用于金屬表面裂紋位置檢測的無芯片RFID傳感器設計

王龍文， 馬潤波

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展進步， 在航空航天、 建筑工程、 基礎設施建設等諸多領域中， 由于金屬結(jié)構(gòu)的疲勞或腐蝕而產(chǎn)生的表面裂紋可能會導致危險事件發(fā)生， 以致危及人身安全. 所以， 對金屬結(jié)構(gòu)的要求和金屬結(jié)構(gòu)表面裂紋檢測的需求也越來越高[1]. 能夠及時檢測金屬結(jié)構(gòu)表面的疲勞裂紋對于最小化維護成本、 延長使用壽命和提高公共安全非常重要.

傳統(tǒng)的金屬表面裂紋檢測技術(shù)經(jīng)歷多年的發(fā)展， 在國內(nèi)外已經(jīng)形成了一個較為完善的體系. 目前， 應用較為廣泛的檢測技術(shù)包括超聲波檢測[2-3]、 渦流檢測[4-5]、 紅外熱成像檢測[6]等. 超聲波檢測技術(shù)利用超聲信號在傳播過程中遇到缺陷會產(chǎn)生不同的反射信號， 從而識別結(jié)構(gòu)中的裂紋. 渦流檢測技術(shù)是通過檢測被測物體內(nèi)感生渦流的變化來檢測被測物體裂紋缺陷. 紅外熱成像檢測技術(shù)的基本原理是通過溫度場的變化來確定裂紋位置和形狀. 但是上述幾種技術(shù)都存在成本高、 檢測過程繁瑣、 需要人工定期維護等缺點， 在某種程度上限制了它們的使用范圍和發(fā)展.

近年來， 射頻識別(Radio Frequency Identification)技術(shù)已經(jīng)應用到金屬表面裂紋的檢測中， 與其它檢測技術(shù)相比， RFID技術(shù)具有無線， 無源， 實時檢測金屬損傷程度且成本相對較低的優(yōu)勢. 例如， 文獻[7-8]使用反向散射信號相位作為裂紋傳感變量， 將兩個RFID標簽分別放置在裂紋兩側(cè)， 利用兩個標簽之間的相互耦合計算相位差檢測金屬表面裂紋的寬度. 文獻[9]使用RFID標簽天線作為裂紋傳感器， 當金屬表面產(chǎn)生裂紋時會破壞天線， 使標簽反向散射信號功率下降. 通過使用標簽進行二維陣列的排布檢測各個標簽的性能， 可以判斷裂紋的長度和方向. 在檢測過程中， 由于標簽被破壞， 所以無法重復使用. 文獻[10-11] 使用圓形微帶貼片標簽天線(Circular Microstrip Patch Antenna， CMPA)作為裂紋傳感單元， 利用裂紋產(chǎn)生對標簽天線諧振頻率的影響檢測金屬表面裂紋， 諧振頻率偏移方向表征裂紋的方向， 諧振頻率偏移大小與裂紋寬度成正比. 文獻[12-13]利用時域反射計的工作原理， 傳感器設計為圓形寬帶天線連接一條共面波導傳輸線， 傳輸線以開路結(jié)束. 在外部寬帶脈沖信號的激勵下， 測量來自傳感器的反向散射信號， 通過檢測反射信號的時延確定裂紋位置. 但上述結(jié)構(gòu)都易受外部環(huán)境干擾造成檢測結(jié)果不準確. 文獻[14-15] 通過對傳感器標簽的結(jié)構(gòu)進行改進， 使標簽結(jié)構(gòu)在能夠檢測裂紋的同時具有極化轉(zhuǎn)化的特性， 可以有效地與被檢測的金屬結(jié)構(gòu)和環(huán)境所引起的反射相隔離， 從而提高標簽檢測的魯棒性， 并且在實際檢測中可以簡化校準過程以提高實際標簽檢測的效率.

基于金屬表面裂紋的產(chǎn)生對諧振器諧振頻率的影響， 本文設計了一款用于檢測金屬表面裂紋位置與方向的無芯片RFID傳感器. 根據(jù)傳感諧振器的單極化特性， 在傳感器覆蓋面內(nèi)劃分出不同檢測區(qū)域， 通過對各個諧振器的諧振頻率進行測量， 實現(xiàn)了對裂紋方向(水平或垂直)與位置的檢測， 提高了傳感器對裂紋位置和方向識別的可靠性. 該設計具有結(jié)構(gòu)簡單， 易于檢測的特點.

