CN113252080B - 基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，包括连接板组件、固定基板、设置于固定基板下表面的第一下辐射贴片、分别设置于基板上表面的上辐射贴片、射频识别芯片和微带线，以及设置于固定基板上表面的移动基板和设置于移动基板下表面的第二下辐射贴片，所述的连接板组件与移动基板刚性连接，所述的第二下辐射贴片与上辐射贴片部分重叠贴合形成短接，共同组成组合式贴片天线，且第二下辐射贴片能够与上辐射贴片之间发生相对位移，所述的射频识别芯片通过微带线与上辐射贴片连接，且与上辐射贴片连接的点设置于偏离上辐射贴片中心线的位置，与现有技术相比，本发明具有降低结构形变温度监测成本等优点。

Description

基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器和系统

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，尤其是涉及一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器和系统。

背景技术

土木工程结构在长期使用过程中，由于受到外界环境及荷载等因素的作用，往往会发生一定退化，产生应力变形及开裂等，为结构的安全可靠运行埋下隐患，严重时甚至造成结构的破坏和失效。因此，在结构的整个生命周期内，需要对结构状态相关的物理量(位移、应变、加速度等)和环境变化(温度、湿度)等进行监测，以便及时了解结构的服役状态，保证结构的安全可靠使用。

目前，用于结构健康监测的传感技术和传感器发展迅速，如基于压电阻抗、声发射、光纤等传感技术的不同形式的传感器。这些传感器通常具有分辨率高、稳定性好等优点，但是大部分仍需要持续的电源供应，以及采用有线的方式进行采集信号的传输，这都会导致监测系统布线复杂、安装费时、费力且成本高昂，难以维护。此外，传统的传感器通常只针对某一特定物理量变化进行监测，难以实现单一传感器对多种变量的同时监测，这也限制了这些传感器在结构健康监测中的应用。

发明内容

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一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器和系统，解决传统传感器需要有线进行信号传输和能源供应的问题，并实现单一传感器对多种物理量变化的同步监测。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，包括连接板组件、固定基板、设置于固定基板下表面的第一下辐射贴片、分别设置于固定基板上表面的上辐射贴片、射频识别芯片和微带线，以及设置于固定基板上表面的移动基板和设置于移动基板下表面的第二下辐射贴片，所述的连接板组件与移动基板刚性连接，所述的第二下辐射贴片与上辐射贴片部分重叠贴合形成短接，共同组成组合式贴片天线，且第二下辐射贴片能够与上辐射贴片之间发生相对位移，所述的射频识别芯片通过微带线与上辐射贴片连接，且与上辐射贴片连接的点设置于偏离上辐射贴片中心线的位置；

使用时，所述的连接板组件和固定基板粘贴于结构表面；

当结构表面发生形变时，所述的第二下辐射贴片与上辐射贴片之间发生相对位移，改变组合式贴片天线整体长度，引起组合式贴片天线纵向谐振频率改变；当环境温度发生改变时，所述的固定基板和移动基板的介电常数均发生变化，所述的第二下辐射贴片和上辐射贴片的长度和宽度均发生变化，改变组合式贴片天线整体的长度和宽度，引起组合式贴片天线纵向谐振频率和横向谐振频率改变，实现结构形变和温度的同步采集。

进一步地，所述的第二下辐射贴片与上辐射贴片的宽度相等。

进一步地，所述的连接板组件包括连接板和连接线，所述的连接线两端分别与移动基板和连接板刚性连接，使用时，所述的连接板粘贴于结构表面。

进一步地，所述的第一下辐射贴片完全覆盖固定基板的下表面。

优选地，所述的第一下辐射贴片和上辐射贴片分别通过电镀贴合于固定基板上，所述的第二下辐射贴片通过电镀贴合于移动基板上，所述的射频识别芯片通过焊接设置于固定基板上，并通过导电胶或焊接与微带线连接。

优选地，所述的第一下辐射贴片和上辐射贴片、第二下辐射贴片的材质均为铜，所述的固定基板和移动基板均采用RT5880介质板。

一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测系统，包括相互通信连接的传感器和阅读器，所述的传感器为如上所述的基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器；

该系统工作时，所述的阅读器发射电磁波信号激活传感器的射频识别芯片，分别检测组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率，获取结构表面形变和环境温度变化，实现对结构形变和温度的同步监测。

