射频电子标签可靠性试验研究★

过峰，聂义，俞建峰

（1.无锡出入境检验检疫局，江苏　无锡　214174；2.江南大学机械工程学院，江苏　无锡　214122）

射频电子标签可靠性试验研究★

过峰1，聂义1，俞建峰2

（1.无锡出入境检验检疫局，江苏无锡214174；2.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

射频识别是一种非接触式的自动识别技术，其可以通过射频信号来自动地识别目标对象并获取相关的数据，拥有广阔的应用前景。射频电子标签在使用的过程中存在着由各种环境因素引起的读取可靠性的问题，以用于服装和牛只识别的射频电子标签为研究对象，通过环境试验方法分析了影响这两种射频电子标签的可靠性的因素，并获得了影响牛只射频电子标签和服装射频电子标签的可靠性的关键环境因素。

射频电子标签；环境试验；可靠性

0　引言

射频识别 （RFID：Radio Frequency Identification）是一种非接触式的自动识别技术，其可以通过无线电讯号来自动地识别特定的目标并读写相关的数据，而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID系统包括电子标签、读写器和数据处理系统3个部分[1]。其中，电子标签具有体积小、容量大、寿命长和可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别和多目标识别等应用。该技术具有广泛的应用前景，可在物流、交通、医疗、运输、跟踪、门禁和生产管理与控制等领域得到广泛的应用[2]。

射频电子标签应用环境复杂，如果其可靠性存在缺陷，则会导致其性能参数 （例如：识读距离、识读率和灵敏度等）发生变化，环境试验的目的是考核产品在各种环境条件下的适应能力，是评价产品可靠性的重要方法之一。本研究选取服装电子标签和牛只电子标签作为试验对象，选择与电子标签使用环境相适应的环境试验方法来验证电子标签的可靠性。

1　试验目的及试验对象的选取

射频电子标签是物联网产业链感知层的重要环节，作为物联网识别技术的关键节点，其可靠性将直接影响物联网识别技术的准确性和稳定性。而电子标签的各种恶劣的使用环境条件会对其造成不同程度和不同种类的损伤，例如：温度、湿度可能会使RFID的智能芯片受损，造成绝缘击穿、电性能变坏和材料膨胀收缩等。因此，本试验对现有的射频标签的环境应用条件进行了调查分析，采用环境试验手段对室内和室外应用的射频电子标签进行环境试验，以深入地剖析典型环境变化条件下射频电子标签环境可靠性的关联性变化。

本次共选取180个超高频 （UHF）牛只标签和服装标签为试验对象进行试验。其中，硅胶材质的牛只标签60个，其外观如图1所示；1#纸质材质的服装标签60个，其外观如图2所示；2#纸质材质的服装标签60个，其外观如图3所示。

图1　牛只标签

图2　1#服装标签

图3　2#服装标签

2　试验项目的选取

通过查阅和梳理相关资料，发现影响电子电器产品可靠性的环境因素主要有振动、温度和湿度等。结合RFID产品的实际使用环境情况，发现牛只标签和服装标签在存储、运输和使用等过程中通常会受到高温、低温、高低温交变、高温湿度、振动和太阳辐射等典型的环境因素的影响，因此本次研究选择的试验项目为：低温步进试验、高温步进试验、温度变化试验、温度湿度试验、振动试验和太阳辐射试验。

a）低温步进试验

按照GB/T 2423.1-2008标准[3]测试规范要求，结合被测标签样品在实际使用中可能经历的低温环境分析，选取0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃和-60℃6个温度，采用步进方式进行试验，每个温度保持96 h。

b）高温步进试验

按照GB/T 2423.2-2008标准[4]测试规范要求，结合被测标签样品可能经历的高温环境分析，选取40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃和100℃6个温度，采用步进方式进行试验，每个温度保持96 h。

c）温度变化试验

按照GB/T 2423.22-2012标准[5]测试规范要求，结合被测标签样品可能经历的温度变化环境分析，选取-20～60℃、-30～70℃、-40～80℃和-50～90℃4个典型的温变区间进行试验，每个温变区间保持3 h、循环5次。