1 工作原理與傳感器標簽結(jié)構(gòu)設計

用于金屬表面裂紋檢測的無芯片RFID傳感器系統(tǒng)的工作原理如圖 1 所示. 傳感器標簽附著在被檢測金屬表面， 直接利用被檢測金屬作為傳感器標簽的接地層. 閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送寬帶信號詢問安裝在金屬表面的傳感器標簽， 接收天線接收來自標簽的反向散射信號， 通過對信號進行處理和特征提取， 即可獲取標簽傳感的裂紋信息.

圖1 金屬表面裂紋傳感器工作原理Fig.1 Working principle of metal surface crack sensor

圖 2 給出了無芯片RFID傳感器標簽結(jié)構(gòu)， 標簽由兩塊單面覆銅的聚四氟乙烯(PTFE)介質(zhì)基板加工后貼合而成， 每層基板厚度h=1 mm， 相對介電常數(shù)2.1， 正切損耗值 0.000 2. 如圖 2(a) 所示， 在下層介質(zhì)基板的覆銅面的水平和垂直方向分別蝕刻2條不同長度的金屬條帶作為傳感諧振器， 相互平行的諧振器之間相隔一定的距離以減小諧振器間耦合. 上層傳感諧振器結(jié)構(gòu)與下層完全相同， 僅旋轉(zhuǎn)180°后與下層進行貼合， 得到如圖2(b)所示的完整傳感器標簽， 由于周圍有效介電常數(shù)不同， 所以上下層長度相同的金屬條帶對應兩個不同的諧振頻點. 利用圖2(b)中4個水平放置的金屬條帶可以劃分出5個檢測區(qū)域， 實現(xiàn)對垂直裂紋的位置進行檢測. 同理， 4個垂直放置的金屬條帶劃分出5個檢測區(qū)域， 用于水平裂紋位置的檢測. 傳感器標簽具體參數(shù)如表 1 所示， 整體尺寸為26 mm×26 mm×2.07 mm.

(a) 側(cè)視圖

(b) 整體結(jié)構(gòu)

(c) 單層結(jié)構(gòu)圖2 無芯片RFID傳感器標簽結(jié)構(gòu)Fig.2 Chipless RFID sensor tagstructure

由于本文主要研究尺寸為毫米級的金屬表面裂紋， 為實現(xiàn)較高的檢測偏離度以及劃分出 5個寬度為4 mm左右的檢測區(qū)域， 通過仿真優(yōu)化， 最終選擇長度為9.3 mm和11 mm的兩種條帶. 采用金屬條帶作為諧振器產(chǎn)生的諧振頻率可近似用式(1)來表征[16]

(1)

式中：c為光速；εr1，εr2為諧振器上下層的相對介電常數(shù)；L為諧振器的有效長度. 最終傳感器的工作頻帶為8 GHz～11.5 GHz.

表 1 無芯片RFID傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Chipless RFID sensor structure parameters

2 傳感器模型仿真與實測

2.1 模型仿真

為研究裂紋的產(chǎn)生對傳感器標簽的影響， 圖 3 給出了利用CST微波仿真軟件搭建的傳感器仿真模型. 雷達散射截面(RCS)探針設置在標簽前50 mm處， 傳感器標簽附著在一塊50 mm×50 mm×2 mm的金屬板中心處， 使用垂直與水平極化平面波分別激勵傳感器標簽上的垂直和水平條帶諧振器.

圖 4 為兩種極化方向激勵下， 標簽在工作頻率范圍內(nèi)的RCS的響應， 可見每種響應都具有4個諧振頻率， 且大致都分布在 8.62 GHz， 9.28 GHz， 9.98 GHz和10.72 GHz頻率附近.

圖3 CST仿真測試模型Fig.3 CST simulation model

如圖 5 所示， 在金屬表面設置一長度為 50 mm， 寬度與深度為1 mm的裂紋. 根據(jù)金屬表面裂紋位置與方向的不同， 在傳感器覆蓋面內(nèi)分別劃分5個區(qū)域用于垂直裂紋與水平裂紋的位置檢測.

圖4 無芯片RFID傳感器的RCS響應Fig.4 RCS of chipless RFID sensor

圖5(a)中4個水平放置的金屬條帶劃分出5個垂直裂紋檢測區(qū)域V1～V5， 以實現(xiàn)對垂直裂紋位置的檢測判斷. 其中垂直裂紋檢測區(qū)域V1,V3,V5寬度為4 mm， V2， V4寬度為3.5 mm. 通過對4個水平放置金屬條帶的諧振頻率偏移程度進行分析， 可以有效識別垂直裂紋所在區(qū)域. 仿真中將垂直裂紋依次置于各垂直裂紋檢測區(qū)域中心， 利用水平極化平面波激勵， 仿真并記錄共極化RCS響應.

