基于RFID技术的结构应变传感器研究综述

种玉配，王其昂，张 诚，贺子良，熊炎林

(1.中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院，广东 广州 511400； 2.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221000；3.广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室，广东 广州 511400)

随着各类大跨桥梁、隧道、超高层建筑的日益发展，土木工程结构安全性、耐久性方面的问题普遍突出。近些年部分大型土木结构事故频发，使人们意识结构安全监测的重要性以及必要性。通过结构健康监测技术对重大土木工程结构进行损伤识别、可靠性评估及优化设计已成为土木工程领域的研究热点。其中传感器系统是结构健康监测系统的重要组成部分。传感器指的是可感知规定的被测量(如结构响应)，并将其经过一定的处理后，转化为声、光、电等可被传输和测量的信号的元器件。结构健康监测常用传感器包括：加速度传感器、位移传感器、应变传感器、温度传感器、风速传感器等。应变传感器是其中重要的一种，在结构健康监测领域应用广泛，对结构易损构件或部位开展应变监测,判断结构是否发生损伤。应变为结构局部响应数据，在结构损伤定位、疲劳损伤等方面有着重要的研究价值。

常用的应变传感器有电阻式应变片[1-3]、振弦式应变计[4-5]和布拉格光栅应变传感器[6-7]。电阻式应变片可将应变转换为电阻值的变化，但通常阻值变化较小不易测量，利用惠斯通电桥可将应变片电阻值的变化，转化为可被测量的电势差；振弦式应变计则是将应变转化为容易测量的弦的共振频率；布拉格光栅应变传感器的基本原理是将应变转化为光波波长或中心频率的变化。但在实际工程应用中该类应变传感器存在较多弱点：传感器需通过有线的方式相互连接以及采集传输数据，引线较多、作业复杂、数据采集设备价格昂贵。此外，如电阻式应变片在应变作用下的电阻变化通常较小，之后通过有线方式传输到数采系统，微弱阻值变化的传输对导线要求更高求并增加了成本。同时，过长导线传输弱电阻变化时易受噪声影响，大大降低了信号的准确性。

RFID在国外起步较早，其理论基础诞生于20世纪40年代，目前已成为传感技术一个热点研究方向，该技术主要通过其无线传输以及标签几何参数的变化与频响函数之间的关系，开展数据信息传递。由于成本低、无源无线等优势，目前该技术在美国土木工程领域已初步投入到结构健康监测领域。相比较，我国在该领域起步晚，随着2006年以来国家政策的激励，RFID传感技术得到较快发展。该技术兼备基础科学与工程应用的特性，该技术不仅能弥补传统监测方法布线复杂、高成本等缺点，且可较好克服其他无线传感技术系统繁琐、效率不高的缺点。尽管一些无线传感技术尝试改善传统有线应变传感的缺点，但仍存在诸多不足，如信号采集过程中仍需外部供能，一旦结构发生较大损伤，可能导致供能系统瘫痪，无法记录结构损伤过程应变时程。在土木工程应用中，为克服有线、有源应变传感器的缺点，基于无线射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)的应变传感技术应运而生。宋国荣等[8]开发了一种无源无线基于RFID的微带天线应变传感器，微带天线作为RFID标签的天线接收能量并传输返回信号，通过天线谐振频率和应变的线性关系来测试应变。黄程[9]设计了一款新型无源被动应变传感器，利用标签天线的尺寸形状和谐振频率之间的线性关系来测量应变，大大提高了标签的最大读取距离。何依依[10]设计了短路短结线馈电和H槽馈电两种不同馈电方式的应变传感器，两种传感器都可以在金属表面使用且具有60%多的传递效率，利用不同方向的应变与天线谐振频率的关系来实现测量应变的目的。Rennane等[11]提出了一种新型无源超高频RFID结构应变传感器，标签通过惠斯通电桥连接应变片，输出电压和应变呈线性关系，从而可以测得外界强迫力。Chakaravarthi等[12]提出了一种可多次重复使用的RFID金属应变测量传感器，利用RFID接收到的信号强度RSSI和其对应的频率来测试应变，该天线可反复测量金属应变，因此可以用在金属结构如钢结构的长期健康监测之中。Jayawardana等[13]开发了一种可以同时测量加速度和应变的集成标签天线传感器，在结构健康监测中具有良好的应用前景。利用RFID技术的非接触式信息传递、射频能量收集的特点，可实现应变传感器的无源、无线、低成本及耐久性好等技术优势。

