基于RFID技術(shù)的結(jié)構(gòu)應變傳感器研究綜述

種玉配，王其昂，張 誠，賀子良，熊炎林

(1.中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院，廣東 廣州 511400； 2.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221000；3.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 511400)

隨著各類大跨橋梁、隧道、超高層建筑的日益發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)安全性、耐久性方面的問題普遍突出。近些年部分大型土木結(jié)構(gòu)事故頻發(fā)，使人們意識結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的重要性以及必要性。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對重大土木工程結(jié)構(gòu)進行損傷識別、可靠性評估及優(yōu)化設計已成為土木工程領(lǐng)域的研究熱點。其中傳感器系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器指的是可感知規(guī)定的被測量(如結(jié)構(gòu)響應)，并將其經(jīng)過一定的處理后，轉(zhuǎn)化為聲、光、電等可被傳輸和測量的信號的元器件。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測常用傳感器包括：加速度傳感器、位移傳感器、應變傳感器、溫度傳感器、風速傳感器等。應變傳感器是其中重要的一種，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域應用廣泛，對結(jié)構(gòu)易損構(gòu)件或部位開展應變監(jiān)測,判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。應變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)局部響應數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)損傷定位、疲勞損傷等方面有著重要的研究價值。

常用的應變傳感器有電阻式應變片[1-3]、振弦式應變計[4-5]和布拉格光柵應變傳感器[6-7]。電阻式應變片可將應變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，但通常阻值變化較小不易測量，利用惠斯通電橋可將應變片電阻值的變化，轉(zhuǎn)化為可被測量的電勢差；振弦式應變計則是將應變轉(zhuǎn)化為容易測量的弦的共振頻率；布拉格光柵應變傳感器的基本原理是將應變轉(zhuǎn)化為光波波長或中心頻率的變化。但在實際工程應用中該類應變傳感器存在較多弱點：傳感器需通過有線的方式相互連接以及采集傳輸數(shù)據(jù)，引線較多、作業(yè)復雜、數(shù)據(jù)采集設備價格昂貴。此外，如電阻式應變片在應變作用下的電阻變化通常較小，之后通過有線方式傳輸?shù)綌?shù)采系統(tǒng)，微弱阻值變化的傳輸對導線要求更高求并增加了成本。同時，過長導線傳輸弱電阻變化時易受噪聲影響，大大降低了信號的準確性。

RFID在國外起步較早，其理論基礎誕生于20世紀40年代，目前已成為傳感技術(shù)一個熱點研究方向，該技術(shù)主要通過其無線傳輸以及標簽幾何參數(shù)的變化與頻響函數(shù)之間的關(guān)系，開展數(shù)據(jù)信息傳遞。由于成本低、無源無線等優(yōu)勢，目前該技術(shù)在美國土木工程領(lǐng)域已初步投入到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。相比較，我國在該領(lǐng)域起步晚，隨著2006年以來國家政策的激勵，RFID傳感技術(shù)得到較快發(fā)展。該技術(shù)兼?zhèn)浠A科學與工程應用的特性，該技術(shù)不僅能彌補傳統(tǒng)監(jiān)測方法布線復雜、高成本等缺點，且可較好克服其他無線傳感技術(shù)系統(tǒng)繁瑣、效率不高的缺點。盡管一些無線傳感技術(shù)嘗試改善傳統(tǒng)有線應變傳感的缺點，但仍存在諸多不足，如信號采集過程中仍需外部供能，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生較大損傷，可能導致供能系統(tǒng)癱瘓，無法記錄結(jié)構(gòu)損傷過程應變時程。在土木工程應用中，為克服有線、有源應變傳感器的缺點，基于無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)的應變傳感技術(shù)應運而生。宋國榮等[8]開發(fā)了一種無源無線基于RFID的微帶天線應變傳感器，微帶天線作為RFID標簽的天線接收能量并傳輸返回信號，通過天線諧振頻率和應變的線性關(guān)系來測試應變。黃程[9]設計了一款新型無源被動應變傳感器，利用標簽天線的尺寸形狀和諧振頻率之間的線性關(guān)系來測量應變，大大提高了標簽的最大讀取距離。何依依[10]設計了短路短結(jié)線饋電和H槽饋電兩種不同饋電方式的應變傳感器，兩種傳感器都可以在金屬表面使用且具有60%多的傳遞效率，利用不同方向的應變與天線諧振頻率的關(guān)系來實現(xiàn)測量應變的目的。Rennane等[11]提出了一種新型無源超高頻RFID結(jié)構(gòu)應變傳感器，標簽通過惠斯通電橋連接應變片，輸出電壓和應變呈線性關(guān)系，從而可以測得外界強迫力。Chakaravarthi等[12]提出了一種可多次重復使用的RFID金屬應變測量傳感器，利用RFID接收到的信號強度RSSI和其對應的頻率來測試應變，該天線可反復測量金屬應變，因此可以用在金屬結(jié)構(gòu)如鋼結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測之中。Jayawardana等[13]開發(fā)了一種可以同時測量加速度和應變的集成標簽天線傳感器，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有良好的應用前景。利用RFID技術(shù)的非接觸式信息傳遞、射頻能量收集的特點，可實現(xiàn)應變傳感器的無源、無線、低成本及耐久性好等技術(shù)優(yōu)勢。

