一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器
技术领域
本发明属于传感技术领领域，具体涉及一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器。
背景技术
随着社会的进步与发展，无论是房屋建筑物、道路桥梁、交通工具，还是可穿戴器件，在其长期服役过程中，结构均可能会受力发生形变，产生裂缝或者移位等。这些微小的结构变化会影响到日常生产生活，甚至有可能威胁到生命安全，然而很难人为及时地检测出来，因此需要结构健康监测(Structure Health Monitoring,SHM)系统来监测各种结构的退化或损坏，并将信息及时反馈到终端，以保证各种设施的安全使用，能够极大程度上减少结构监测中人力的介入，降低成本。
20世纪70年代，SHM系统的传感器均为有线形式，如压电传感器等，需要大量的导线连接与外界之间进行信息的交流和传递，这使得安装复杂且通常需要校准。20世纪90年代，SHM得到了进一步发展，其中大部分传感器是光纤结构，基本无需校准，如最常用的光纤光栅传感器，其安装简单，主要应用光信号，且带宽较宽，可以实现几千米的信号传输，但由于光纤结构易碎，应力传感范围有限，且成本较高，无法大规模投入使用。常用的传统光纤应力传感器存在易碎和成本较高的缺点，因此需要对结构稳定性高、成本低并且传感性能高的新型应力传感器展开研究。
2009年，D.J.Thomson等人在《IEEE Sensors Journal》国际刊号为ISSN1530-437X，发表了题为“RF cavity passive wireless sensors with time-domain gating-based interrogation for SHM of civil structures”的文章。该文章公布了一款基于射频谐振腔的应力传感器，当有力施加到谐振腔上时，谐振腔的物理长度将发生变化，进而影响其谐振频率。其中谐振腔内有一根探针将腔体内的射频信号耦合到外部的天线，并基于微波信号的传输实现传感数据的无线读取。其无线传感的距离可达到10m，且辐射功率小于1mW。但该应力传感器体积笨重，灵敏度较低，应用场景十分局限。
2018年Wang S等人在《IEEE Sensors Journal》，发表了题为“MechanicalDeformation Detection of Building Structures Using Microstrip Patch Antennasas Sensors”的文章。该文章提出在贴片天线的末端加一排接地过孔，不但减小了传感器的体积，且增加了传感灵敏度。但是这种天线形式的无线传感器在测试过程中都需要射频馈电，即传感数据的获取并非真正意义上的无线传输。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供的一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器，包括：传感谐振器1、身份谐振器2和介质支撑层3，所述传感谐振器1以及所述身份谐振器2，用以产生可供读取的散射信号，所述传感谐振器1包括长度相同的两个传感谐振单元11～12，所述身份谐振器2包括n个自上而下均匀排布在所述介质支撑层3上，且长度不同的身份谐振单元21～2n，两个传感谐振单元11～12对称设置于所述介质支撑层3两端，所述身份谐振器2中心与所述介质支撑层3的中心相同，所述介质支撑层3采用柔性材料制成。
可选的，所述身份谐振单元21～2n是U型结构，所述身份谐振单元21～2n与所述传感谐振单元11～12正交。
可选的，所述U型结构的身份谐振单元的间隙宽度为1mm。
可选的，长度最大的U型结构的身份谐振单元的长度为13mm。
可选的，所述身份谐振单元21～2n的长度自上而下按照所述长度幅度递增。
可选的，所述身份谐振单元21～2n-1的长度自上而下按照所述长度幅度递减，所述身份谐振单元2n的长度在所述身份谐振单元21的长度上递增所述长度幅度。
可选的，所述两个传感谐振单元是U型结构，两个U型结构的传感谐振单元的开口相对。
可选的，所述U型结构的传感谐振单元的间隙宽度为6mm，长度为15mm。