1 RFID技术

RFID为非接触式自动识别技术，通过射频信号空间耦合开展无线、非接触的数据传输。RFID硬件单元主要由标签、阅读器、检测电路以及中央处理单元等组成。其主要工作流程为：当电子标签进入阅读器产生的射频电磁场后，电子标签的天线中产生感应电流，电子标签被激活，电子标签中的A/D转换电路，将存储在电子标签芯片中的信息，进行编码后，通过负载调制的方式，通过标签天线以特定频率的射频信号，向阅读器发送存储在标签芯片中的信息。阅读器通过天线接受标签的射频信号，将其解码后，送至与之相连的数据处理系统。射频识别技术的优点有：非接触式识别、能耗低、使用寿命长、可重复使用、信息传递速度快、安全性好、成本低等。

1.1 RFID标签及RFID阅读器

RFID系统的主要组成部分包括RFID标签与RFID阅读器。RFID标签又称应答器；RFID阅读器又称读写器。RFID标签与阅读器之间通过射频信号的电磁耦合进行信息和能量的传递。

通常，RFID标签与被识别对象粘贴在一起，每个RFID标签都有预先设定的标签号，以电子代码的形式存储于标签芯片中。RFID标签有3种能量供给方式，主动式、被动式和半被动式。主动式标签配备电池，被动式无外部电源(通过天线从电磁场吸收能量)，半被动标签部分依赖电池工作。根据工作频率的不同，RFID标签可分为低频(135 kHz)电子标签、高频(13.56MHz)电子标签、超高频(860～960MHz)电子标签和特高频(2.45GHz～5.8GHz)电子标签。RFID标签的主要功能是存储被识别对象的信息并发送到RFID阅读器。对于可读写式RFID标签，除了存储标签号的内存之外，通常还有可供使用者写入其他附加信息的附加内存。

RFID阅读器借助天线通过射频信号与标签进行无线通信，可开展RFID标签信息的读写操作。RFID阅读器还为无源标签功能，发射电磁波激活标签中检测电路。此外，RFID阅读器可与外部上位机系统连接，实现数据处理与实时显示。RFID阅读器工作频率分类与RFID标签一致。

1.2 负载调制：应变信号的无线传输

负载调制是RFID电子标签向读写器传输应变数据的主要方法[14]。负载调制的原理是：按照电子标签要向阅读器发送的二进制编码的节拍，控制负载电阻或者电容的接入或断开，从而使得标签载波的幅值(或相位、频率)有规律地改变，通过电磁空间耦合，将这种变化传递给阅读器。阅读器天线接收到这种变化后，通过解调，将负载调制的信息还原为二进制编码，实现RFID标签向阅读器的通信[15]。在RFID系统中，负载调制技术的方式主要有电阻负载调制和电容负载调制两种[16-17]。

图1给出了电阻负载调制的电路图。在电阻负载调制中，与负载RL并联的电阻Rmod称为负载调制电阻。S表示开关，控制负载调制电阻是否接入电路中，开关S按照二进制编码的节拍接通或断开。电阻负载调制是通过控制负载电阻的接入与否，调节电子标签的载波幅值，进而将电子标签的信息传递给阅读器。

图2给出了电容负载调制的电路图。在电容负载调制中，负载与电容并联，代替了由二进制数据编码控制的调制电阻。在电阻负载调制中，谐振状态下电抗为零，载波只有二进制编码节拍的幅度改变。而在电容负载调制中，负载调制电阻变成电容后，电抗不为零，此时载波波形变化不仅存在幅值的改变，也存在相位的改变。

2 RFID应变传感器

经过近些年的发展，RFID应变传感器种类较多。本文将从传感器设计思路、传感器工作频段以及有无芯片三方面对RFID应变传感器研究进展及应用进行总结。

2.1 基于不同设计思路的RFID应变传感器分类

目前基于RFID技术的应变传感器研发主要有2种技术方案：(1)第一种是基于RFID标签天线的应变传感技术。该思路直接通过RFID标签天线开展应变测量，其工作原理为，当RFID标签系统的微带天线产生一定应变时，其电学信号将发生改变，最常用的为标签的谐振频率，通过RFID阅读器捕捉该变化，反演出应变数据；(2)第二种是基于RFID标签与传统应变传感单元相结合的应变传感技术。该思路则是将RFID标签与传统成熟的应变传感单元相连接，使其兼容工作，传感单元感知的应变响应存储在标签芯片中，通过模数转化将模拟量转化为数字信号，再利用天线无线射频传输至阅读器，最终通过数据处理获取应变信号。

