文摘
结构健康监测(SHM)技术是一个监控过程和预警方法特殊工件结构的健康状况或损坏通过部署传感器。近年来,有很多研究单孔位微吹气扰动,如超声波、脉冲涡流,光纤,磁粉和其他无损检测技术。由于传感器部署、测试环境、电源、和输电线路连接机制,他们带来问题,如检测效率,长期监测和不可靠的系统。无线传感技术和智能检测技术的结合使用来解决上述问题。因此,本文研究了标签天线智能传感器,用于描述金属缺陷SHM的扩展。然后,提出了一种无线被动三维传感天线,和模拟验证天线的可行性。仿真结果表明,该天线可以描述两个扩展方向的深度和宽度的金属表面光滑结构缺陷。同时,天线可以描述光滑表面缺陷的位置相对于天线金属结构,然后意识到光滑的缺陷定位。
1。介绍
它是必要的,民用基础设施应用程序必须具备必要的可靠性和安全性(1]。民用建筑结构的发展表明,金属将越来越多地投资于基础设施,如大型建筑物、桥梁、和标志性建筑。工程结构的重要承载部件在这种节目结构疲劳引起的周期性负载压力和结构腐蚀造成的恶劣环境中,特别是在长期服务和接触的环境。这些将会导致严重的事故。因此,单孔位微吹气扰动技术定期监控组件的结构损伤程度。目标是实现一个有效的在线评估结构健康的生活。这已经成为一个非常重要的安全预测措施的灾难性故障引起的重要组件。在许多结构性缺陷,初始缺陷的扩张模式在所有应变路径(主要是横向扩张2]。最危险的缺陷结构的横向缺陷3),这将导致结构框架的承载力下降迅速。因此,结构框架将在使用容易破碎。因此,它是特别重要的检测组件的横向缺陷结构。结构缺陷监测是用来直观地描述结构性破坏。这是作为结构健康和寿命评估的关键指标。
单孔位微吹气扰动是通过无损检测方法在不损害被检查的组件,在工业,如常见的视觉检查(4),超声检查(5),涡流检测(6),和光纤检验(7]。目视检查方法,一个人定期使用辅助设备(检测结构损伤的程度8),劳动力成本高,检测效率低和环境约束。另一方面,由于低分辨率的显微结构变化的人工肉眼缺陷,这是容易判断错误和遗漏。与目视检查相比,超声波检测、涡流检测和光纤检测技术有较高的灵敏度和分辨率。测试结果更加可靠。然而,这三种类型的测试还需要手动检查。此外,三种方法不仅是复杂的检测过程中,还受到大规模的结构检查和大面积监测。在分布式检测系统、大规模布线是需要提供电源和信号传输线的传感器系统。探测范围的扩张,越来越多的传感器部署,大规模电力线路和信号传输线路需要安装。如果系统是工作了很长时间,将会有许多问题在电缆上。因此,需要投入更多的人力和物质资源的检验和维护系统(9]。
无线传感器网络可以解决连接问题,减少传统嵌入式传感器检测系统的投资成本(10]。尽管有许多研究在降低无线传感器网络的能量消耗11),它仍然是不可避免的使用电池能量有限的传感器。此外,取代大量的电池需要更多的人员和时间。投资的电池也会限制传感器部署粒度(12),它将不能满足节能和环境保护措施13]。传感功能引入到无线射频识别(RFID)系统(14),结合物联网技术(15),无线无源传感器检测系统可以实现。到目前为止,已经有很多研究RFID标签天线传感器,如温度检测(16)、湿度检测(17),气体检测(18)在环境领域,无线位移检测(19),和水平检测领域的工业检测(20.]。基于RFID传感器系统,本文研究和模拟一种标签天线传感器,它可以描述扩展信息的金属缺陷。
2。文献综述
基于RFID传感技术,无损检测领域的单孔位微吹气扰动,研究主要集中在菌种和缺陷的标签天线感应测试块。为应变天线传感器,小林等人制造一个超薄压电应变传感器,使用 一系列监控做出可靠的大型设备测试通过不同工作电压有缺陷的部分,但这是一个活跃的RFID传感器网络(21]。Daliri等人进行了研究无线被动应变测量的应用使用圆形微带贴片天线(CMPA)传感器,提出了一个在1.5 GHz CMPA操作,研究不同材料对标签天线22]。使用高质量的绝缘材料作为标签天线基片的距离可以测量应变20厘米的读者,而在5厘米只能测量应变RF4介电材料(23]。