可选的，所述介质支撑层3采用介电常数εr＝2.7的PDMS材料制成。
可选的，所述介质支撑层3的长度a＝66mm，宽度b＝36mm，厚度d＝0.5mm。
本发明实施例提供的一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器，该压力传感器是基于雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)的谐振型无芯片标签，由几个蚀刻在介质支撑层上长度不同的半波长的身份谐振单元组成，通过拉伸或者压缩，身份谐振单元以及传感谐振单元之间发生变化，传感谐振单元根据产生的谐振频率得到的拉伸力或者压缩力的大小。身份谐振单元产生谐振频率，以后向散射信号形式被阅读器读取，将各身份谐振单元相应的谐振频率在频谱上的位置作为对应标签的身份信息，从而被识别。因此本发明的应力传感器成本低、结构简单、传感信息和身份编码信息独立控制，传感灵敏度高且传感过程身份信息稳定性也较高的优点。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器的俯视结构图；
图2为本发明实施例提供的一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器的侧视结构图；
图3为本发明实施例提供的应力传感器受力拉伸的结构变化示意图；
图4为本发明实施例提供的U型结构的身份谐振单元以及传感谐振单元的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的身份谐振单元另一种结构图；
图6为本发明实施例提供的介质支撑层的结构示意图；
图7为本发明仿真实施例一的频率响应仿真结果图；
图8a为本发明仿真实施例一，谐振器频率在2.3GHz的表面电流仿真结果图；
图8b为本发明仿真实施例一，谐振器频率在2.7GHz的表面电流仿真结果图；
图8c为本发明仿真实施例一，谐振器频率在3.3GHz的表面电流仿真结果图；
图8d为本发明仿真实施例一，谐振器频率在4.2GHz的表面电流仿真结果图；
图8e为本发明仿真实施例一时，谐振器频率在6.6Hz的表面电流仿真结果图；
图8f为本发明仿真实施例一时，谐振器频率在6.94GHz的表面电流仿真结果图；
图9为本发明仿真实施例一传感响应仿真结果图；
图10为本发明仿真实施例六传感响应仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
参见图1-图2，图1是本发明实施例提供的一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器的俯视结构图，图2是本发明实施例提供的一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器的侧视结构图。本发明实施例提供的一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器，包括：传感谐振器1、身份谐振器2和介质支撑层3，其特征在于，所述传感谐振器1以及所述身份谐振器2，用以产生可供读取的散射信号，所述传感谐振器1包括长度相同的两个传感谐振单元11～12，所述身份谐振器2包括n个自上而下均匀排布在所述介质支撑层3上，且长度不同的身份谐振单元21～2n，两个传感谐振单元11～12对称设置于所述介质支撑层3两端，所述身份谐振器2中心与所述介质支撑层3的中心相同，所述介质支撑层3采用柔性材料制成。
其中，n>2。
以n＝4为例，参考图1，图1中包含自上而下均匀排布在所述介质支撑层3上，且长度不同的身份谐振单元21～24，传感谐振单元11～12对称设置于所述介质支撑层3两端，身份谐振单元可以是半波长谐振器
参考图3，图3展示应力传感器在拉力作用下的形态变化，以采用柔性材料制成的介质支撑层3，使得应力传感器具有可拉伸特性。通过对应力传感器y方向产生拉力，使得身份谐振单元以及传感谐振单元的结构参数改变，从而改变身份谐振单元的频谱信息实现传感。具体过程为：将身份谐振单元21、22、23和24的间隙宽度通过y方向的拉力使伸长量从0变化到3mm。传感谐振器是用于介质支撑层发生形变，而造成自身的形变，通过如此方式产生的散射信号，通过不同的散射信号的频谱信息可以获知产生形变的力的大小。