1 RFID技術(shù)

RFID為非接觸式自動識別技術(shù)，通過射頻信號空間耦合開展無線、非接觸的數(shù)據(jù)傳輸。RFID硬件單元主要由標簽、閱讀器、檢測電路以及中央處理單元等組成。其主要工作流程為：當電子標簽進入閱讀器產(chǎn)生的射頻電磁場后，電子標簽的天線中產(chǎn)生感應電流，電子標簽被激活，電子標簽中的A/D轉(zhuǎn)換電路，將存儲在電子標簽芯片中的信息，進行編碼后，通過負載調(diào)制的方式，通過標簽天線以特定頻率的射頻信號，向閱讀器發(fā)送存儲在標簽芯片中的信息。閱讀器通過天線接受標簽的射頻信號，將其解碼后，送至與之相連的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。射頻識別技術(shù)的優(yōu)點有：非接觸式識別、能耗低、使用壽命長、可重復使用、信息傳遞速度快、安全性好、成本低等。

1.1 RFID標簽及RFID閱讀器

RFID系統(tǒng)的主要組成部分包括RFID標簽與RFID閱讀器。RFID標簽又稱應答器；RFID閱讀器又稱讀寫器。RFID標簽與閱讀器之間通過射頻信號的電磁耦合進行信息和能量的傳遞。

通常，RFID標簽與被識別對象粘貼在一起，每個RFID標簽都有預先設定的標簽號，以電子代碼的形式存儲于標簽芯片中。RFID標簽有3種能量供給方式，主動式、被動式和半被動式。主動式標簽配備電池，被動式無外部電源(通過天線從電磁場吸收能量)，半被動標簽部分依賴電池工作。根據(jù)工作頻率的不同，RFID標簽可分為低頻(135 kHz)電子標簽、高頻(13.56MHz)電子標簽、超高頻(860～960MHz)電子標簽和特高頻(2.45GHz～5.8GHz)電子標簽。RFID標簽的主要功能是存儲被識別對象的信息并發(fā)送到RFID閱讀器。對于可讀寫式RFID標簽，除了存儲標簽號的內(nèi)存之外，通常還有可供使用者寫入其他附加信息的附加內(nèi)存。

RFID閱讀器借助天線通過射頻信號與標簽進行無線通信，可開展RFID標簽信息的讀寫操作。RFID閱讀器還為無源標簽功能，發(fā)射電磁波激活標簽中檢測電路。此外，RFID閱讀器可與外部上位機系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與實時顯示。RFID閱讀器工作頻率分類與RFID標簽一致。

1.2 負載調(diào)制：應變信號的無線傳輸

負載調(diào)制是RFID電子標簽向讀寫器傳輸應變數(shù)據(jù)的主要方法[14]。負載調(diào)制的原理是：按照電子標簽要向閱讀器發(fā)送的二進制編碼的節(jié)拍，控制負載電阻或者電容的接入或斷開，從而使得標簽載波的幅值(或相位、頻率)有規(guī)律地改變，通過電磁空間耦合，將這種變化傳遞給閱讀器。閱讀器天線接收到這種變化后，通過解調(diào)，將負載調(diào)制的信息還原為二進制編碼，實現(xiàn)RFID標簽向閱讀器的通信[15]。在RFID系統(tǒng)中，負載調(diào)制技術(shù)的方式主要有電阻負載調(diào)制和電容負載調(diào)制兩種[16-17]。

圖1給出了電阻負載調(diào)制的電路圖。在電阻負載調(diào)制中，與負載RL并聯(lián)的電阻Rmod稱為負載調(diào)制電阻。S表示開關(guān)，控制負載調(diào)制電阻是否接入電路中，開關(guān)S按照二進制編碼的節(jié)拍接通或斷開。電阻負載調(diào)制是通過控制負載電阻的接入與否，調(diào)節(jié)電子標簽的載波幅值，進而將電子標簽的信息傳遞給閱讀器。

