CN113391092A - 一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，用于检测待测结构的结构加速度，包括加速度传感器、阅读器、发射天线和数据终端，所述的加速度传感器包括底座和贴片天线，所述的贴片天线包括接地平面、基板、芯片和辐射单元，所述的辐射单元包括辐射贴片和耦合贴片，所述的基板、接地平面和底座依次连接，所述的辐射贴片和芯片设置在基板上，所述的耦合贴片通过振动敏感梁固定在底座上，所述的耦合贴片和辐射贴片之间设有间隔；检测时加速度传感器固定在待测结构上，所述的阅读器通过发射天线收发信号，提取贴片天线的谐振频率，所述的数据终端根据谐振频率计算得到待测结构的结构加速度。与现有技术相比，本发明具有布设简单、成本低、适用性强、可靠性高和使用寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构加速度检测技术，尤其是涉及一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置。
背景技术
加速度信息目前被广泛用于结构抗风和抗震能力标定、飞行器安全性能评估、车祸报警、高压导线舞动等场景中。采集加速度信息一般需要用到加速度传感器，传统的加速度传感器，包括振弦式传感器、电容式传感器、光纤式传感器等，可以对结构的进行动态加速度检测，但是，由于传统传感器采用电缆进行数据传输和能源供给，在复杂的检测环境中，往往会产生极为复杂的布线，需要较高的人力成本，且检测系统故障后较难排除和修复。通过在加速度传感器节点上增添电源供应设备，可以对加速度传感器节点进行无线访问。但是，这些传感器一方面安装较为困难，且较为昂贵，因此，很难应用于常态化、分布式的加速度传感监测系统；另一方面，由于体积较大、占空较多，有源加速度传感器在旋转过程中失效概率较大，很难应用于混凝土埋置式监测和旋转体的加速度监测中，限制了有源加速度传感器的发展。
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耦合贴片天线的结构加速度检测装置，布设简单，成本低，适用性强，可靠性高，使用寿命长。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，用于检测待测结构的结构加速度，包括加速度传感器、阅读器、发射天线和数据终端，所述的加速度传感器包括底座和贴片天线，所述的贴片天线包括接地平面、基板、芯片和辐射单元，所述的辐射单元包括辐射贴片和耦合贴片，所述的基板、接地平面和底座依次连接，所述的辐射贴片和芯片设置在基板上，所述的耦合贴片通过振动敏感梁固定在底座上，所述的耦合贴片和辐射贴片之间设有间隔；
检测时加速度传感器固定在待测结构上，所述的阅读器通过发射天线收发信号，提取贴片天线的谐振频率，所述的数据采集终端根据谐振频率计算得到待测结构沿垂直于振动敏感梁方向上的结构加速度；
所述的贴片天线的谐振频率跟耦合贴片和辐射贴片之间的正对距离有关，由于振动敏感梁具有弹性，当待测结构发生振动时，所述的振动敏感梁发生振动，所述的耦合贴片会随着振动敏感梁振动，此时耦合贴片和辐射贴片之间的距离发生变化，从而改变了贴片天线的谐振频率，此时，通过对贴片天线的谐振频率进行检测和计算，可以表征待测结构此时沿垂直于振动敏感梁方向上的结构加速度；
所述的加速度传感器具有一种无源无线的传感器，不需要通过预装电池或者馈电线进行能量输入，而是通过接收发射天线的电磁波进行能源输入，也不需要额外的馈电线进行数据传输，当待测结构发生振动时，所述的贴片天线的谐振频率发生变化，可以通过阅读器获取谐振频率的改变量，进而推算出短接贴片与辐射贴片的相对错动情况，从而无源无线获得结构的振动加速度信息；
所述的芯片中存储有加速度传感器的对应的编号和位置信息，当布置多个加速度传感器时，便于识别信息来源。
进一步地，所述的底座包括底部连接板以及垂直设置在底部连接板上的侧向支承板。
进一步地，所述的振动敏感梁垂直设置在侧向支承板上，振动敏感梁未发生振动时耦合贴片和辐射贴片平行。
进一步地，所述的侧向支承板和底部连接板粘接。
进一步地，所述的侧向支承板和接地平面粘接。
进一步地，所述的接地平面与底座固定连接。
进一步地，所述的接地平面通过沉金工艺镀在基板上。
进一步地，所述的耦合贴片通过沉金工艺镀在振动敏感梁上。
进一步地，所述的辐射贴片通过沉金工艺镀在基板上。