进一步地，所述的阅读器包括相互连接的无线收发模块、控制模块、调制解调模块和数字处理模块，所述的无线收发模块和调制解调模块用于发射电磁波信号并检测组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率，所述的数字处理模块用于确定横向谐振频率和纵向谐振频率的偏移量，并根据预设的谐振频率与结构表面形变和环境温度变化的关系，计算出结构表面形变量和环境温度变化量。

进一步地，所述的阅读器检测横向谐振频率和纵向谐振频率时，首先发射不同频率的调制电磁波信号激活射频识别芯片，并寻找在能够激活射频识别芯片的情况下，信号发射功率达到最小值时阅读器发射的调制电磁波信号的频率，最终确定组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率。

进一步地，当射频识别芯片被激活后，所述的组合式贴片天线产生电流并发射出包含标签编号和位置信息的电磁波信号，所述的阅读器接收并处理该电磁波信号，获取传感器的位置定位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明设计的组合式贴片天线中，上辐射贴片、第二下辐射贴片以及基板电介质等构成一个谐振系统，上辐射贴片和第二下辐射贴片组成可以相对移动的组合式贴片天线，同时射频识别芯片与组合式贴片天线通过微带线相连，微带线并不处于辐射贴片的中心线处，采用了偏心馈电的方式，以激发辐射贴片两个方向的谐振模式，以天线的横向和纵向谐振频率作为参数表征结构形变和温度变化，传感器的谐振频率的偏移与监测变量在固定范围内有较为明确的关系，可以实现单一传感器对多个变量的同步监测，具有较强的适用性；

2)本发明将结构形变和温度变化对组合式贴片天线横向和纵向谐振频率的影响进行解耦，通过组合式贴片天线横向和纵向谐振频率的偏移量表征结构形变和温度变化，实现对结构形变和温度的同步监测；

3)本发明阅读器和射频识别芯片配合，可以通过无线方式测量传感器的谐振频率，通过电磁波进行信息传输，不需要线缆，同时通过电磁波激活传感器使其工作，不需要额外的电源为传感系统提供能量，实现传感器的无源无线监测，使传感系统更加简单，布置更加灵活，在自然灾害下更不容易失效，大大减少了传感器安装的劳动力以及传感系统的成本；

4)本发明中组合式贴片天线传感器的天线本身并不受到应力的作用，可以避免在结构形变监测过程中受到剪力滞后和应变传递效率的影响，使测量结果更准确，同时传感器所连接芯片可以存储组合式贴片天线的ID、位置等简单信息，进而实现对传感器的快速定位。

附图说明

图1为本发明传感器结构示意图；

图2为固定基板组件结构示意图；

图3为移动基板组件结构示意图；

图4为连接板组件结构示意图；

图5为本发明系统结构示意图。

1、固定基板，2、第一下辐射贴片，3、上辐射贴片，4、射频识别芯片，5、微带线，6、移动基板，7、第二下辐射贴片，8、连接线，9、连接板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图5所示，本发明公开了一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测系统，可降低结构形变和温度监测成本，实现对结构形变和温度的无源无线监测，包括相互通信连接的传感器和阅读器10，传感器为基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，如图1-图4所示，包括固定基板组件、移动基板组件和连接板组件。

固定基板组件包括固定基板1、设置于固定基板1下表面的第一下辐射贴片2、分别设置于固定基板1上表面的上辐射贴片3、射频识别芯片4和微带线5；移动基板组件包括设置于固定基板1上表面的移动基板6和设置于移动基板6下表面的第二下辐射贴片7；连接板组件包括连接板9以及两端分别与移动基板6和连接板9刚性连接的连接线8。

第二下辐射贴片7与上辐射贴片3的宽度相等，第二下辐射贴片7与上辐射贴片3部分重叠贴合形成短接，共同组成组合式贴片天线，且第二下辐射贴片7能够与上辐射贴片3之间发生相对位移，射频识别芯片4通过微带线5与上辐射贴片3连接，且与上辐射贴片3连接的点设置于偏离上辐射贴片3中心线的位置，第一下辐射贴片2完全覆盖固定基板1的下表面；使用时，固定基板1和连接板9粘贴于结构表面。微带线5并不处于上辐射贴片3的中心线处，而是偏离一定的距离，以激发上辐射贴片3两个方向的谐振模式。

当结构表面发生形变时，第二下辐射贴片7与上辐射贴片3之间发生相对位移，改变组合式贴片天线整体长度，引起组合式贴片天线纵向谐振频率改变；当环境温度发生改变时，固定基板1和移动基板6的介电常数均发生变化，第二下辐射贴片7和上辐射贴片3的长度和宽度均发生变化，改变组合式贴片天线整体的长度和宽度，引起组合式贴片天线纵向谐振频率和横向谐振频率改变，实现结构形变和温度的同步采集。