(a) 垂直裂紋

(b) 水平裂紋圖5 改變傳感器下方裂紋位置與方向Fig.5 Change the crack location and direction below the sensor

圖5(b)中4個垂直放置的金屬條帶劃分出5個水平裂紋檢測區(qū)域H1～H5， 以實現(xiàn)對水平裂紋位置的檢測判斷. 其中水平裂紋檢測區(qū)域H1, H3,H5寬度為4 mm， H2， H4寬度為3.5 mm. 通過對4個垂直放置金屬條帶的諧振頻率偏移程度進行分析， 可以有效識別水平裂紋所在區(qū)域. 仿真中將水平裂紋依次置于各水平裂紋檢測區(qū)域中心， 利用垂直極化平面波激勵， 做相同仿真和記錄.

為方便分析， 對于每一個諧振器作如下諧振頻率相對偏移的定義

(2)

式中：f0為無裂紋時諧振器的初始諧振頻率；fn為裂紋產(chǎn)生后諧振器的諧振頻率；Δ為檢測偏離度， 表示裂紋產(chǎn)生后諧振頻率的相對偏移程度.

圖 6(a) 和圖 6(b)為垂直與水平裂紋在不同區(qū)域中心時各諧振器的諧振頻率仿真結(jié)果， 可見裂紋位于不同區(qū)域中心時會造成相應檢測區(qū)域內(nèi)傳感諧振器的諧振頻率減小， 并且當垂直裂紋位于V5區(qū)域中心時， 諧振頻率相對偏移達到340 MHz， 檢測偏離度為Δ=-3.17%. 因此， 通過對兩種極化方式激勵產(chǎn)生的8個諧振頻率進行判別， 可以實現(xiàn)對金屬表面裂紋位置和方向的識別. 根據(jù)仿真結(jié)果， 垂直與水平裂紋位置與各傳感諧振器的諧振頻率具體變化關(guān)系由表 2， 表 3 所示.

(a) 垂直裂紋

(b) 水平裂紋圖6 裂紋在不同區(qū)域中心處時各諧振器諧振頻率的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of resonant frequencies of each resonatorwhen the crack is in the center of different regions

表 2 垂直裂紋在不同區(qū)域時所影響的傳感諧振器Tab.2 The affected sensor resonator when vertical cracks in different regions

表 3 水平裂紋在不同區(qū)域時所影響的傳感諧振器Tab.3 The affected sensor resonator when horizontal cracks in different regions

為解釋金屬表面裂紋如何影響諧振頻率， 圖 7 給出了裂紋出現(xiàn)在傳感諧振器下方時接地層的表面電流. 金屬表面裂紋的出現(xiàn)會導致諧振器下方接地面的電流路徑增加， 使得傳感諧振器的有效長度變長， 從而使諧振頻率減小， 并且傳感諧振器下方接地板電流密度越大的地方， 裂紋對諧振頻率影響的程度也就越大. 所以， 當裂紋出現(xiàn)在條帶諧振器下方中心時， 諧振頻率的頻偏程度最大. 因此， 可以通過諧振頻率的降低， 從而分辨金屬表面裂紋的產(chǎn)生.

圖7 金屬表面產(chǎn)生裂紋時的電流分布Fig.7 Current distribution when a crack exists on the metal surface

2.2 實測驗證

為驗證實際傳感器對金屬表面裂紋檢測的可行性和實用性， 制作無芯片RFID傳感器標簽和裂紋樣品， 搭建測試平臺并進行測量. 無芯片RFID傳感器標簽如圖 8 所示. 制備的被檢測金屬結(jié)構(gòu)裂紋樣品如圖 9 所示， 尺寸為50 mm×50 mm×2 mm， 金屬結(jié)構(gòu)中心表面有一寬度與深度為1 mm的裂紋.

圖8 無芯片RFID傳感器標簽Fig.8 Chipless RFID sensor tag

圖9 金屬表面裂紋樣品Fig.9 Metal surface crack sample

無芯片RFID傳感器的實測裝置如圖 10 所示， 是由裂紋位置控制裝置、 兩個超寬帶喇叭天線以及矢量網(wǎng)絡分析儀(Keysight N5222A)組成. 兩個喇叭天線相隔7 cm， 相互平行放置并與矢量網(wǎng)絡分析儀相連作為閱讀器收發(fā)天線， 與端口1相連的喇叭天線發(fā)射0 dBm傳輸信號至傳感器標簽， 與端口2相連的喇叭天線接收標簽的反射信號. 裂紋位置控制裝置由被檢測金屬樣品、 塑料夾、 塑料壓片和紙質(zhì)刻度尺構(gòu)成. 將制作好的傳感器標簽放置在被檢測金屬樣品上， 使用塑料壓片與塑料夾使得被檢測金屬與傳感器標簽緊密貼合. 通過滑動標簽可以改變被檢測金屬裂紋在傳感器標簽下方的相對位置， 模擬裂紋在標簽下方不同位置出現(xiàn)的情況.