进一步地，所述的基板的材料为RT5880、RT5870或FR4高频层压板材料。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明贴片天线的谐振频率跟耦合贴片和辐射贴片之间的正对距离有关，当待测结构开始振动时，振动敏感梁由于共振效应随之振动，进而导致耦合贴片与辐射贴片之间的相对位置发生变化，改变了耦合贴片与辐射贴片之间的正对距离，从而改变了贴片天线的谐振频率，阅读器通过发射天线收发电磁波信号，提取贴片天线的谐振频率，数据终端检测谐振频率的漂移，并根据对应关系计算出待测结构沿垂直于振动敏感梁方向的结构加速度，加速度传感器通过电磁波提供能量和信息传输，不需要额外的电源、电源线以及数据传输线，从而避免了繁琐的布线工作，加速度传感器制作成本低，节省了人力和物力；
(2)本发明以贴片天线的谐振频率作为参数测量加速度，受距离和环境噪声等因素的影响小，加速度传感器的适用性强；
(3)本发明加速度传感器无需与待测结构同轴线布设，布设更加灵活，在自然灾害下更不容易失效，可靠性高，加速度传感器体积小，可以作为预制设备与待测结构一同设计和建造，建设起实时监测的网络；
(4)本发明芯片中存储有加速度传感器的对应的编号和位置信息，当布置多个加速度传感器时，便于阅读器识别信息来源。
附图说明
图1为加速度传感器的结构示意图；
图2为贴片天线的结构示意图；
图3为耦合贴片的安装位置示意图；
图4为检测时结构加速度检测装置的安装位置示意图；
图中标号说明：
1.接地平面，2.基板，3.辐射贴片，4.芯片，5.振动敏感梁，6.耦合贴片，7.侧向支承板，8.底部连接板，9.加速度传感器，10.阅读器，11.发射天线，12.数据采集终端，13.待测结构。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，如图1、图2、图3和图4，用于检测待测结构13的结构加速度，包括加速度传感器9、阅读器10、发射天线11和数据终端12，加速度传感器12包括底座和贴片天线，贴片天线包括接地平面1、基板2、芯片4和辐射单元，辐射单元包括辐射贴片3和耦合贴片6，基板2、接地平面1和底座依次连接，辐射贴片3和芯片4设置在基板2上，辐射贴片3通过沉金工艺镀在基板2上，耦合贴片6通过振动敏感梁5固定在底座上，耦合贴片6通过沉金工艺镀在振动敏感梁5上，耦合贴片6和辐射贴片3之间设有间隔；
如图3，底座包括底部连接板8以及垂直设置在底部连接板8上的侧向支承板7，振动敏感梁5垂直设置在侧向支承板7上，振动敏感梁5未发生振动时耦合贴片6和辐射贴片3平行。
侧向支承板7和底部连接板8粘接，侧向支承板7和接地平面1粘接，接地平面1与底座粘接，接地平面1通过沉金工艺镀在基板2上。
辐射贴片3的尺寸为51mm*41mm，耦合贴片6的尺寸为51mm*14mm。
基板2的材料为RT5880、RT5870或FR4高频层压板材料。
贴片天线呈片状，具有低剖面、高品质因数的特点，其中，接地平面1、辐射贴片3和耦合贴片6为铜质，基板2的材料为工业电介质材料，在工作时，接地平面1与辐射单元形成一个双边开槽的腔体，电磁波馈入贴片天线后在其中形成表面电流并进行传递，中间的基板2一方面起到支撑和固定接地平面1与辐射单元的作用，另一方面起到电介质的作用，由于电磁波会在辐射单元和接地平面1之间振荡，电介质基板2选取损耗较低的工业电介质材料时，可以降低电磁波的传递损耗，增加贴片天线的工作效率。
贴片天线的谐振频率跟耦合贴片6和辐射贴片3之间的距离有关，由于振动敏感梁5具有弹性，当待测结构发生振动时，振动敏感梁5发生振动，耦合贴片6会随着振动敏感梁5振动，此时耦合贴片6和辐射贴片3之间的正对距离发生变化，从而改变了贴片天线的谐振频率，贴附在振动敏感梁上的耦合贴片可以感知振动敏感梁的形变信息，在固定范围内，振动敏感梁的形变信息和贴片天线的谐振频率存在确定关系，此时，通过对贴片天线的谐振频率进行检测和计算，可以表征待测结构13此时沿垂直于振动敏感梁5方向上的结构加速度；
阅读器10通过发射天线11，以不同的频率向贴片天线发射调制过的电磁波信号，当贴片天线接收到的信号功率达到阈值时，芯片4即可被激活，激活芯片4所需要的阅读器10的最小发射功率与阅读器14所发射信号频率有关，当阅读器14以贴片天线的谐振频率发射信号时，激活芯片4所需的最小发射功率最小，通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定贴片天线的谐振频率。
检测时加速度传感器9固定在待测结构13上，阅读器14通过发射天线收发信号，提取贴片天线的谐振频率，数据采集终端12根据谐振频率的漂移，计算得到待测结构13沿垂直于振动敏感梁5方向上的结构加速度。
