面向金属裂纹深度检测的无源RFID标签天线传感器*

文 豪, 李 强, 赵 亮, 陈建彬

(西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳 621010)

0 引 言

随着工业物联网的蓬勃发展,结构健康监测(structural health monitoring,SHM)以及无损检测(non-destructive testing,NDT)在工业上的应用也变得更为广泛,及时且准确地对金属结构健康状况进行检测变得尤为重要[1]。将结构健康监测系统分为有线或无线技术两类进行讨论,其中有线测量具有测量精度高、分辨率高的优点。但有线测量存在部署困难的问题[2]。相比较而言，无线传感器无接触测量,可以避免部署困难的问题。其中无线无源传感器摆脱了电池的限制,可以从环境中获取能量,能够增加传感器的服役时间,消除了后期因为更换电池而产生的人工成本。同时无线无源传感器一般具有更简易的电路结构,可以降低制作成本[3]。

国内外对射频识别(radio frequency identification,RFID)技术应用于金属结构健康监测领域进行了研究。康文芳等人[4]基于微带天线设计了应用于检测金属裂纹宽度变化的无源RFID标签天线,通过矢量网络分析仪,能够检测到金属裂纹亚毫米级的变化。Yi X等人[5]提出了一种随物体结构变化而变化的标签天线,使用标签天线的激活功率来判断物体结构的应变以及裂纹的增长。Caizzone S等人[6]提出了一种用于检测金属裂纹的标签天线,将两个天线固定在裂纹的两端,通过标签天线的相位信息来判断裂纹宽度的变化。Xu X等人[7]提出的一种多标签天线复用的测量方式,设计了特定的阅读器，通过标签天线功率的变化来检测裂纹长度以及方向的变化

本文设计了一种用于检测金属表面裂纹深度的无源RFID标签天线传感器。采用底部接地面开槽的方式,实现表征金属裂纹深度变化的目的。同时,采用普通商用RFID阅读器来获取标签天线传感器性能的变化,实现了对金属结构健康状况进行检测的功能。

1 标签天线传感器设计与仿真

1.1 标签设计原理

标签识别距离是衡量标签性能的重要指标之一。通常使用弗里斯(Friis)公式(1)来确定标签的最大读取距离[8]

(1)

式中Pchip为标签芯片的灵敏度,通常标签芯片灵敏度在芯片出厂时已经确定。Dmax为最大标签天线的最大识别距离,Pr为阅读器的发射功率,Gr为阅读器天线增益,Ga为标签天线增益。其中，τ为标签天线与芯片之间的功率传输系数。由式(1)可以看出当τ值越大时,标签的识别距离也会越大,其具体公式可写为[9]

τ=1-|Γm|2

(2)

(3)

1.2 标签结构设计

本文提出的无源RFID标签天线传感器将应用于检测金属表面裂纹的深度变化,因此首先要求该标签传感器具有良好的抗金属性能。综合考虑采用微带天线的结构实现标签的抗金属性能,微带天线以及PIFA天线底部接地面会覆铜,具有良好的抗金属性能,同时制作微带天线的工艺简单,制作成本低,非常适合用于表征金属裂纹的深度变化。

设计用于表征金属裂纹深度变化的无源RFID标签天线传感器,使用FR4材料作为介质基板,其整体模型如图1所示,该模型为标签天线传感器放置在金属表面产生裂纹的正上方。标签天线传感器总体尺寸为33 mm×33 mm×1.6 mm,在标签天线表面进行曲流开槽,以达到标签天线小型化的目的。同时在标签天线传感器底部接地面进行开槽设计,开槽后,标签天线底部接地面会形成断路状态。当标签天线放置金属表面上后,金属表面会充当导体的作用,将标签天线底部接地面连接。当标签天线传感器放置于金属表面裂纹正上方时,随着金属裂纹深度的增加,标签天线传感器的有效电长度会改变,从而引起标签天线传感器整体性能的变化,最终达到表征裂纹深度变化的目的。

图1 标签天线传感器整体结构

1.3 标签天线传感器性能仿真

利用HFSS软件对标签传感器天线进行仿真,如图2(a)所示随着裂纹深度增加,标签天线传感器表面电流密度变大。图2(b)所示,随着裂纹深度的增加,标签天线传感器的电阻逐渐增大,图2(c)所示,随着裂纹深度的增加,标签天线传感器的电抗的逐渐增大。