圖10 實測裝置Fig.10 Experimental setup

(3)

由圖 11 可知， 無裂紋時傳感器標簽在水平極化的天線激勵下在8 GHz～11.5 GHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生了4個諧振頻率， 分別為 8.78 GHz， 9.24 GHz， 10.13 GHz， 10.7 GHz. 在垂直極化的天線激勵下在8 GHz～11.5 GHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生了4個諧振頻率， 分別為 8.8 GHz， 9.34 GHz， 10.25 GHz， 10.82 GHz. 由于介質(zhì)基板介電常數(shù)偏差以及加工誤差， 實測與仿真結(jié)果相比， 實測中水平極化激勵下的f1，f3與仿真結(jié)果向右偏移0.15 GHz， 垂直極化激勵下的諧振頻率與仿真結(jié)果相比向右偏移0.1 GHz～0.25 GHz.

圖11 無裂紋時傳感器的測量結(jié)果Fig.11 Measurement results of the sensor without crack

基于圖 6， 為獲得裂紋在不同區(qū)域處更加精準的諧振頻率偏移量， 將垂直裂紋從V1區(qū)域最左端開始， 以0.5 mm的步長逐步向右移動， 記錄每次的4個水平傳感諧振器的諧振頻率相對偏移， 其結(jié)果如圖 12(a) 所示. 圖 12(b) 為水平裂紋從H1區(qū)域的最上端開始， 以0.5 mm的步長向下移動， 記錄每次的4個垂直傳感諧振器的諧振頻率相對偏移結(jié)果. 由檢測結(jié)果可知， 裂紋位于傳感器下方不同區(qū)域和方向時， 會使得不同諧振器的諧振頻率降低. 例如， 當檢測到Hf1， Hf4兩個諧振器的諧振頻率向低頻移動時， 通過表 2 可知在傳感器下方V2區(qū)域產(chǎn)生了垂直裂紋， 當檢測到Vf1， Vf2兩個諧振器的諧振頻率向低頻移動時， 通過表 3 可知在傳感器下方H3區(qū)域產(chǎn)生了水平裂紋. 并且裂紋在同一區(qū)域的不同位置時， 根據(jù)諧振頻率相對偏移程度大小可以更加精準地確定裂紋所在位置. 實測結(jié)果中， 傳感諧振器的諧振頻率最小相對頻偏為50 MHz， 檢測偏離度為Δmin=-0.56%， 最大相對頻偏為310 MHz， 檢測偏離度為Δmax=-2.85%. 由于在實測過程中改變裂紋位于傳感器下方相對位置時與仿真不能完全一致， 并且制作實物時產(chǎn)生的誤差和周圍環(huán)境的影響， 實測與仿真結(jié)果相比檢測偏離度有所不同， 但仍可實現(xiàn)對裂紋方向(水平或垂直)與位置的檢測.

(a) 垂直裂紋

(b) 水平裂紋圖12 裂紋在不同區(qū)域處的實測結(jié)果Fig.12 Measurement results of crack at different positions

3 結(jié) 論

本文設計了一款用于檢測金屬表面裂紋位置與方向的無芯片RFID傳感器， 主要對寬度與深度為毫米級的金屬表面裂紋出現(xiàn)在傳感器下方不同區(qū)域時進行位置判斷. 利用條帶的單極化特性， 將條帶分別水平、 垂直放置即可對水平和垂直極化平面波產(chǎn)生各自散射， 能夠?qū)崿F(xiàn)裂紋方向(水平或垂直)的檢測， 此外， 對8個條帶的長度與位置進行設置， 在傳感器覆蓋面內(nèi)劃分出10個檢測區(qū)域， 實現(xiàn)對裂紋位置的檢測. 通過對兩種極化方式激勵產(chǎn)生的8個諧振頻率進行判別， 即可實現(xiàn)對金屬表面裂紋位置和方向(水平或垂直)的識別. 最后制作傳感器實物并進行測試， 在實際測量中， 該傳感器對金屬裂紋具有較高的檢測偏離度， 寬度和深度為1 mm的裂紋在檢測區(qū)域內(nèi)最高可以達到310 MHz的諧振頻率偏移， 最高檢測偏離度為Δmax=-2.85%. 其諧振頻率與偏移趨勢與仿真結(jié)果一致， 測量與仿真結(jié)果驗證了該無芯片RFID傳感器對金屬表面裂紋位置與方向檢測的可行性和實用性. 未來工作將會對金屬表面裂紋尺寸信息的檢測與分析方法進行研究.