可以理解，为了实现传感数据的无线传输，可以利用射频识别(Radio FrequencyIdentification，RFID)。目前RFID标签有两种类型，根据其是否包含芯片，分为包含芯片的传统RFID标签，以及不包含芯片的无芯片标签或者射频条形码。无芯片标签通常比传统有芯片的标签在机械强度及热稳定性方面更具优势，此外无芯片标签所需外来信号的功率比传统标签更低，且能实现远距离通信，以及当有非透明介质遮挡时的非视线范围通信。
可以理解，无芯片标签不再像传统RFID标签一样将身份信息存储在芯片中，而是直接编写在标签本身。在频域中，无芯片标签最重要的就是将导电图案的几何长度与其在频谱上的编码信息对应起来。使用RCS的谐振型无芯片标签实现了小型化、读取简单，且无需接收和发射天线的特点。
本发明实施例提供的一种基于无芯片射频识别标签的应力传感器，该压力传感器是基于雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)的谐振型无芯片标签，由几个蚀刻在介质支撑层上长度不同的半波长的身份谐振单元组成，通过拉伸或者压缩，身份谐振单元以及传感谐振单元之间发生变化，身份谐振单元产生谐振频率，以信号形式呈现。当每个身份谐振单元的后向散射信号被阅读器读取，将各身份谐振单元相应的谐振频率在频谱上的位置作为对应标签的身份信息，从而被识别。由于身份信息是基于不同导电图案产生的特定电磁信号，该特定的电磁信号即为这个无芯片标签的身份编码信息。而传感谐振单元在产生形变后，根据产生的信号得到的拉伸力或者压缩力的大小。因此本发明实施例成本低、结构简单、传感信息和身份编码信息独立控制，传感灵敏度高且传感过程身份信息稳定性也较高的优点。
实施例二
作为本发明可选的实施例，所述身份谐振单元21～2n是U型结构，所述身份谐振单元21～2n与所述传感谐振单元11～12正交。
可以理解，将传感谐振单元与身份谐振单元正交放置，保证两个传感谐振单元与身份谐振单元两端呈90°，如此身份谐振单元与传感谐振单元的激励是不同极化的平面波入射。以保证传感信息单元和身份信息单元能够对不同极化的平面波产生响应。
实施例三
作为本发明可选的实施例，所述U型结构的身份谐振单元的间隙宽度为1mm。
参考图4，图4展示的U型结构，间隙宽度表示为gi，长度表示为lri，将身份谐振单元21、22、23和24的gi通过y方向的拉力使伸长量从0变化到3mm。
可以理解，传感谐振器和身份谐振器能够在外界应力变化的情况下实现几何长度中长度以及间隙宽度二者的共同变化，从而提升无线应力传感的精确性。
实施例四
作为本发明可选的实施例，长度最大的U型结构的身份谐振单元的长度为13mm。
实施例五
参考图作为本发明可选的实施例，所述身份谐振单元21～2n的长度自上而下按照所述长度幅度递增。
其中，长度幅度可以为2mm。
参考图1，假设n＝4，长度最大的身份谐振单元的长度为13mm，长度幅度为2mm，则自上而下身份谐振单元21的长度为15mm，身份谐振单元22的长度为17mm，身份谐振单元23的长度为19mm，身份谐振单元24的长度为21mm。
实施例六
作为本发明可选的实施例，所述身份谐振单元(21～2n-1的长度自上而下按照所述长度幅度递减，所述身份谐振单元2n的长度在所述身份谐振单元21的长度上递增所述长度幅度。
参考图5，图5为身份谐振单元另一种结构在应力传感器展示，通过将调整身份谐振单元的长度，从而改变身份谐振单元与传感谐振单元之间的耦合效应，实现该应力传感器灵敏度的可控。
实施例七
作为本发明可选的实施例，所述两个传感谐振单元是U型结构，两个U型结构的传感谐振单元的开口相对。
可以理解，所述传感谐振器和身份谐振器均为U形谐振器结构，以保证在谐振频点处获得最大的RCS(雷达散射截面)值和最小的3dB带宽，提升传感器的性能。
实施例八
作为本发明可选的实施例，所述U型结构的传感谐振单元的间隙宽度为6mm，长度为15mm。
参考图4，图4也同时展示了U型结构的传感谐振单元的结构，该U型结构的间隙宽度可以为6mm，长度为15mm。
实施例九