加速度传感器9具有一种无源无线的传感器，不需要通过预装电池或者馈电线进行能量输入，而是通过接收发射天线11的电磁波进行能源输入，也不需要额外的馈电线进行数据传输，当待测结构发生振动时，贴片天线的谐振频率发生变化，可以通过阅读器获取谐振频率的改变量，进而推算出耦合贴片6和辐射贴片3的相对运动情况，从而获得待测结构13沿垂直于振动敏感梁5方向上的振动加速度信息。
芯片4中存储有加速度传感器的对应的编号和位置信息，当布置多个加速度传感器9时，阅读器10根据编号标记各个加速度传感器的数据。
加速度传感器的工作的谐振频率与贴片天线的种类有关，可通过对辐射贴片3、耦合贴片6的尺寸和基板2的材料进行优化，改变贴片天线的工作基础频率。
加速度传感器的量程主要与振动敏感梁5的尺寸和材料有关，对振动敏感梁5的尺寸和材料进行优化，可以得到不同量程的加速度传感器。
本实施例提出了一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，通过振动敏感梁5传递振动，以改变耦合贴片6和辐射贴片3之间的正对距离，从而改变贴片天线的谐振频率，阅读器14对芯片4进行高频访问，获得贴片天线的谐振频率，从而得到待测结构13的动态形变信息，并根据动态形变信息计算得到待测结构13的沿垂直于振动敏感梁5方向上的加速度信息，加速度传感器12通过电磁波提供能量和信息传输，不需要额外的电源以数据传输线，从而避免了繁琐的布线工作，同时加速度传感器12无需与待测结构13同轴线布设，布设更加灵活，在自然灾害下更不容易失效；同时以贴片天线的谐振频率作为参数测量加速度，受距离和环境噪声等因素的影响小，加速度传感器12的适用性强；加速度传感器12的成本低，体积小，结构简单，可以作为预制设备与待测结构13一同设计和建造，建设起实时监测的网络。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，用于检测待测结构(13)的结构加速度，包括加速度传感器(9)、阅读器(10)、发射天线(11)和数据终端(12)，所述的加速度传感器(12)包括底座和贴片天线，所述的贴片天线包括接地平面(1)、基板(2)、芯片(4)和辐射单元，所述的辐射单元包括辐射贴片(3)和耦合贴片(6)，所述的基板(2)、接地平面(1)和底座依次连接，所述的辐射贴片(3)和芯片(4)设置在基板(2)上，所述的耦合贴片(6)通过振动敏感梁(5)固定在底座上，所述的耦合贴片(6)和辐射贴片(3)之间设有间隔；
检测时加速度传感器(9)固定在待测结构(13)上，所述的阅读器(14)通过发射天线(15)收发信号，提取贴片天线的谐振频率，所述的数据终端(16)根据谐振频率计算得到待测结构(13)的结构加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的底座包括底部连接板(8)以及垂直设置在底部连接板(8)上的侧向支承板(7)。
3.根据权利要求2所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的振动敏感梁(5)垂直设置在侧向支承板(7)上。
4.根据权利要求2所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的侧向支承板(7)和底部连接板(8)粘接。
5.根据权利要求2所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的侧向支承板(7)和接地平面(1)粘接。
6.根据权利要求1所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的接地平面(1)与底座固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的接地平面(1)通过沉金工艺镀在基板(2)上。
8.根据权利要求1所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的耦合贴片(6)通过沉金工艺镀在振动敏感梁(5)上。
9.根据权利要求1所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的辐射贴片(3)通过沉金工艺镀在基板(2)上。
10.根据权利要求1所述的一种基于耦合贴片天线的结构加速度检测装置，其特征在于，所述的基板(2)的材料为RT5880、RT5870或FR4高频层压板材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210914 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |