一种远距离抗金属标签天线传感器及缺陷检测方法

摘要

本发明公开了一种远距离抗金属标签天线传感器，主要包括介质谐振器、金属条带及标签芯片，其中，介质谐振器工作在HEM11δ模式下，金属条带位于介质谐振器的上方，标签芯片位于金属条带的中心开口处；抗金属标签天线工作时，先将抗金属标签天线置于被监测金属体的上方，同时调节抗金属标签天线的目标阻抗和标签芯片的阻抗，使抗金属标签天线的目标输入阻抗在中心频点处与标签芯片的阻抗共轭匹配，当抗金属标签天线开始检测被监测金属体时，通过观测抗金属标签的激活功率改变来确定被监测金属体是否存在缺陷，具有低成本、远距离、高精准度等优点。

权利要求

1.一种远距离抗金属标签天线传感器，其特征在于，包括：介质谐振器、金属条带及标签芯片；

所述的介质谐振器采用介电常数为90，损耗角正切为0.00001的柱状陶瓷作为天线辐射体，工作在HEM11δ模式下，用于减小标签天线尺寸并提高增益；

所述的金属条带位于介质谐振器的上方，金属条带的尺寸可以调节，用于模式激励和阻抗匹配，在金属条带中心位置处预留一开口，开口的大小能够容纳标签芯片；

所述的标签芯片位于金属条带的中心开口处，用于无线通信及传感信号的传递。

2.根据权利要求1所述的一种远距离抗金属标签天线传感器，其特征在于，所述的标签芯片选用型号为IMPINJ MONZA 4QT无源标签芯片。

3.一种利用权利要求1所述的远距离抗金属标签天线传感器进行缺陷检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、将抗金属标签天线传感器置于被监测金属体的上方；

(2)、根据选用的标签芯片和中心频点，确定抗金属标签天线传感器的目标输入阻抗；

(3)、调节介质谐振器和金属条带的尺寸，使抗金属标签天线传感器的目标阻抗在中心频点处与标签芯片的阻抗共轭匹配；

(4)、计算激活功率；

计算激活功率的具体方法为：

(4.1)、计算标签阅读器的最小阅读距离Dmin：

其中，λ0表示波长，Greal表示抗金属标签天线传感器的实际增益，EIRP表示标签阅读器的等效全向发送功率，Pth表示标签芯片的接收灵敏度，ρ表示标签阅读器与抗金属标签天线传感器之间的极化失配；

(4.2)、计算标签阅读器激活标签芯片所需的最小激活功率为：其中，Dmin表示最小阅读距离，GR表示标签阅读器的增益；

(5)、标签阅读器发送激活功率激活标签芯片，抗金属标签天线传感器开始检测被监测金属体并返回一定的输出功率至标签阅读器，当标签阅读器上观测到激活功率发生改变时，则抗金属标签天线传感器的输入阻抗与标签芯片的阻抗失配或谐振频率偏移，即对应被监测金属体存在缺陷。

4.根据权利要求3所述的远距离抗金属标签天线传感器进行缺陷检测的方法，其特征在于，所述的缺陷包括裂纹。

5.根据权利要求3所述的远距离抗金属标签天线传感器进行缺陷检测的方法，其特征在于，所述的缺陷包括腐蚀金属表面。

说明书

一种远距离抗金属标签天线传感器及缺陷检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于射频识别和传感领域，更为具体地讲，涉及一种远距离抗金属标签天线传感器及缺陷检测方法。

背景技术

[0002] 在轨道交通、石油天然气管道、核能和电力设备等重要领域，金属构件(钢、铁、铝、钛合金等)是主要组成部分。由于长期暴露在露天环境及频繁的应力作用，裂纹是金属构件常见的缺陷，对大规模设施进行连续监测是保证其在生命周期内安全可靠运行的关键。由于设备笨重、检测速度慢、可检测范围小及自动化程度低，传统无损检测技术若用来检测大规模设施中的损伤，特别是在复杂环境下，可行性差或者花销巨大。分布式无线传感网络是保障大规模设施结构健康的有力选择，旨在将基于时间的维护演变成更为节约成本的基于状况的维护及生命周期的评估。当前大多数的无线传感器节点使用电池供电，处置数十亿电池将对环境造成长期风险。同时有限的电池寿命限制了传感节点部署的粒度并增加了维护成本。因此，大规模设施的结构健康监测促使新型无线传感网络朝着无源、智能化、低功耗、低成本及高可靠的方向发展。