作为本发明可选的实施例，所述介质支撑层(3)采用介电常数εr＝2.7的PDMS材料制成。
实施例十
作为本发明可选的实施例，所述介质支撑层(3)的长度a＝66mm，宽度b＝36mm，厚度d＝0.5mm。
参考图6，图6展示了介质支撑层的结构，在该结构中介质支撑层的长度可以为a＝66mm，宽度b＝36mm，厚度d＝0.5mm。
下面利用仿真试验，验证本发明实施例提供的应力传感器的性能。
仿真1，对本发明实施例的RCS(Rich Communication Suite，融合通信)参数进行仿真，其中入射平面波的电场沿着y方向，n＝4，结果如图7和图8a-图8f。图7中横坐标为频率，单位为GHz，范围为从2-10GHz，纵坐标为RCS值，单位为mm2，范围为0～3000mm2。
图8a-图8f为表面电流分布图，单位为A/m，范围为0～0.261A/m，其中图8a～图8d分别为在2.3GHz、2.7GHz、3.3GHz和4.2GHz时的表面电流图，图8e为身份谐振器在6.6GHz时的表面电流图，图8f为身份谐振器在6.94GHz时的表面电流图。
由图7和图8a-图8f可知，在2-7GHz频段内，RCS有6个峰值，分别为f1＝2.3GHz，f2＝2.7GHz，f3＝3.3GHz，f4＝4.2GHz，f5＝f6＝6.6GHz，f7＝6.94GHz，其中f1，f2，f3和f4分别为身份谐振单元21，22，23和24的谐振频率，f5和f6为传感谐振单元11和12的谐振频率，f7为21的第二个谐振频点。由此可见在该频段内同时存在4个身份信息和2个传感信息，且f5<f7，f6<f7，使得传感谐振单元传感的频谱信息不与身份谐振单元传感的身份信息在频谱中产生混叠或干扰。
仿真2，对本发明实施例一的RCS参数进行仿真，其中入射平面波的电场沿着y方向，n＝4，结果如图9。图9中横坐标为频率，单位为GHz，范围为从2-10GHz，纵坐标为RCS值，单位为mm2，范围为0～3500mm2。
由图9可知，在2～10GHz频段内，通过对无芯片RFID标签应力传感器y方向产生拉力，将身份信息单元21、22、23和24的gi通过y方向的拉力使伸长量从0变化到3mm的过程中，用于身份信息编码的谐振频率f4从4.2GHz向低频偏移到3.986GHz，产生了0.216GHz的频率偏移量。对应地，传感信息的谐振频率f5与f6从6.72GHz偏移到5.94GHz，产生了0.78GHz的频率偏移量，该结构下的灵敏度为0.26GHz/mm。这说明在0-3mm的伸长量范围中，表征身份信息的24谐振频率f4也产生了一定的频率偏移。原理是：在结构上24紧邻11，两者在有限的间距下仍存在一定耦合，24的谐振频率f4与代表传感信息的频率f5与f6最为接近，因此，由于两者之间耦合的影响，11的枝节长度lr随外力伸长变化，传感信息f5与f6显著偏移的同时，身份信息f4也产生了较为明显的频率偏移。
仿真3，对本发明实施例六的RCS参数进行仿真，其中入射平面波的电场沿着y方向，结果如图10。图10中横坐标为频率，单位为GHz，范围为从2-10GHz，纵坐标为RCS的面积，单位为mm2，范围为0～3000mm2。
由图10可知，在2～10GHz频段内，同样是受外力使得应力传感器产生0-3mm范围内的伸长量，该调整后的传感器在该范围内，随着伸长量的增加，传感信息的谐振频率f5与f6均从6.76GHz向低频偏移到5.81GHz，频率偏移量为0.95GHz，传感灵敏度为0.316GHz/mm。同时在该范围内，24的谐振频率f4从4.09GHz偏移到3.98GHz，偏移量为0.11GHz。相较于图9所示未经结构调整的结果，在相同的伸长量范围内，传感信息的偏移量增加了0.17GHz，灵敏度增加了0.057GHz/mm，同时24的谐振频率f4偏移量降低了0.106GHz。即可以通过调整应力传感器中身份谐振单元的结构，实现灵敏度与身份信息的稳定性的可控。
综上，本发明提出的基于无芯片射频识别标签的应力传感器，解决了传统应力传感器传感信息和身份信息无法独立控制的问题，实现了小型化、读取简单且无需接收和发射天线的优点，同时提升了传感灵敏度，并实现了灵敏度与身份信息的稳定性的可控。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