第一种基于RFID标签天线的应变传感器设计思路为：将RFID标签的天线设计为应变测量单元，标签天线的形变导致其单元属性发生变化。目前，矩形贴片是比较理想的天线结构形式，其主要优势为：结构简单，易制作；频带窄，易获取谐振频率；且谐振频率对贴片宽度不敏感。缺点是：要求阅读器具有滤波降噪、扫频等功能[18]。部分学者研究了其他形状的贴片天线，如Daliri等[19]设计了一种喇叭天线RFID应变计，研究了天线谐振频率的幅度与天线角度之间的关系。耿涛等[20]开发了带过孔的同轴馈电的RFID微带贴片天线应变传感器，探究了测距与天线谐振频率的相互影响，通过实验确定传感器谐振频率偏移率与应变关系的灵敏度为-0.8652，并确定6cm为最理想的无线传输距离(如图3)。Yi等[21]开发了一种基于折叠贴片天线的低成本无源射频识别传感器，用于测量金属表面的应变。Matheus等[22]开发了一种基于倒F形天线的RFID无线应变传感器，利用有限元建模开展性能优化设计，2.0 mm厚的铝板上粘贴应变片，通过静载荷试验进行实验验证(如图4)。无论何种天线结构形式，当RFID贴片天线附着在结构上，并产生一定应变时，应变信号经过放大滤波后，借助内嵌微处理器进行信号提取,最终以无线射频信号方式传输。放大电路通常由仪表放大器组成，其放大倍数主要取决于其中的增益电阻；在滤波电路方面，常用的是2阶巴特沃思低通滤波，截止频率可根据土木结构响应的信号分析确定，通常响应数据属于低频信号，如一般情况取100 Hz可满足大多数土木结构要求，最终根据滤波带宽与电阻电容元件进行滤波电路设计[23]。

第二种基于RFID标签与传统应变传感单元相结合的应变传感器设计思路为：将RFID标签与传统应变传感器(如电阻式应变片、振弦式应变计)相结合，可赋予RFID标签应变感知能力，同时借助RFID标签的射频传输能力实现应变信号的无线传输。邵建新等[24]将传感标签与电阻应变片相结合开发RFID应变无线传感器，以碳纤维复合材料板为试件，在万能材料试验机上开展弯曲力学测试，验证了所开发传感器的适用性及精度。类似，喻言等[25]开发了基于电阻应变片的RIFD应变触感器，并设计了由电桥电路、前端放大电路、参考电压驱动电路、滤波电路构成的应变信号调理电路，协助RFID微处理器的数据处理；利用设计的传感器标签和读写器，在通用匹配试验机上构建了结构应变无线监测系统。日本Taiheiyo水泥公司[26]将电缆应变计与RFID标签组合，开发了用于测量钢筋混凝土结构纵向应变的RFID型应变计传感器。本文作者课题组开发了一种基于RFID技术和惠斯通电桥的无线应变传感器(如图5所示)；所设计的惠斯通电桥包含温度补偿应变片，以及粘贴在待测结构上的应变测量应变片；RFID标签与惠斯通电桥连接，采集输出电压并将数据无线传输到RFID阅读器；阅读器将惠斯通电桥输出电压传输给上位机，根据输出电压，计算应变；在实验室中与传统的动静态应变测试仪测得的应变数据相对比，两者应变测试结果一致性较好，误差约为50～90微应变，验证了所提设计传感器的可靠性，可用于桥隧工程结构的安全监测中。

图5 基于RFID技术和惠斯通电桥的无线应变传感器及其测量结果Fig.5Wireless strain sensor based on RFID technology and Wheatstone bridge with its measurement results

2.2 基于工作频段的RFID应变传感器分类

根据RFID技术电磁波的工作频率进行分类，主要分为低频、高频、特高频与超高频等不同种类。Moss等[27]开发了一种125 kHz的低频RFID无线应变传感器，其硬件结构主要包括RFID贴片元件和一个全桥或四分之一桥电阻应变测量单元，前者负责数据处理与无线发送，后者负责应变信号感知。美国Phase IV工程公司[28]开发了一种超高频RFID应变传感器(图6)，由电阻应变计、温度补偿板、天线、惠斯通电桥组成。通常RFID阅读器与标签的识别距离随着工作频率的增加而变大：低频RFID标签无线传输距离较近(小于10cm)，而超高频与特高频RFID技术传输距离可达几十米，但能耗较高，通常设计为主动式或半主动式，备有外部电源(不同频段RFID应变传感器无线数据传输范围具体见表1)。

图6 超高频RFID应变传感器[28]Fig.6 UHF RFID strain sensor

表1 RFID应变传感器无线数据传输范围Table1 Wireless data transmission ranges for RFID strain sensors