具体地：

在结构形变监测中，连接线8与连接板9起到传感单元的作用，当结构发生形变时，连接板组件固定于结构表面的接触点与固定基板组件固定点之间发生相对位移，并通过连接板9和连接线8将该相对位移传递至移动基板6和第二下辐射贴片7，使其与固定基板组件的上辐射贴片3之间发生相对错动。

第二下辐射贴片7与上辐射贴片3之间紧密贴合，形成组合式贴片天线，该组合式贴片天线的纵向谐振频率与两辐射贴片之间的重合长度有关，重合长度增加时，纵向谐振频率降低；重合长度减少时，纵向谐振频率增加。

在环境温度监测中，温度的变化会引发固定基板1与移动基板6介电常数的变化。并且受温度变化的影响，固定基板1与辐射贴片3、移动基板6与第二下辐射贴片7均会发生协同变形，使组合式贴片天线的尺寸发生变化。其中组合式贴片天线横向尺寸的变化会引起横向谐振频率的改变，纵向尺寸的变化会引起纵向谐振频率的改变。

本实施例中，第一下辐射贴片2和上辐射贴片3分别通过电镀贴合于固定基板1上，第二下辐射贴片7通过电镀贴合于移动基板6上，射频识别芯片4通过焊接设置于固定基板1上，并通过导电胶或焊接与微带线5连接，第一下辐射贴片2和上辐射贴片3、第二下辐射贴片7的材质均为铜，固定基板1和移动基板6均采用RT5880介质板，连接线8和连接板9均选用介电常数接近1的刚性材料，以减少对固定基板组件、移动基板组件共同构成的天线电磁场的影响。

该系统工作时，阅读器10发射电磁波信号激活传感器的射频识别芯片4，分别检测组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率，获取结构表面形变和环境温度变化，实现对结构形变和温度的同步监测。

阅读器10可以无线测量组合式贴片天线传感器的横向和纵向谐振频率，包括相互连接的无线收发模块、控制模块、调制解调模块和数字处理模块，其中无线收发模块、调制解调模块皆属于本领域通用的已知技术，不是本申请的创新点。

无线收发模块和调制解调模块用于发射电磁波信号并检测组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率，数字处理模块用于确定横向谐振频率和纵向谐振频率的偏移量，并根据预设的谐振频率与结构表面形变和环境温度变化的关系，计算出结构表面形变量和环境温度变化量。控制模块用于控制监测传感系统阅读器，并向传感器发射不同频率的调制电磁波信号。通过无线收发模块、调制解调模块，阅读器10可以检测所述基于组合式贴片天线传感器的谐振频率偏移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出结构形变状态与温度变化，进而实现对结构形变及温度的同步监测。传感器通过微带线5与射频识别芯片4相连，当传感器接收到的信号功率达到阈值时，射频识别芯片4即可被激活工作。

阅读器10检测横向谐振频率和纵向谐振频率时，首先发射不同频率的调制电磁波信号激活射频识别芯片4，并寻找在能够激活射频识别芯片4的情况下，信号发射功率达到最小值时阅读器10发射的调制电磁波信号的频率，最终确定组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率。

当射频识别芯片4被激活后，组合式贴片天线产生电流并发射出包含标签编号和位置信息的电磁波信号，阅读器10接收并处理该电磁波信号，获取传感器的位置信息等，实现传感器的位置定位，射频识别芯片4中携带传感器的编码信息，利用阅读器10向传感器发射调制的电磁波信号，可以识别该传感器的编码，当阅读器扫描范围布置多个传感器时，阅读器可以根据各传感器的编码，标记各处结构表面的形变值与温度。

激活传感器芯片所需的阅读器最小信号发射频率与阅读器所发射电磁波信号的频率有关，当阅读器以组合式贴片天线的横向和纵向谐振频率发射信号时，激活传感器芯片所需的发射功率会出现明显的降低，通过寻找使阈值发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出组合式贴片天线传感器的横向和纵向谐振频率。