[0003] RFID标签感知技术是近年来兴起的一项新型传感技术，在RFID标识和追踪的基础上赋予智能感知功能，具有低成本、低功耗、智能化和无线传输等特点，能够实时监测被检测环境(如温度、湿度)的状态。将RFID传感技术从对环境的监测扩展到对标识对象健康状态的检测与评估，标签天线感知技术通过无源RFID标签天线获取标签阅读器发送无线能量的同时检测被标识物体的健康状态，并通过反向散射通信方式经由无线信道在一定距离外接收并提取出所标识物体缺陷信息。由于不需要额外的传感器件，无源RFID标签天线感知技术能进一步降低传感节点的功耗及成本，是节点成本或寿命受限大规模设施长期监测的重要手段。

[0004] 无源RFID标签天线传感实为模拟感知技术，其传感依赖于天线模式扰动及由此引起的阻抗失配，因此天线模式与阻抗匹配是对不同形态、尺寸缺陷实现可靠检测的关键。标签天线传感技术在信息及能量传递过程中同时传输感知信息，因此，通信与传感会相互影响。也就是说，标签天线模式选择、阻抗匹配与增益提高是提高传感系统工作距离和可靠性的关键。设计该类传感器及在无损检测与结构健康监测方面应用涉及的主要挑战有：

[0005] 1)可安装在金属表面：用于金属安装RFID标签天线的设计受到一系列限制：低成本、低轮廓和共形结构，在各种尺寸和形状的良导体表面匹配良好并具有较高的增益；

[0006] 2)传感导向：天线作为传感器，应能正确可靠地检测和表征金属表面缺陷，至少在大多数重要范围内保持单调的和足够敏感的；

[0007] 3)性能平衡或折衷：天线传感器兼具通信与传感能力，而通信和传感能力可能具有相反地需求：标签的天线通常设计为在健康状态下与标签芯片共轭匹配，而缺陷的产生及传播会引起标签天线与芯片的阻抗失配(扰动)，这将导致通信距离的减小；

[0008] 4)物联网大数据与决策：为了对大规模设施实施基于状况的维护，缺陷易发区域传感节点分布粒度及缺陷在线可靠检测和评估是该技术应用的关键。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种远距离抗金属标签天线传感器及缺陷检测方法，融合了无损检测和结构健康监测的特点，对大规模设施进行在线监测，具有低成本、远距离、高精准度等优点。

[0010] 为实现上述发明目的，本发明一种远距离抗金属标签天线传感器，其特征在于，包括：介质谐振器、金属条带及标签芯片；

[0011] 所述的介质谐振器采用高介电常数的柱状陶瓷作为天线辐射体，工作在HEM11δ模式下，用于减小标签天线尺寸并提高增益；

[0012] 所述的金属条带位于介质谐振器的上方，金属条带的尺寸可以调节，用于模式激励和阻抗匹配，在金属条带中心位置处预留一开口，开口的大小能够容纳标签芯片；

[0013] 所述的标签芯片位于金属条带的中心开口处，用于无线通信及传感信号的传递。

[0014] 其次，本发明还提供了一种利用远距离抗金属标签天线传感器进行缺陷检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0015] (1)、将抗金属标签天线传感器置于被监测金属体的上方；

[0016] (2)、根据选用的标签芯片和中心频点，确定抗金属标签天线传感器的目标输入阻抗；

[0017] (3)、调节介质谐振器和金属条带的尺寸，使抗金属标签天线传感器的目标阻抗在中心频点处与标签芯片的阻抗共轭匹配；

[0018] (4)、标签阅读器发送激活功率激活标签芯片，抗金属标签天线传感器开始检测被监测金属体并返回一定的输出功率至标签阅读器，当标签阅读器上观测到功率发生改变时，则抗金属标签天线传感器的输入阻抗与标签芯片的阻抗失配或谐振频率偏移，即对应被监测金属体存在缺陷。

[0019] 本发明的发明目的是这样实现的：

[0020] 本发明一种远距离抗金属标签天线传感器，主要包括介质谐振器、金属条带及标签芯片，其中，介质谐振器工作在HEM11δ模式下，金属条带位于介质谐振器的上方，标签芯片位于金属条带的中心开口处；抗金属标签天线工作时，先将抗金属标签天线置于被监测金属体的上方，同时调节抗金属标签天线的目标阻抗和标签芯片的阻抗，使抗金属标签天线的目标输入阻抗在中心频点处与标签芯片的阻抗共轭匹配，当抗金属标签天线开始检测被监测金属体时，通过观测抗金属标签的激活功率改变来确定被监测金属体是否存在缺陷，具有低成本、远距离、高精准度等优点。

附图说明

[0021] 图1是本发明所述远距离抗金属标签天线传感器的原理图；

[0022] 图2是介质谐振器的电磁场分布；

[0023] 图3是抗金属标签天线传感器输入阻抗调节仿真曲线及反射系数；

[0024] 图4是抗金属标签天线传感器仿真反射系数随裂纹深度的变化曲线；

[0025] 图5是抗金属标签天线传感器仿真实际增益及阅读距离随裂纹深度的变化曲线。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