缺陷感应天线,Shishir等人设计了一个无屑的被动结构健康监测传感器基于频率选择性表面数组和一个无线微波材料与柔性衬底上传感器,其电磁特性与天线几何;天线可以检测出损伤位置(24]。Caizzone和研究和设计一双被动PIFA标签感应天线和两个PIFA标记放在两边的缺陷,可以检测混凝土结构缺陷的宽度(25]。张和田提出特定的三维天线传感器的检测和表征早期的金属腐蚀;它的大小是 ,继承了脉冲涡流无损检测的优势,提供了一个分布式监视具有成本效益的方法(26]。Martinez-Castro等人发现了缺陷的变化通过使用复合传感器阵列(27]。Marindra等人提出了一个无屑的RFID传感器标签,集4 end-loaded偶极谐振器作为一个4比特ID编码器和一个圆形微带贴片天线谐振器,和它的大小 。Sub-millimeter-level缺陷可通过实验发现自然疲劳缺陷(28]。随后,一个传感器标签的大小 长大。它是由cross-dipole补丁和不同长度(l型补丁29日]。然后,他们使用了主成分分析(PCA)方法检测金属表面裂纹,腐蚀等缺陷。Padmavathy和其他人研究了微带贴片天线圆形和矩形槽。通过使用三维电磁仿真软件,仿真结果表明,该天线可以检测缺陷的方向信息30.]。雪等人使用了罗杰斯RT /特耐用5880材料基质和介质板材料来构建一个两条垂直电容微带线缺陷传感器天线 ,可检测内部缺陷宽度100毫米,同时受环境和制造错误;获得的灵敏度系数的测试是非常不同的从数值模拟值31日]。
上述研究包括特殊材料的使用标签天线基板和使用阵列天线探测到金属或非金属的缺陷。重要的问题是,上述研究只能检测缺陷的一个方向扩张。
3所示。影响金属表面的超高频RFID偶极子标签天线
3.1。金属表面对入射电磁波的影响
从能源的角度来看,根据电磁感应原理,天线靠近金属表面时,读者会发出的电磁波的金属表面附近的“扭曲”,导致一个大的切向分量和一个小法向分量(32]。因此,天线不能获得工作能量通过削减磁感应线产生感应电流,导致被动天线无法正常工作。同时,会产生寄生电容在金属内部,造成电磁摩擦能量损失,和去谐的天线和读者;总的来说,系统性能将下降(26]。
从通信能力的角度来看,整个天线内产生涡流。天线靠近金属表面时,它会吸收电磁波的能量,转换成自己的电场能量,使电磁波能量急剧减少。最后,能量损失的一部分以热量的形式(33]。一个感应磁场将产生的涡流,及其线路将垂直于金属表面,相反方向的电磁波,这将导致磁场强度大大减弱金属表面附近(32],阅读器和天线之间的沟通能力将会受阻。
3.2。影响金属表面的标签天线的性能参数
金属有大量对天线阻抗的影响。由于金属辐射边界条件,减少了天线电抗。吸收材料可以用来解决这个问题。金属表面之间形成一个电容也和天线,这将影响天线本身的容抗,甚至更糟糕的是,这种影响不能消除。磁场强度是金属表面附近的接近于零,和天线的辐射效率严重衰减。只有当天线远离金属表面(27将它获得最大的能量。
4所示。建模和分析的三维弯曲补丁偶极天线
针对部分中讨论的问题3,由于磁感应线附近的金属平面只有切矢量和法向量组件是接近于零,磁场线的平面标签天线削减获得低能量。考虑到天线辐射效率成正比的电尺寸天线,尽可能地使用可用空间(34]。假设标签天线设计是通过增加标签介质衬底的厚度。天线可以适当远离被测设备金属表面,它可以弯曲的底物。通过这样做,可以减少磁场线天线臂在获得驱动能量,而且,标签可以减少的大小。根据矩形微带贴片天线的辐射原理可以知道,励磁电流的路径长度成反比整个标签天线的谐振频率使用两个差距两个开放结束的辐射。因此,贴片天线采用槽方法使当前天线表面居心叵测地流,增加当前的有效路径。在同一工作频率,可以减少天线的大小来实现小型化。与开槽方法有很多,比如u形槽,l型槽,h型的槽、矩形槽。开槽电流路径如图1。