而为了解决传输距离与能源消耗这一矛盾，俞凯航等[29]进行了高频RFID阅读器天线改良设计研究(如图7)，提高无线射频功率传输效率。研究表明功率传输效率与读写器天线线圈和标签天线线圈之间的耦合系数正相关。阅读器天线的品质因子(品质因子越高表示天线的辐射效率越高)与天线的辐射效率成正相关。阅读器天线在实际使用中各匝线圈会产生等效电容，降低其辐射能力。在实际传感器设计过程，可以通过适当增大阅读器天线线圈尺寸或增加线圈匝数提升自感，增强耦合系数，进而提升读写器天线辐射磁场的能力，以较低频率获取较远传输距离。

图7 分布式天线模型及其表面磁场分布[29]Fig.7 Distributed antenna model and its surface magnetic field distribution

2.3 基于有无芯片的RFID应变传感器分类

在该类情况下，RFID应变传感器可分为有芯片[30-32]与无芯片[33-34]两大类。有芯片RFID应变传感器通常包含调制电路，可开展一定数据处理、进行信号调制，能较好区分标签反射信号与环境反射信号之间区别，因此该类传感器抗环境干扰强、测量精度高、鲁棒性较好，更适用于工程应用场景。但其芯片成本相对较高，且将芯片镶嵌到标签电路上制造工艺复杂繁琐。因而研究者尝试移除标签中硅芯片，探索无芯片RFID技术，突破传统RFID技术局限，并在国内外引起广泛研究。无芯片RFID系统无数字芯片，故对应的数字通信转化协议也无需搭建，大大简化了系统通信设计。无芯片RFID借助雷达通信数据传输原理，将标签所含信息加载于电磁信号中。其功能与条形码类似，但具有更广泛的应用领域与商用市场。具体优势包含：无光环境可识别、成本更低、易于大规模生产、绿色环保。

无芯片RFID转化为传感器的技术潜力大，近些年发展了基于无芯片RFID的结构应变传感器[35-37]，无芯片标签主要利用材料的电磁特性，设计不同导体形式实现特定的电磁特性。该类传感器可直接将感应到的应变信息编码到标签反向散射信号中，RFID阅读器获取反射信号后，通过数据处理提取应变信息特征参数，计算得到应变数据。无芯片RFID应变传感器无需电子设备，故可在高温环境中使用，如可监测火灾环境下结构应变响应。

此外，无芯片RFID应变传感器在印刷性、可打印性方面比传统RFID应变传感器有较大优势，因此在无芯片RFID技术基础上，衍生出可伸缩、可打印的RFID应变传感器[38-39]。比如基于LC谐振的无芯片RFID传感器，可使用天线借助LC电路振荡过程编码应变信息；利用导电材料可将基于LC谐振的无芯片RFID传感器直接打印到柔性、可拉伸的传感器亚层[38](如图8)，由于LC谐振电路的几何特性的调节，具有谐振频率的可控性，测量因子(频移/应变)>为0.5，最大应变极限>为20%。抑或直接印刷基于银纳米颗粒和多壁碳纳米管复合材料的高伸缩RFID应变传感器[39](如图9)，此类传感器可用于可伸缩的工程结构或电子设备中，通过实验获取了该RFID应变传感器标签的测量因子(频移/应变)为0.51。

3 结论

将RFID技术引入应变传感器的研发中，可实现无源、无线应变测量。RFID应变传感器避免了传统监测中的大规模繁琐布线工作，操作过程简单，可提高监测效率；成本低，经济性好；通过RFID电路优化、数据融合等技术保障其监测精度，可满足大多数土木结构监测精度要求。目前，国内外学者在基于RFID标签天线的应变传感技术与基于RFID标签与传统应变传感单元相结合的应变传感技术两种传感器设计方法进行了大量的研究；前者通过标签电学信号的改变反演出应变数据，后者借助RFID标签实现应变信号的无线传输。从RFID应变传感器工作频段考虑，低频RFID传感器无线传输距离较近，而超高频与特高频RFID技术传输距离可达几十米，但能耗较高，常需外部电源，仍需开发纯被动式、无源高频RFID应变传感器，比如利用整流天线技术或其他能量收集方法获取环境中能量，实现高频远距离的无线应变传输。从有无芯片考虑，无芯片RFID应变传感器无需电子设备，故可在极端环境下运作如在高温火灾环境中使用。未来仍需研究可打印式的无芯片RFID应变传感器，完善低成本、高产量、高集成度的传感器制造技术。