用于金屬裂紋寬度和深度檢測的無芯片ＲＦＩＤ 傳感器

摘 要：為實現無線檢測金屬結構裂紋的寬度和深度，設計了一款無芯片射頻識別（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＦＩＤ） 金屬裂紋傳感器。該設計采用開口環諧振器（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，ＳＲＲ）、電耦合ＬＣ 諧振器（ＥＬＣ 諧振器） 作為主要傳感單元，在２ ～ ４． ５ ＧＨｚ 的工作頻帶內實現雙諧振。利用雙諧振頻率ｆ１ 和ｆ２ 在裂紋寬度和深度檢測中的差異性，獲得金屬裂紋的寬度和深度信息。仿真和實測結果表明，增大裂紋寬度時，諧振頻率ｆ１ 和ｆ２ 同時減小，增大裂紋深度時，ｆ２減小而ｆ１ 幾乎不變。在實際測量中，ｆ１ 對寬度檢測的靈敏度達到８２． ５ ＭＨｚ ／ ｍｍ，２ ｍｍ 樣本的相對誤差在３％ 以內。ｆ２ 對深度檢測的靈敏度達到５０ ＭＨｚ ／ ｍｍ，１ ｍｍ 和３ ｍｍ 樣本的相對誤差分別在２０％ 和６． ７％ 以內，驗證了傳感器檢測毫米級裂紋寬度和深度的可行性。

關鍵詞：無芯片射頻識別；金屬裂紋；開口環諧振器；電耦合ＬＣ 諧振器

中圖分類號：ＴＰ２１２ 文獻標志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）１２－２９５９－０６

０ 引言

金屬材料受到惡劣環境的影響會產生裂紋，可能造成重大的人員傷亡和經濟損失。因此，對金屬結構的健康狀況進行檢測變得尤為重要［１］。國內外對金屬裂紋檢測主要采用無損檢測（ＮｏｎＤｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ，ＮＤＴ）技術，包括渦流檢測［２］、超聲波檢測［３］、磁粉檢測［４］和微波檢測［５－６］。但上述幾種檢測方法的成本高、操作復雜耗費人力。使用微波傳感器檢測裂紋傳統上是用有線的方式測量，通過相位［７］、幅值［８］和諧振頻率［９－１０］的變化反映金屬裂紋的變化。

近年來為了提高檢測的靈活性，使傳感器具有無線無源等優點，無芯片射頻識別（Ｒａｄｉｏ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＦＩＤ）技術逐漸被應用到材料無損檢測中。文獻［１１］提出了無芯片ＲＦＩＤ 的結構健康監測傳感器。使用時域反射（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ ，ＴＤＲ）技術，使得超寬帶天線系統能夠精確定位結構裂紋，但對于裂紋尺寸的計算尚未完善。文獻［１２－１３］將單個圓形貼片天線標簽（Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｐａｔｃｈ Ａｎｔｅｎｎａ，ＣＭＰＡ）作為主要傳感單元，使用線極化波激勵標簽，研究諧振頻率與寬度之間的關系。為提高傳感器可靠性，文獻［１４］在圓形貼片對角邊緣增加２ 個矩形缺口實現極化轉換，通過裂紋對電流路徑的影響，使諧振頻率發生偏移，從而獲得裂紋的寬度和深度信息。由于背景噪聲會干擾可用信號的采集，文獻［１５］采用了主成分分析法應用于無芯片ＲＦＩＤ 傳感器標簽領域，對金屬缺陷實現多參數估計。