(一)
(b)
(c)
(d)
如图2,同时增加标签天线的厚度基地,标签天线的结束是弯曲的基础,不同的开槽技术使用相同的模型。二维增益曲线和不同的开槽方法如图所示3。通过矩形槽,天线增益高在大多数的方向,和omnidirectionality更好飞机( )。
(一)
(b)
(c)
(d)
标签天线是用来描述金属结构缺陷。本研究对象的基材是FR4环氧板具有高耐热性和抗湿性。其介电常数为4.4,和损耗角正切角是0.02。为了调整天线阻抗匹配标签芯片阻抗,单杠提供两岸的天线,天线头提供了和电容器件,然后,矩形槽方法用于建立天线模型。最后,一个弯曲的偶极子标签天线的三维模型。天线结构模型和参数在图所示4(一)。图4 (b)显示了等效电路模型标记模型的金属表面,在那里代表了电容形成的近端饲料,和 , ,和代表了电容、电阻和电感的天线结构在图中左上方,分别。和代表了天线结构的电阻和电感在左边的标签。表明之间的电容上离开了天线结构的结构域。左边的天线分开顶部和两侧只有阻抗调整。 , ,和表明电容、电阻和电感的右上角和权利结构的标记,分别。和表明金属地面之间形成的电容和标记。金属地面的变化会影响和 ,这将影响天线阻抗的变化,间接导致标签天线和芯片之间的阻抗失配。然后,共振频率将会改变。这使得监测金属缺陷扩张。
(一)
(b)
目前,读者在商业超高频(UHF)射频识别系统可以识别频段从860兆赫到960兆赫,和天线频率915 MHz。结构参数需要调整优化芯片和天线之间的阻抗匹配优化设计时,将导致减少谐波频率。所以,如果天线谐振频率为930 MHz,一般的矩形微带天线长度( )和宽度( )计算如下(35]:
等效介电常数( )矩形贴片天线介质衬底的和相当于扩展长度( )边缘造成的微带天线领域如下:
介质厚度预设的标签天线是16毫米;然后,计算72毫米,是48毫米。本文的两端标签天线两边都折减少尺寸。因此,相当于天线应该设置为16毫米,宽度的1/3 。相反的天线可以增加天线容抗和阻抗。它有利于获得能量时,天线的手臂把切向磁场线。天线的基础高度(FR4H)设置为16毫米,宽度(FR4W)设置为16毫米,长度(FR4L)设置为22毫米。参数是由模拟,如图5;FR4H是16毫米时,天线谐振频率略大于930 MHz,所以参数设置合理。
5。一块三维弯曲偶极天线的设计
RFID传感器标签由一个芯片和天线。无源RFID标签传感器阻抗匹配尤为重要。阻抗匹配可以减少散射效应引起的回声形成内部的标签。能源利用率高,可增加传感器标签天线和读者的距离。根据外星人Higgs-3被动射频芯片数据表,广告软件是用于建立一个芯片等效电路模拟图,如图6。
仿真结果表明,外星人Higgs-3芯片阻抗变化与操作频率,如图7。随着工作频率的增加,等效电抗的射频芯片减少和容抗也在不断增加。的阻抗表所示1在875 MHz、915 MHz和955 MHz操作频率参考。
如果天线工作频率认为midfrequency 915 MHz 860 MHz和960兆赫之间,天线阻抗应设计成 。
天线的基本模型和阻抗决定。当工作频率915 MHz,天线表面和辐射边界之间的距离应大于 ;然后,理想边界条件设置 。天线主要用于描述金属缺陷。所以一个铝块的大小 被放置在天线。通过Ansys高频结构仿真器(基于)15.0建模和天线参数调优,其结构参数如图4。数据8和9的仿真结果表明,垂直深度( )天线的加载水平地带和垂直深度( )的天线端电容片不同,分别。频率移动到一个较低的频率,和垂直深度的电容板共振频率上有很大的影响。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