[0027] 实施例

[0028] 图1是本发明所述抗金属标签天线的原理图。

[0029] 在本实施例中，设计一款增益为3-dBi的标签天线传感器并能在2-m距离外对表面裂纹深度分辨能力达到1mm的抗金属标签天线。如图1所示，抗金属标签天线传感器，包括：介质谐振器、金属条带及标签芯片，其中，图1(a)是抗金属标签天线的正视图，图1(b)是抗金属标签天线的侧视图。

[0030] 介质谐振器采用选用介电常数为90，损耗角正切为0.00001的柱状陶瓷作为天线辐射体，工作在HEM11δ模式下，用于减小标签天线尺寸并提高增益，其中，激励HEM11δ模式的总尺寸设置为L×h＝30mm×12mm；为了实现对金属表面缺陷的可靠检测，该抗金属标签天线结构磁场设计为在介质谐振器和被监测金属体的分界面中心处达到最大值，电场在介质谐振器的两侧达到最大，其中，介质谐振器对应的电场和磁场分布如图2所示，图2(a)是介质谐振器的电场分布图，图2(b)是介质谐振器的磁场分布图。

[0031] 金属条带位于介质谐振器的上方，金属条带的尺寸可以调节，在本实施例中，金属条带的尺寸设置为Ls×Ws＝27mm×1mm，金属条带主要用于模式激励和阻抗匹配，在金属条带中心位置处预留一开口，开口的大小能够容纳标签芯片；

[0032] 标签芯片位于金属条带的中心开口处，用于无线通信及传感信号的传递，标签芯片选用型号为IMPINJ MONZA 4QT无源标签芯片。

[0033] 下面利用抗金属标签天线传感器对某一金属体进行缺陷检测的过程进行具体说明，设某一金属体的尺寸设置为100mm×100mm×5mm，在金属体的表面有一个尺寸为Lc×Wc×dc的一个横向表面裂纹，裂纹与金属条带正交，其检测的具体步骤为：

[0034] (1)、将抗金属标签天线传感器置于被监测金属体的上方；

[0035] (2)、根据选用的标签芯片和中心频点，确定抗金属标签天线传感器的目标输入阻抗；在本实施例中，在915MHz中心频点处该标签芯片的输入阻抗和典型读取灵敏度分别为Zchip＝11-j143Ω和Pth＝-17.4dBm；

[0036] (3)、调节金属条带的尺寸，使抗金属标签天线传感器的目标阻抗在中心频点处与标签芯片的阻抗共轭匹配；在本实施例中，将裂纹深度dc设置为0mm并将金属条带宽度Ws设置为1mm，对金属条带Ls进行长度扫描，所得输入阻抗及反射系数如图3所示，其中，图3(a)是输入阻抗分布图，图3(b)是反射系数分布图。可以看到，改变Ls能够有效地调节天线的输入电抗，当金属条带的尺寸调节到Ls×Ws＝27mm×1mm，与目标芯片阻抗在中心频点附近实现共轭匹配；

[0037] (4)、标签阅读器发送一定的功率激活标签芯片，抗金属标签天线传感器开始检测被监测金属体并返回一定的输出功率至标签阅读器，当标签阅读器上观测到功率发生改变时，则抗金属标签天线传感器的输入阻抗与标签芯片的阻抗失配或谐振频率偏移，即对应被监测金属体存在缺陷，标签阅读器端可以通过监测返回功率的强度及IQ解调信号来监测缺陷的发生及程度。

[0038] 在本实施例中，将裂纹长度Lc和宽度Wc分别设置为20mm和1mm，固定介质谐振器及金属条带尺寸，对裂纹深度dc以1mm为步长进行扫描，所得反射系数如图4所示，同时，图5给出了对应裂纹深度dc的实际增益及在4-W等效全向辐射功率下标签的理论阅读距离，可以看到，改变dc能够显著改变抗金属标签天线的实际增益及阅读距离。

[0039] 其中，最小阅读距离Dmin与抗金属标签天线传感器实际增益的关系可以下式计算：

[0040]

[0041] 其中，λ0表示波长，Greal表示抗金属标签天线传感器的实际增益，EIRP表示标签阅读器的等效全向发送功率，Pth表示标签芯片的接收灵敏度，ρ表示标签阅读器与抗金属标签天线传感器之间的极化失配。

[0042] 进一步地，标签阅读器激活标签芯片所需的最小功率可以通过下式计算：

[0043]

[0044] 其中，Dmin表示最小阅读距离，GR表示标签阅读器的增益。

[0045] 此外，本发明不仅可以检测裂纹缺陷，还可以检测腐蚀金属表面的常规缺陷。

[0046] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。