[发明专利]一种远距离抗金属标签天线传感器及缺陷检测方法

说明书

本发明公开了一种远距离抗金属标签天线传感器，主要包括介质谐振器、金属条带及标签芯片，其中，介质谐振器工作在HEM_11δ模式下，金属条带位于介质谐振器的上方，标签芯片位于金属条带的中心开口处；抗金属标签天线工作时，先将抗金属标签天线置于被监测金属体的上方，同时调节抗金属标签天线的目标阻抗和标签芯片的阻抗，使抗金属标签天线的目标输入阻抗在中心频点处与标签芯片的阻抗共轭匹配，当抗金属标签天线开始检测被监测金属体时，通过观测抗金属标签的激活功率改变来确定被监测金属体是否存在缺陷，具有低成本、远距离、高精准度等优点。

技术领域

本发明属于射频识别和传感领域，更为具体地讲，涉及一种远距离抗金属标签天线传感器及缺陷检测方法。

背景技术

在轨道交通、石油天然气管道、核能和电力设备等重要领域，金属构件(钢、铁、铝、钛合金等)是主要组成部分。由于长期暴露在露天环境及频繁的应力作用，裂纹是金属构件常见的缺陷，对大规模设施进行连续监测是保证其在生命周期内安全可靠运行的关键。由于设备笨重、检测速度慢、可检测范围小及自动化程度低，传统无损检测技术若用来检测大规模设施中的损伤，特别是在复杂环境下，可行性差或者花销巨大。分布式无线传感网络是保障大规模设施结构健康的有力选择，旨在将基于时间的维护演变成更为节约成本的基于状况的维护及生命周期的评估。当前大多数的无线传感器节点使用电池供电，处置数十亿电池将对环境造成长期风险。同时有限的电池寿命限制了传感节点部署的粒度并增加了维护成本。因此，大规模设施的结构健康监测促使新型无线传感网络朝着无源、智能化、低功耗、低成本及高可靠的方向发展。

RFID标签感知技术是近年来兴起的一项新型传感技术，在RFID标识和追踪的基础上赋予智能感知功能，具有低成本、低功耗、智能化和无线传输等特点，能够实时监测被检测环境(如温度、湿度)的状态。将RFID传感技术从对环境的监测扩展到对标识对象健康状态的检测与评估，标签天线感知技术通过无源RFID标签天线获取标签阅读器发送无线能量的同时检测被标识物体的健康状态，并通过反向散射通信方式经由无线信道在一定距离外接收并提取出所标识物体缺陷信息。由于不需要额外的传感器件，无源RFID标签天线感知技术能进一步降低传感节点的功耗及成本，是节点成本或寿命受限大规模设施长期监测的重要手段。

无源RFID标签天线传感实为模拟感知技术，其传感依赖于天线模式扰动及由此引起的阻抗失配，因此天线模式与阻抗匹配是对不同形态、尺寸缺陷实现可靠检测的关键。标签天线传感技术在信息及能量传递过程中同时传输感知信息，因此，通信与传感会相互影响。也就是说，标签天线模式选择、阻抗匹配与增益提高是提高传感系统工作距离和可靠性的关键。设计该类传感器及在无损检测与结构健康监测方面应用涉及的主要挑战有：

1)可安装在金属表面：用于金属安装RFID标签天线的设计受到一系列限制：低成本、低轮廓和共形结构，在各种尺寸和形状的良导体表面匹配良好并具有较高的增益；

2)传感导向：天线作为传感器，应能正确可靠地检测和表征金属表面缺陷，至少在大多数重要范围内保持单调的和足够敏感的；

3)性能平衡或折衷：天线传感器兼具通信与传感能力，而通信和传感能力可能具有相反地需求：标签的天线通常设计为在健康状态下与标签芯片共轭匹配，而缺陷的产生及传播会引起标签天线与芯片的阻抗失配(扰动)，这将导致通信距离的减小；

4)物联网大数据与决策：为了对大规模设施实施基于状况的维护，缺陷易发区域传感节点分布粒度及缺陷在线可靠检测和评估是该技术应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种远距离抗金属标签天线传感器及缺陷检测方法，融合了无损检测和结构健康监测的特点，对大规模设施进行在线监测，具有低成本、远距离、高精准度等优点。

为实现上述发明目的，本发明一种远距离抗金属标签天线传感器，其特征在于，包括：介质谐振器、金属条带及标签芯片；