1)

式中Pchip為標簽芯片的靈敏度,通常標簽芯片靈敏度在芯片出廠時已經確定。Dmax為最大標簽天線的最大識別距離,Pr為閱讀器的發射功率,Gr為閱讀器天線增益,Ga為標簽天線增益。其中，τ為標簽天線與芯片之間的功率傳輸系數。由式(1)可以看出當τ值越大時,標簽的識別距離也會越大,其具體公式可寫為[9]

τ=1-|Γm|2

(2)

(3)

1.2 標簽結構設計

本文提出的無源RFID標簽天線傳感器將應用于檢測金屬表面裂紋的深度變化,因此首先要求該標簽傳感器具有良好的抗金屬性能。綜合考慮采用微帶天線的結構實現標簽的抗金屬性能,微帶天線以及PIFA天線底部接地面會覆銅,具有良好的抗金屬性能,同時制作微帶天線的工藝簡單,制作成本低,非常適合用于表征金屬裂紋的深度變化。

設計用于表征金屬裂紋深度變化的無源RFID標簽天線傳感器,使用FR4材料作為介質基板,其整體模型如圖1所示,該模型為標簽天線傳感器放置在金屬表面產生裂紋的正上方。標簽天線傳感器總體尺寸為33 mm×33 mm×1.6 mm,在標簽天線表面進行曲流開槽,以達到標簽天線小型化的目的。同時在標簽天線傳感器底部接地面進行開槽設計,開槽后,標簽天線底部接地面會形成斷路狀態。當標簽天線放置金屬表面上后,金屬表面會充當導體的作用,將標簽天線底部接地面連接。當標簽天線傳感器放置于金屬表面裂紋正上方時,隨著金屬裂紋深度的增加,標簽天線傳感器的有效電長度會改變,從而引起標簽天線傳感器整體性能的變化,最終達到表征裂紋深度變化的目的。

圖1 標簽天線傳感器整體結構

1.3 標簽天線傳感器性能仿真

利用HFSS軟件對標簽傳感器天線進行仿真,如圖2(a)所示隨著裂紋深度增加,標簽天線傳感器表面電流密度變大。圖2(b)所示,隨著裂紋深度的增加,標簽天線傳感器的電阻逐漸增大,圖2(c)所示,隨著裂紋深度的增加,標簽天線傳感器的電抗的逐漸增大。

圖2 標簽天線傳感器性能仿真

從仿真結果可以看出,金屬裂紋深度的增加會引起標簽天線傳感器的阻抗變化。當阻抗變化后,標簽天線傳感器的整體性能會發生改變,其中隨著裂紋深度的增加,標簽天線傳感器的諧振頻率將向低頻偏移。

2 無源RFID標簽天線傳感器實驗驗證

2.1 天線測試原理

在標簽天線傳感測試系統中,根據1.3節可知,裂紋深度的改變會導致標簽天線阻抗值的變化,從而改變了標簽天線的電特性。閱讀器會發出連續的電磁波(詢問信號),然后閱讀器能夠讀取到標簽返回的反向散射信號強度、相位等信息[10]。反向散射信號強度的大小由標簽本身的性能所決定,當標簽天線本身性能隨著裂紋深度而發生改變時,反向散射信號強度的大小也會隨之改變,通過提取其中的特征,能夠用于表征金屬表面裂紋深度的變化。

影響天線測量的因素包括閱讀器天線與標簽天線傳感器的距離,閱讀器天線與標簽天線的相對位置,以及測試環境因素等。因此,在測量不同裂紋深度對標簽天線傳感器性能影響時,需要消除其他能夠對標簽性能產生影響的因素[11]。

2.2 天線測試系統搭建

為實際測量標簽天線傳感器表征金屬裂紋深度變化的效果,制作標簽天線傳感器實物如圖3(a)所示,搭建測試系統如圖3(b)所示,該測試系統采用Mercury6(M6)閱讀器連接增益為6 dB的讀器天線來讀取標簽天線傳感器返回的反向散射信號強度,同時,為了消除其他的影響因素,固定閱讀器天線與標簽天線傳感器的距離。天線測試系統將會在902～928 MHz的工作頻率下進行。閱讀器的最大發射功率為31 dBm。

圖3 標簽天線傳感器實物測試

用于被檢測的金屬缺陷樣品如圖4所示,該金屬缺陷樣品表面裂紋的寬度W統一為3 mm,各個樣品的裂紋深度分別從1～4 mm,以1 mm為間隔,共有5個缺陷樣品。測試時需要將標簽天線傳感器底部開槽位置對準金屬裂紋位置放置,以保證標簽天線傳感器能夠準確測量。

圖4 金屬缺陷樣品實物

2.3 無源RFID標簽天線傳感器性能測試

當金屬表面無裂紋時,閱讀器所測得傳感器反向散射接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)變化情況如圖5(a)所示,從圖5(a)中可以看出,當金屬表面無裂紋時,隨著工作頻率的升高,RSSI逐漸升高,當標簽天線傳感器工作頻率越靠近諧振頻率時,傳感器的RSSI值將會越大。因此,可以判斷標簽天線傳感器的諧振頻率在928 MHz以上。當金屬表面產生裂紋之后,且裂紋的深度為1 mm,標簽天線傳感器的RSSI的變化情況如圖5(b)所示。由圖可知,當金屬表面裂紋深度為1 mm時,通過RSSI的變化情況,判斷標簽天線傳感器的諧振頻率向低頻移動。通過以上結果可以看出,當金屬表面產生裂紋以后,標簽天線傳感器的諧振頻率會往低頻偏移,與仿真結果一致。證明研究的標簽天線傳感器能夠用于表征金屬裂紋深度的變化。

圖5 金屬表面有無裂紋情況對比

以下分析無源RFID標簽天線傳感器對金屬裂紋深度的表征能力,將傳感器的工作頻率設定為906～913 MHz,圖6為傳感器RSSI隨金屬裂紋深度變化的關系。由圖6可知,金屬表面裂紋深度每增加1 mm,RSSI在工作頻段內至少有1 dBm的變化。證明研究的標簽天線傳感器在表征金屬裂紋深度方面能夠達到毫米級的精度,適用于高精度的金屬表面裂紋檢測。

圖6 傳感器RSSI值與金屬表面裂紋深度的關系

3 結 論

本文將標簽天線技術應用于金屬結構健康監測領域,研究了用于檢測金屬裂紋深度變化的無源標簽天線傳感器。分析金屬表面裂紋深度變化與無源標簽天線傳感器性能變化的關系,隨著金屬表面裂紋深度的增加,無源標簽天線傳感器的諧振頻率向低頻移動。搭建標簽天線檢測系統,對該標簽天線傳感器的檢測能力進行測試。結合標簽天線傳感器的RSSI進行分析,該標簽天線傳感器檢測精度可達到毫米級。研究提供了一種可靠性更高,測量方式更簡便,測量速度更快,測量精度高的裂紋檢測傳感器,該傳感器給金屬結構無損檢測領域提供了新的解決方法,具有重要的實際應用價值。