圖2給出了電容負載調(diào)制的電路圖。在電容負載調(diào)制中，負載與電容并聯(lián)，代替了由二進制數(shù)據(jù)編碼控制的調(diào)制電阻。在電阻負載調(diào)制中，諧振狀態(tài)下電抗為零，載波只有二進制編碼節(jié)拍的幅度改變。而在電容負載調(diào)制中，負載調(diào)制電阻變成電容后，電抗不為零，此時載波波形變化不僅存在幅值的改變，也存在相位的改變。

2 RFID應變傳感器

經(jīng)過近些年的發(fā)展，RFID應變傳感器種類較多。本文將從傳感器設計思路、傳感器工作頻段以及有無芯片三方面對RFID應變傳感器研究進展及應用進行總結(jié)。

2.1 基于不同設計思路的RFID應變傳感器分類

目前基于RFID技術(shù)的應變傳感器研發(fā)主要有2種技術(shù)方案：(1)第一種是基于RFID標簽天線的應變傳感技術(shù)。該思路直接通過RFID標簽天線開展應變測量，其工作原理為，當RFID標簽系統(tǒng)的微帶天線產(chǎn)生一定應變時，其電學信號將發(fā)生改變，最常用的為標簽的諧振頻率，通過RFID閱讀器捕捉該變化，反演出應變數(shù)據(jù)；(2)第二種是基于RFID標簽與傳統(tǒng)應變傳感單元相結(jié)合的應變傳感技術(shù)。該思路則是將RFID標簽與傳統(tǒng)成熟的應變傳感單元相連接，使其兼容工作，傳感單元感知的應變響應存儲在標簽芯片中，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再利用天線無線射頻傳輸至閱讀器，最終通過數(shù)據(jù)處理獲取應變信號。

第一種基于RFID標簽天線的應變傳感器設計思路為：將RFID標簽的天線設計為應變測量單元，標簽天線的形變導致其單元屬性發(fā)生變化。目前，矩形貼片是比較理想的天線結(jié)構(gòu)形式，其主要優(yōu)勢為：結(jié)構(gòu)簡單，易制作；頻帶窄，易獲取諧振頻率；且諧振頻率對貼片寬度不敏感。缺點是：要求閱讀器具有濾波降噪、掃頻等功能[18]。部分學者研究了其他形狀的貼片天線，如Daliri等[19]設計了一種喇叭天線RFID應變計，研究了天線諧振頻率的幅度與天線角度之間的關(guān)系。耿濤等[20]開發(fā)了帶過孔的同軸饋電的RFID微帶貼片天線應變傳感器，探究了測距與天線諧振頻率的相互影響，通過實驗確定傳感器諧振頻率偏移率與應變關(guān)系的靈敏度為-0.8652，并確定6cm為最理想的無線傳輸距離(如圖3)。Yi等[21]開發(fā)了一種基于折疊貼片天線的低成本無源射頻識別傳感器，用于測量金屬表面的應變。Matheus等[22]開發(fā)了一種基于倒F形天線的RFID無線應變傳感器，利用有限元建模開展性能優(yōu)化設計，2.0 mm厚的鋁板上粘貼應變片，通過靜載荷試驗進行實驗驗證(如圖4)。無論何種天線結(jié)構(gòu)形式，當RFID貼片天線附著在結(jié)構(gòu)上，并產(chǎn)生一定應變時，應變信號經(jīng)過放大濾波后，借助內(nèi)嵌微處理器進行信號提取,最終以無線射頻信號方式傳輸。放大電路通常由儀表放大器組成，其放大倍數(shù)主要取決于其中的增益電阻；在濾波電路方面，常用的是2階巴特沃思低通濾波，截止頻率可根據(jù)土木結(jié)構(gòu)響應的信號分析確定，通常響應數(shù)據(jù)屬于低頻信號，如一般情況取100 Hz可滿足大多數(shù)土木結(jié)構(gòu)要求，最終根據(jù)濾波帶寬與電阻電容元件進行濾波電路設計[23]。