如图10,当 和 ,标签天线阻抗 及其回波损耗低至-43.6419分贝,达到良好的共轭匹配的标签芯片。优化天线的结构参数如表所示2。
(一)
(b)
图11显示了2 d定向增益模式和3 d标签天线的辐射方向图在金属表面。标签有更好的omnidirectionality在金属板上方的空间区域,辐射面积广。RFID阅读器可以识别标签在一个大空间。
(一)
(b)
6。分析金属缺陷扩展的感应能力
本文主要研究天线性能参数的变化,这是由缺陷引起的表面上的金属结构。缺陷的深度是一个重要的指标来判断金属的承载能力。更深的缺陷,降低金属的压缩阻力和风险因素越高。缺陷宽度可以模拟金属表面上的缺陷的扩张趋势,然后,我们可以研究缺陷的相对位置和标签定位位置缺陷发生在金属的表面结构。
6.1。金属结构表面的缺陷深度的分析
光滑的金属结构表面缺陷模拟,如图12。当缺陷12毫米的右侧天线及其宽度是3毫米,其深度的变化。结果表明,当金属表面深度的加深,天线阻抗的实部和虚部(相同频率),减少天线谐振频率向高频移动,和回波损耗系数增加,如图13。
(一)
(b)
(c)
在天线设计领域,辐射模式表示天线的无线电波强度在不同的方向。图14显示了二维天线的增益在不同缺陷的深度。仿真结果表明,随着金属表面结构缺陷深度的扩展,它几乎没有对标签天线的辐射效应的影响和定向增益,这表明在正常操作条件下,缺陷深度扩张在一定的范围内不会导致读者不能识别标签。
6.2。分析表面缺陷宽度的金属结构
缺陷位置距天线中心12毫米,和它的深度是5毫米;然后,它的宽度扩展到右边。天线阻抗共振频率和宽度变化如图15。结果表明,表面缺陷宽度的金属结构的扩展,减少天线阻抗的实部和虚部(相同频率),和它的高频共振频率移动。
(一)
(b)
(c)
同样,图16显示了二维标签天线的增益在不同缺陷宽度。在金属表面生成的缺陷宽度结构变化,辐射表面和标签天线的增益变化更少。
6.3。分析金属表面缺陷结构之间的相对距离和天线
缺陷宽度和深度设置为1毫米。表面缺陷之间的相对距离模拟金属结构和天线中心的改变,和缺陷深度和宽度保持不变。天线阻抗和共振频率的结果如图所示17。金属结构缺陷之间的相对距离和传感天线增加,真实与虚幻的天线阻抗值表现出增加的趋势(相同频率),和它的共振频率移动到较低的频率,这是不同于缺陷深度和宽度变化的结果。
(一)
(b)
(c)
二维极坐标增益的天线在不同距离如图18。1毫米的精度时,天线增益变化小的金属结构表面缺陷的位置。获得各个方向不会大大受到距离变化的影响。
7所示。结论
本文的目的是研究天线的全方位扩大金属缺陷。3 d patch-bend偶极天线的工作频率915兆赫模拟使用FR-4环氧基质和Ansys分析了基于15.0。仿真结果表明,该天线可以探测深度(2毫米精度)和宽度(1毫米精度)的光滑的缺陷(1毫米精度)金属结构表面和光滑的金属表面缺陷的位置,这是相对于传感器标签天线。辐射方向和辐射方向增益都没有很大的效果。虽然这个天线只适用于光滑表面缺陷的检测金属结构上的右侧天线,本文提供了一个新的标签天线设计参考模型。同时,3 d天线仿真模型可以描述具体的光滑的缺陷多由单个天线方向扩张。这个标签天线在无损检测有巨大的潜力和单孔位微吹气扰动。
数据可用性
不需要特定的数据集。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由四川科技项目(2019号jdtd0019)。