d）温度湿度试验

按照GB/T 2423.3-2006标准[6]测试规范要求，结合被测标签样品可能经历的温湿度变化环境分析，选取30℃、93%RH，40℃、93%RH，50℃、93%RH和85℃、85%RH 4个典型的温湿度环境点进行试验，每个温湿度环境点保持48 h。

e）振动试验

按照GB/T 2423.10-2008标准[7]测试规范要求，结合被测标签样品可能经历的振动环境分析，选取正弦扫频的方式进行试验，其中，选取的频率范围为：10～500 Hz；振幅为：0.75 mm；振动类型为：三方向；振动时间为：每个方向2 h；循环次数为：10次。

f）太阳辐射试验

按照GB/T 2423.24-2013标准[8]测试规范要求，结合被测标签样品可能经历的光照老化环境进行分析，将试验样品置于辐照强度为0.55 W/m2、波长为340 nm的紫外光下进行试验，紫外光照射方式为：连续照射；试验持续时间为：15 d。

3　样本量的分配

为了增加试验数据的客观性，本次试验对每种经功能初始测试合格后的标签进行了随机编号分组，将被筛选的180个样本分为18组，每组10个样本。各试验的样本量的具体分配情况如表1所示。

表1　 样本量分配表

4　试验设备的选取

各个试验项目所选用的检测设备的情况如表2所示。

表2　　主要的检测设备一览表

5　试验模型及条件的设置

所确定的6类环境可靠性试验在江苏检验检疫机电产品及车辆检测中心可靠性实验室进行，各个试验条件参数的设置情况如表3-8所示。其中：低温步进试验放置状态如图4所示，高温步进试验放置状态如图5所示，温度变化试验放置状态如图6所示，温湿度试验放置状态如图7所示，振动试验放置状态如图8所示，太阳辐射试验放置状态如图9所示。

图4　低温试验

表3　　低温步进试验条件设置

表4　　高温步进试验条件设置

表5　　温步变化试验条件设置

表6　　温度湿度试验条件设置

表7　振动试验条件设置

图5　高温试验

图6　温度变化试验

图7　温湿度变化试验

图8　振动试验

图9　太阳辐射试验

表8　 太阳辐射试验

6　试验结果与分析

6.1试验结果

为了验证射频标签在典型的环境影响试验后的可靠性性能，实验以射频标签试验前后的读写距离性能指标为判断依据。3种标签环境试验前的典型初始读写距离性能指标如表9所示，其中：牛只标签的平均距离为28.5 cm，1#服装标签的平均距离为48.2 cm；2#服装标签的平均距离为18.4 cm。经过环境试验后牛只标签、1#服装标签和2#服装标签的读写距离测试结果如表10-12所示。

表9　3种标签的典型初始读写距离

表10　　牛只标签环境测试后的读写距离测试结果表

6.2试验结果分析

6.2.1从标签失效角度分析

a）牛只标签

低温步进、高温步进试验后标签的失效比例为70%，温度变化试验后的失效比例为20%，温湿度试验后的失效比例为10%，振动试验后的失效比例为20%，太阳辐射试验后的失效比例为50%。

b）1#服装标签

低温步进、高温步进、温度变化、振动和太阳辐射试验后每个标签均可运行无失效，温湿度试验后的失效比例为20%

c）2#服装标签

低温步进、高温步进、温度变化、温湿度和太阳辐射试验后每个标签均可运行无失效，振动试验后的失效比例为10%。6.2.2从环境测试后的平均读写距离衰减角度分析

a）牛只标签

在低温步进试验、高温步进试验、温度变化试验、温度湿度试验、振动试验和太阳辐射试验后，其平均读写距离的衰减分别为-77.5%、-87.7%、-31.6%、-41.8%、-61.4%和-71.6%。

b）1#服装标签

在低温步进试验、高温步进试验、温度变化试验、温度湿度试验、振动试验和太阳辐射试验后，其平均读写距离的衰减分别为-47.9%、-14.3%、-4.1%、-23.4%、-1.9%和-2.1%。

c）2#服装标签

在低温步进试验、高温步进试验、温度变化试验、温度湿度试验、振动试验和太阳辐射试验后，其平均读写距离的衰减分别为-21.2%、-21.2%、-23.4%、-14.7%、-15.8 %和-9.8%。