第二種基于RFID標簽與傳統(tǒng)應變傳感單元相結(jié)合的應變傳感器設計思路為：將RFID標簽與傳統(tǒng)應變傳感器(如電阻式應變片、振弦式應變計)相結(jié)合，可賦予RFID標簽應變感知能力，同時借助RFID標簽的射頻傳輸能力實現(xiàn)應變信號的無線傳輸。邵建新等[24]將傳感標簽與電阻應變片相結(jié)合開發(fā)RFID應變無線傳感器，以碳纖維復合材料板為試件，在萬能材料試驗機上開展彎曲力學測試，驗證了所開發(fā)傳感器的適用性及精度。類似，喻言等[25]開發(fā)了基于電阻應變片的RIFD應變觸感器，并設計了由電橋電路、前端放大電路、參考電壓驅(qū)動電路、濾波電路構(gòu)成的應變信號調(diào)理電路，協(xié)助RFID微處理器的數(shù)據(jù)處理；利用設計的傳感器標簽和讀寫器，在通用匹配試驗機上構(gòu)建了結(jié)構(gòu)應變無線監(jiān)測系統(tǒng)。日本Taiheiyo水泥公司[26]將電纜應變計與RFID標簽組合，開發(fā)了用于測量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)縱向應變的RFID型應變計傳感器。本文作者課題組開發(fā)了一種基于RFID技術(shù)和惠斯通電橋的無線應變傳感器(如圖5所示)；所設計的惠斯通電橋包含溫度補償應變片，以及粘貼在待測結(jié)構(gòu)上的應變測量應變片；RFID標簽與惠斯通電橋連接，采集輸出電壓并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絉FID閱讀器；閱讀器將惠斯通電橋輸出電壓傳輸給上位機，根據(jù)輸出電壓，計算應變；在實驗室中與傳統(tǒng)的動靜態(tài)應變測試儀測得的應變數(shù)據(jù)相對比，兩者應變測試結(jié)果一致性較好，誤差約為50～90微應變，驗證了所提設計傳感器的可靠性，可用于橋隧工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測中。

圖5 基于RFID技術(shù)和惠斯通電橋的無線應變傳感器及其測量結(jié)果Fig.5Wireless strain sensor based on RFID technology and Wheatstone bridge with its measurement results

2.2 基于工作頻段的RFID應變傳感器分類

根據(jù)RFID技術(shù)電磁波的工作頻率進行分類，主要分為低頻、高頻、特高頻與超高頻等不同種類。Moss等[27]開發(fā)了一種125 kHz的低頻RFID無線應變傳感器，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括RFID貼片元件和一個全橋或四分之一橋電阻應變測量單元，前者負責數(shù)據(jù)處理與無線發(fā)送，后者負責應變信號感知。美國Phase IV工程公司[28]開發(fā)了一種超高頻RFID應變傳感器(圖6)，由電阻應變計、溫度補償板、天線、惠斯通電橋組成。通常RFID閱讀器與標簽的識別距離隨著工作頻率的增加而變大：低頻RFID標簽無線傳輸距離較近(小于10cm)，而超高頻與特高頻RFID技術(shù)傳輸距離可達幾十米，但能耗較高，通常設計為主動式或半主動式，備有外部電源(不同頻段RFID應變傳感器無線數(shù)據(jù)傳輸范圍具體見表1)。

圖6 超高頻RFID應變傳感器[28]Fig.6 UHF RFID strain sensor

表1 RFID應變傳感器無線數(shù)據(jù)傳輸范圍Table1 Wireless data transmission ranges for RFID strain sensors

而為了解決傳輸距離與能源消耗這一矛盾，俞凱航等[29]進行了高頻RFID閱讀器天線改良設計研究(如圖7)，提高無線射頻功率傳輸效率。研究表明功率傳輸效率與讀寫器天線線圈和標簽天線線圈之間的耦合系數(shù)正相關(guān)。閱讀器天線的品質(zhì)因子(品質(zhì)因子越高表示天線的輻射效率越高)與天線的輻射效率成正相關(guān)。閱讀器天線在實際使用中各匝線圈會產(chǎn)生等效電容，降低其輻射能力。在實際傳感器設計過程，可以通過適當增大閱讀器天線線圈尺寸或增加線圈匝數(shù)提升自感，增強耦合系數(shù)，進而提升讀寫器天線輻射磁場的能力，以較低頻率獲取較遠傳輸距離。

圖7 分布式天線模型及其表面磁場分布[29]Fig.7 Distributed antenna model and its surface magnetic field distribution