数字处理模块通过寻找使传感器芯片激活时信号发射功率达到最小值的阅读器电磁波发射频率，即可确定出组合式贴片天线传感器中天线的横向和纵向谐振频率。

当结构表面发生形变或环境温度发生变化，组合式贴片天线传感器整体天线辐射贴片尺寸和基板介电常数均会发生变化，使其横向和纵向谐振频率偏移。通过该监测传感系统可以确定横向和纵向谐振频率偏移量，从而得出结构表面形变和环境温度的变化量，实现对结构形变和温度的同步监测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，其特征在于，包括连接板组件、固定基板(1)、设置于固定基板(1)下表面的第一下辐射贴片(2)、分别设置于固定基板(1)上表面的上辐射贴片(3)、射频识别芯片(4)和微带线(5)，以及设置于固定基板(1)上表面的移动基板(6)和设置于移动基板(6)下表面的第二下辐射贴片(7)，所述的连接板组件与移动基板(6)刚性连接，所述的第二下辐射贴片(7)与上辐射贴片(3)部分重叠贴合形成短接，共同组成组合式贴片天线，且第二下辐射贴片(7)能够与上辐射贴片(3)之间发生相对位移，所述的射频识别芯片(4)通过微带线(5)与上辐射贴片(3)连接，且与上辐射贴片(3)连接的点设置于偏离上辐射贴片(3)中心线的位置；

使用时，所述的连接板组件和固定基板(1)粘贴于结构表面；

当结构表面发生形变时，所述的第二下辐射贴片(7)与上辐射贴片(3)之间发生相对位移，改变组合式贴片天线整体长度，引起组合式贴片天线纵向谐振频率改变；当环境温度发生改变时，所述的固定基板(1)和移动基板(6)的介电常数均发生变化，所述的第二下辐射贴片(7)和上辐射贴片(3)的长度和宽度均发生变化，改变组合式贴片天线整体的长度和宽度，引起组合式贴片天线纵向谐振频率和横向谐振频率改变，将结构形变和温度变化对组合式贴片天线横向和纵向谐振频率的影响进行解耦，通过组合式贴片天线横向和纵向谐振频率的偏移量表征结构形变和温度变化，实现对结构形变和温度的同步监测。

2.根据权利要求1所述的一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，其特征在于，所述的第二下辐射贴片(7)与上辐射贴片(3)的宽度相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，其特征在于，所述的连接板组件包括连接板(9)和连接线(8)，所述的连接线(8)两端分别与移动基板(6)和连接板(9)刚性连接，使用时，所述的连接板(9)粘贴于结构表面。

4.根据权利要求1所述的一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，其特征在于，所述的第一下辐射贴片(2)完全覆盖固定基板(1)的下表面。

5.根据权利要求1所述的一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，其特征在于，所述的第一下辐射贴片(2)和上辐射贴片(3)分别通过电镀贴合于固定基板(1)上，所述的第二下辐射贴片(7)通过电镀贴合于移动基板(6)上，所述的射频识别芯片(4)通过焊接设置于固定基板(1)上，并通过导电胶或焊接与微带线(5)连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器，其特征在于，所述的第一下辐射贴片(2)和上辐射贴片(3)、第二下辐射贴片(7)的材质均为铜，所述的固定基板(1)和移动基板(6)均采用RT5880介质板。

7.一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测系统，其特征在于，包括相互通信连接的传感器和阅读器(10)，所述的传感器为如权利要求1-6任一项所述的基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测传感器；

该系统工作时，所述的阅读器(10)发射电磁波信号激活传感器的射频识别芯片(4)，分别检测组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率，获取结构表面形变和环境温度变化，实现对结构形变和温度的同步监测。

8.根据权利要求7所述的一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测系统，其特征在于，所述的阅读器(10)包括相互连接的无线收发模块、控制模块、调制解调模块和数字处理模块，所述的无线收发模块和调制解调模块用于发射电磁波信号并检测组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率，所述的数字处理模块用于确定横向谐振频率和纵向谐振频率的偏移量，并根据预设的谐振频率与结构表面形变和环境温度变化的关系，计算出结构表面形变量和环境温度变化量。

9.根据权利要求7所述的一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测系统，其特征在于，所述的阅读器(10)检测横向谐振频率和纵向谐振频率时，首先发射不同频率的调制电磁波信号激活射频识别芯片(4)，并寻找在能够激活射频识别芯片(4)的情况下，信号发射功率达到最小值时阅读器(10)发射的调制电磁波信号的频率，最终确定组合式贴片天线的横向谐振频率和纵向谐振频率。

10.根据权利要求7所述的一种基于组合贴片天线的结构形变温度同步监测系统，其特征在于，当射频识别芯片(4)被激活后，所述的组合式贴片天线产生电流并发射出包含标签编号和位置信息的电磁波信号，所述的阅读器(10)接收并处理该电磁波信号，获取传感器的位置定位。

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