[发明专利]一种具有参考标签的超高频RFID传感系统进行裂纹检测的方法

说明书

一种具有参考标签的超高频RFID传感系统进行裂纹检测的方法，将具有参考标签的RFID传感系统用于铝合金结构件裂纹检测，其中一个标签用于传感，另一个作为参考标签,传感系统通过传感标签和参考标签反向散射功率值之差的方式消除测试环境中的干扰影响，但是同时会降低传感标签的灵敏度,克服了基于单个RFID标签天线的传感器当裂纹不在最佳位置时传感性能会下降的问题。

技术领域

本申请涉及检测技术领域，具体而言，涉及一种具有参考标签的超高频RFID传感系统进行裂纹检测的方法。

背景技术

相对于其他金属和复合材料，铝合金具有成熟的制造工艺、好的耐蚀性、轻质以及低成本的优点，作为结构材料在航空航天工业(机身蒙皮、机翼、支撑结构等)中使用。复杂的工作环境下，铝合金结构件容易受到频繁应力的作用而产生裂纹，严重危害其寿命，导致巨大的经济损失和安全隐患。我们需要对铝合金结构件的承力部位或者已产生裂纹的位置进行检测，保证其安全可靠运行。目前应用于金属材料的裂纹检测和表征方法有超声，涡流，红外热成像，声发射等无损检测技术。这些无损检测技术具有系统复杂，设备昂贵，安装不便，难以组网等缺点从而应用受到限制。无源无线传感器，可以连接到铝合金结构上，用于健康监测，是最佳的选择。现有的无线传感系统广泛使用电池供电，其主要挑战是电源。由于电池的寿命有限，需要进行定期更换，既昂贵又耗时。此外，电池的存在会造成长期的环境风险以及限制了传感器的布设。因此，需要可靠性高，价格低廉，组网简便的方法，通过持续监测实现铝合金结构件的寿命评估。小型、无源、普适的无线传感器可在复杂环境下操作，将应用于铝合金结构件的地面测试以及运行中的缺陷监测。超高频段的射频识别(RFID)传感作为新兴的技术受到人们的关注。工作过程为阅读器发送连续的电磁波以激活标签的芯片，铝合金材料的表面会有感应涡流产生。当天线覆盖区域内有裂纹产生或者周围环境发生变化时，天线的电磁场分布、输入阻抗、增益等参量亦会发生变化。阅读器会将这些参量以模拟量的形式接收，然后通过这些信号提取特征信息实现裂纹的识别和表征。

无源无线RFID传感器具有简单的配置，无源操作，阅读距离长，低成本，唯一标识等优点。因此，近些年一些研究者对其应用于铝合金结构件上面进行了研究。GeethaChakaravarthi设计了可重复使用的无源RFID传感器用于铝合金试样。通过测量最大接收信号强度(RSSI)对应的频率，识别出了应变，试样的屈服强度，极限拉伸强度和破坏点。证明了RFID传感器可用于无线应变测量和铝合金结构件的结构健康监测。但是实验过程中没有考虑周围环境的变化对RSSI的影响。通过改变基底材料，可以实现RFID标签的柔性化。当铝合金试样有裂纹产生时，柔性标签也会发生断裂，导致标签性能参数的变化，可以实现裂纹宽度的传感。硬质标签则不会发生变形，裂纹会使金属表面与辐射片之间的场分布受到干扰，从而改变传感器的性能参数。Zhangjun等人基于超高频RFID天线传感器实现了裂纹深度检测。考虑了天线覆盖区域内裂纹位置和铝合金试样的尺寸对裂纹检测的灵敏度和可靠性的影响。结果证明当裂纹不在最佳位置时，基于RFID标签天线的传感器的传感性能会下降。

将RFID标签天线传感器的性能参数与裂纹的变化建立相关性可以实现传感，由于无线信道随环境变化，超高频段(UHF)的天线传感器很容易受到干扰。标签用于传感器应尽量减小由于测量设置(例如阅读器与标签天线之间距离、方向的变化和读取范围内存在的其他散射体等)带来的干扰。兼顾标签传输性能与裂纹传感有效性的RFID传感器变得更为重要。

目前现有技术均采用没有参考标签的RFID传感器，采用单个标签传感器，天线覆盖区域内裂纹位置和铝合金试样的尺寸对裂纹检测的灵敏度和可靠性均有影响。并且当裂纹不在最佳位置时，基于RFID标签天线的传感器的传感性能会下降。

本申请针对铝合金结构件中容易出现裂缝的关键部位，采用具有参考标签的传感系统对裂纹深度进行表征。其中一个标签用于传感，另一个作为参考标签。通过模态分析了线性放置和正交放置的双标签系统的阻抗特性以及增益的变化。由实验环境的预设变化，研究了标签传感系统进行裂纹检测的可靠性。

发明内容