2.3 基于有無芯片的RFID應變傳感器分類

在該類情況下，RFID應變傳感器可分為有芯片[30-32]與無芯片[33-34]兩大類。有芯片RFID應變傳感器通常包含調(diào)制電路，可開展一定數(shù)據(jù)處理、進行信號調(diào)制，能較好區(qū)分標簽反射信號與環(huán)境反射信號之間區(qū)別，因此該類傳感器抗環(huán)境干擾強、測量精度高、魯棒性較好，更適用于工程應用場景。但其芯片成本相對較高，且將芯片鑲嵌到標簽電路上制造工藝復雜繁瑣。因而研究者嘗試移除標簽中硅芯片，探索無芯片RFID技術(shù)，突破傳統(tǒng)RFID技術(shù)局限，并在國內(nèi)外引起廣泛研究。無芯片RFID系統(tǒng)無數(shù)字芯片，故對應的數(shù)字通信轉(zhuǎn)化協(xié)議也無需搭建，大大簡化了系統(tǒng)通信設計。無芯片RFID借助雷達通信數(shù)據(jù)傳輸原理，將標簽所含信息加載于電磁信號中。其功能與條形碼類似，但具有更廣泛的應用領(lǐng)域與商用市場。具體優(yōu)勢包含：無光環(huán)境可識別、成本更低、易于大規(guī)模生產(chǎn)、綠色環(huán)保。

無芯片RFID轉(zhuǎn)化為傳感器的技術(shù)潛力大，近些年發(fā)展了基于無芯片RFID的結(jié)構(gòu)應變傳感器[35-37]，無芯片標簽主要利用材料的電磁特性，設計不同導體形式實現(xiàn)特定的電磁特性。該類傳感器可直接將感應到的應變信息編碼到標簽反向散射信號中，RFID閱讀器獲取反射信號后，通過數(shù)據(jù)處理提取應變信息特征參數(shù)，計算得到應變數(shù)據(jù)。無芯片RFID應變傳感器無需電子設備，故可在高溫環(huán)境中使用，如可監(jiān)測火災環(huán)境下結(jié)構(gòu)應變響應。

此外，無芯片RFID應變傳感器在印刷性、可打印性方面比傳統(tǒng)RFID應變傳感器有較大優(yōu)勢，因此在無芯片RFID技術(shù)基礎上，衍生出可伸縮、可打印的RFID應變傳感器[38-39]。比如基于LC諧振的無芯片RFID傳感器，可使用天線借助LC電路振蕩過程編碼應變信息；利用導電材料可將基于LC諧振的無芯片RFID傳感器直接打印到柔性、可拉伸的傳感器亞層[38](如圖8)，由于LC諧振電路的幾何特性的調(diào)節(jié)，具有諧振頻率的可控性，測量因子(頻移/應變)>為0.5，最大應變極限>為20%。抑或直接印刷基于銀納米顆粒和多壁碳納米管復合材料的高伸縮RFID應變傳感器[39](如圖9)，此類傳感器可用于可伸縮的工程結(jié)構(gòu)或電子設備中，通過實驗獲取了該RFID應變傳感器標簽的測量因子(頻移/應變)為0.51。

3 結(jié)論

將RFID技術(shù)引入應變傳感器的研發(fā)中，可實現(xiàn)無源、無線應變測量。RFID應變傳感器避免了傳統(tǒng)監(jiān)測中的大規(guī)模繁瑣布線工作，操作過程簡單，可提高監(jiān)測效率；成本低，經(jīng)濟性好；通過RFID電路優(yōu)化、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)保障其監(jiān)測精度，可滿足大多數(shù)土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測精度要求。目前，國內(nèi)外學者在基于RFID標簽天線的應變傳感技術(shù)與基于RFID標簽與傳統(tǒng)應變傳感單元相結(jié)合的應變傳感技術(shù)兩種傳感器設計方法進行了大量的研究；前者通過標簽電學信號的改變反演出應變數(shù)據(jù)，后者借助RFID標簽實現(xiàn)應變信號的無線傳輸。從RFID應變傳感器工作頻段考慮，低頻RFID傳感器無線傳輸距離較近，而超高頻與特高頻RFID技術(shù)傳輸距離可達幾十米，但能耗較高，常需外部電源，仍需開發(fā)純被動式、無源高頻RFID應變傳感器，比如利用整流天線技術(shù)或其他能量收集方法獲取環(huán)境中能量，實現(xiàn)高頻遠距離的無線應變傳輸。從有無芯片考慮，無芯片RFID應變傳感器無需電子設備，故可在極端環(huán)境下運作如在高溫火災環(huán)境中使用。未來仍需研究可打印式的無芯片RFID應變傳感器，完善低成本、高產(chǎn)量、高集成度的傳感器制造技術(shù)。