金属构件表面应变RFID传感标签设计及检测方法研究.pdf

摘要

及时检测应变是保障金属基础设施安全运转的关键，无损检测技术一直是检

测应变的传统手段。然而，无损检测与评估技术存在检测成本高、速度慢、范围受

限、设备庞大、难以进行连续的现场监测等问题。

光纤传感器网络与无线传感器网络（WSN：WirelessSensorNetworks）是在无

损监测与评估技术的基础上提出两种新结构健康监测（SHM：StructureHealth

Monitoring）技术。然而光纤结构健康监测系统成本高且安装复杂；而基于无线传

感网络WSN的结构健康监测技术由于采用有源传感器，每个无线传感器节点均由

电池供电，传感器寿命受电池寿命限制，此外更换电池也带来额外的维护成本。

无线射频识别（RFID：RadioFrequencyIdentification）技术作为物联网关键实

现技术，在结构健康监测中发挥重要作用，无源RFID的低成本、无源、无线特性

使其作为大型设施中高密度分布的传感器节点成为可能。因此利用RFID的感知特

性，通过RFID传感标签的高空间分布密度对工程结构损伤监测受到广泛关注。目

前国内外使用RFID传感标签对金属损伤进行检测主要为定性研究，且没有从天线

设计角度对标签进行优化来提升标签通信与传感性能；对RFID应变传感标签的研

究没有针对1000με以下小应变，难以获取应变的方向信息。针对目前RFID应变

传感标签研究中的不足，本文设计三种RFID无源传感标签，并对其应变检测方法

和检测性能进行研究。具体研究内容如下：

（1）集成式无源RFID应变传感标签。针对模拟信号在无线传输过程中易受干

扰的问题，提出并设计集成式RFID应变传感标签。该标签利用MCU进行传感信

息的A/D转换和应变信号的无线传输。构建金属试件的无线应变测量平台，通过

实验对该传感标签的应变测量的精度和重复性进行了深入分析。

（2）无芯片RFID应变大小-方向传感标签。设计由谐振器阵列、Ω传输线和

线极化超宽带微带天线组成的无芯片RFID传感标签实现应变大小和方向的监测。

根据标签的谐振器阵列中包含的应变的大小和方向特征，提出了基于多特征值融

合方法获取微小应变的大小与方向信息。通过实验评估该标签的应变检测性能。

（3）柔性超小型UHFRFID传感标签。通过参数优化设计柔性RFID传感标

签，分析有限大金属地对标签频域的影响；研究标签的应变检测性能，分析裂纹对

标签谐振频率的影响；研究减薄缺陷对标签频域的影响并分析其影响机理。

关键词：无损检测、结构健康监测、射频识别技术、无芯片RFID标签、天线设计

ABSTRACT

Thekeytoensurethesafeoperationofmetalinfrastructureistimelystraindetection.

Nondestructivetestingtechnologyhasalwaysbeenthetraditionalmeansofstrain

detection.However,NDTEtechnologyhassomeproblems,suchashighdetectioncost,

slowspeed,limitedrange,hugeequipment,difficulttocarryoutcontinuouson-site

monitoring.

Fiberopticsensornetworksandwirelesssensornetworks(WSN)arenewstructural

healthmonitoring(SHM)technologiesbasedonnondestructivemonitoringand

evaluationtechnology.However,thecostofopticalfiberstructurehealthmonitoring

systemishighandtheinstallationiscomple