表11　 1#服装标签环境测试后的读写距离测试结果表

表12　2#服装标签环境测试后的读写距离测试结果表

6.2.3从外部环境因素影响失效的角度分析

a）牛只标签对低温步进、高温步进和太阳辐射这3种环境因素非常敏感，在这3种试验中有50%～70%的概率失效。

b）1#服装标签在低温步进、高温步进、温度变化、振动和太阳辐射试验时可靠性高，无失效现象；但其对温湿度较敏感，在温湿度试验中有20%的概率失效。

c）2#服装标签在低温步进、高温步进、温度变化、温湿度和太阳辐射试验中可靠性高，无失效；但其对振动应力较敏感，在振动试验中有10%的标签失效。

6.2.4从外部环境因素影响读写距离的衰减的角度分析

a）对牛只标签产生衰减影响的环境因素其程度由高到低依次为：高温、低温、太阳辐射、振动、温度湿度和温度变化。

b）对1#服装标签产生衰减影响的环境因素其程度由高到低依次为：低温、温度湿度、高温、温度变化、太阳辐射和振动。

c）对2#服装标签产生衰减影响的环境因素其程度由高到低依次为：温度变化、低温、高温、振动、温度湿度和太阳辐射。

7　结束语

对3类标签进行横向比较，不难发现环境因素对被测试标签均产生了显著的影响，而且RFID的实际应用环境其实更为复杂。由此可见，不管是在生产还是研发方面都应加大对RFID的环境可靠性的研究，形成RFID环境可靠性标准，推动RFID环境可靠性的不断提高。

[1]罗衡峰，朱建红，李金华，等.RFID系统安全评估指标体系及评估模型 [J].电子产品可靠性与环境试验，2009，27（5）：56-59.

[2]李鹰，李倩，朱建红，等.RFID系统测试标准体系研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2010，28（2）：41-51.

[3]全国电工产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温：GB/T 2423.1-2008[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4]全国电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验第2部分：试验方法 试验B：高温：GB/T 2423.2-2008[S].北京：中国标准出版社，2009.

[5]全国电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验第2部分：试验方法 试验n：温度变化：GB/T 2423.22-2012[S].北京：中国质检出版社，2013.

[6]全国电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Cab：恒定湿热试验GB/T 2423.3-2006[S].北京：中国标准出版社，2007.

[7]全国电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Fc：振动 （正弦）：GB/T 2423.10-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[8]全国电工产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Sa：模拟地面上的太阳辐射及其试验导则：GB/T 2423.24-2013[S].北京：中国标准出版社，2014.

Experimental Research on the Reliability Test of RFID

GUO Feng1，NIE Yi1，YU Jian-feng2

（1.Wuxi Entry-exit Inspection&Quarantine Bureau，Wuxi 214174，China；2.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

RFID is a non-contact automatic identification technology.It can automatically identify the target object and obtain relevant data through radio-frequency signals，so it has a broad market prospect.RFID will appear reading problems caused by various environmental factors during use.Taking RFIDs for garment and cattle identification as the research objects，the factors that affect the reliability of these two kinds of RFID are analyzed through environmental test，and the key environmental factors that affect the reliability of the two kinds of RFID are obtained.

RFID；environmental test；reliability

TP 391.45;TB 114.37

A

1672-5468（2016）04-0001-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.04.001

★江苏出入境检验检疫局科研 （2015KJ16）项目资助

2016-04-22

过峰 （1978-），男，江苏无锡人，无锡出入境检验检疫局高级工程师，主要从事机电产品检测技术研究工作。