图2 标签天线传感器性能仿真

从仿真结果可以看出,金属裂纹深度的增加会引起标签天线传感器的阻抗变化。当阻抗变化后,标签天线传感器的整体性能会发生改变,其中随着裂纹深度的增加,标签天线传感器的谐振频率将向低频偏移。

2 无源RFID标签天线传感器实验验证

2.1 天线测试原理

在标签天线传感测试系统中,根据1.3节可知,裂纹深度的改变会导致标签天线阻抗值的变化,从而改变了标签天线的电特性。阅读器会发出连续的电磁波(询问信号),然后阅读器能够读取到标签返回的反向散射信号强度、相位等信息[10]。反向散射信号强度的大小由标签本身的性能所决定,当标签天线本身性能随着裂纹深度而发生改变时,反向散射信号强度的大小也会随之改变,通过提取其中的特征,能够用于表征金属表面裂纹深度的变化。

影响天线测量的因素包括阅读器天线与标签天线传感器的距离,阅读器天线与标签天线的相对位置,以及测试环境因素等。因此,在测量不同裂纹深度对标签天线传感器性能影响时,需要消除其他能够对标签性能产生影响的因素[11]。

2.2 天线测试系统搭建

为实际测量标签天线传感器表征金属裂纹深度变化的效果,制作标签天线传感器实物如图3(a)所示,搭建测试系统如图3(b)所示,该测试系统采用Mercury6(M6)阅读器连接增益为6 dB的读器天线来读取标签天线传感器返回的反向散射信号强度,同时,为了消除其他的影响因素,固定阅读器天线与标签天线传感器的距离。天线测试系统将会在902～928 MHz的工作频率下进行。阅读器的最大发射功率为31 dBm。

图3 标签天线传感器实物测试

用于被检测的金属缺陷样品如图4所示,该金属缺陷样品表面裂纹的宽度W统一为3 mm,各个样品的裂纹深度分别从1～4 mm,以1 mm为间隔,共有5个缺陷样品。测试时需要将标签天线传感器底部开槽位置对准金属裂纹位置放置,以保证标签天线传感器能够准确测量。

图4 金属缺陷样品实物

2.3 无源RFID标签天线传感器性能测试

当金属表面无裂纹时,阅读器所测得传感器反向散射接收信号强度指示(received signal strength indication,RSSI)变化情况如图5(a)所示,从图5(a)中可以看出,当金属表面无裂纹时,随着工作频率的升高,RSSI逐渐升高,当标签天线传感器工作频率越靠近谐振频率时,传感器的RSSI值将会越大。因此,可以判断标签天线传感器的谐振频率在928 MHz以上。当金属表面产生裂纹之后,且裂纹的深度为1 mm,标签天线传感器的RSSI的变化情况如图5(b)所示。由图可知,当金属表面裂纹深度为1 mm时,通过RSSI的变化情况,判断标签天线传感器的谐振频率向低频移动。通过以上结果可以看出,当金属表面产生裂纹以后,标签天线传感器的谐振频率会往低频偏移,与仿真结果一致。证明研究的标签天线传感器能够用于表征金属裂纹深度的变化。

图5 金属表面有无裂纹情况对比

以下分析无源RFID标签天线传感器对金属裂纹深度的表征能力,将传感器的工作频率设定为906～913 MHz,图6为传感器RSSI随金属裂纹深度变化的关系。由图6可知,金属表面裂纹深度每增加1 mm,RSSI在工作频段内至少有1 dBm的变化。证明研究的标签天线传感器在表征金属裂纹深度方面能够达到毫米级的精度,适用于高精度的金属表面裂纹检测。

图6 传感器RSSI值与金属表面裂纹深度的关系

3 结 论

本文将标签天线技术应用于金属结构健康监测领域,研究了用于检测金属裂纹深度变化的无源标签天线传感器。分析金属表面裂纹深度变化与无源标签天线传感器性能变化的关系,随着金属表面裂纹深度的增加,无源标签天线传感器的谐振频率向低频移动。搭建标签天线检测系统,对该标签天线传感器的检测能力进行测试。结合标签天线传感器的RSSI进行分析,该标签天线传感器检测精度可达到毫米级。研究提供了一种可靠性更高,测量方式更简便,测量速度更快,测量精度高的裂纹检测传感器,该传感器给金属结构无损检测领域提供了新的解决方法,具有重要的实际应用价值。