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基于RFID的应变传感天线的介电常数变化的灵敏度建模
Xiaohua Yi，Terence Wu，IEEE学生会员，Yang Wang，IEEE会员，和Manos M. Tentzeris，IEEE的研究员
摘要：基于射频识别（RFID）的折叠贴片天线作为一种新的被动无线传感器，用于测量表面应变和裂纹，用于金属结构的结构健康监测。通过概念验证的原型贴片天线传感器实现高达2.5m的读取范围，其具有大约-760Hz /mu;ε的应变灵敏度，这等于-0.74ppm /mu;ε的归一化应变灵敏度。
在本文中，我们建议考虑由于在天线传感器建模时的应变引起的衬底介电常数的变化。引入增强的应变灵敏度模型以更精确地估计由此引入的智能皮肤天线传感器的应变感测性能。以量化应变下的介电常数变化进行实验室实验。测量结果被并入到力学 - 电磁耦合仿真模型中。多物理耦合模拟的精度通过在模型中积分介电常数变化来提高。
索引术语 - 折叠贴片天线，RFID传感器，结构健康监测，智能皮肤，介电常数变化，天线传感器，无线传感器，应变感测。
第一节、引言
结构健康监测（SHM）系统利用感测技术来监测结构（例如机械，民用或航空航天结构）的状况，以便于维护和改进决定[1]。 在涉及SHM的各种工程需求中，早期检测金属结构（例如钢桥或铝船）中的裂纹长期以来是一个重要且具有挑战性的问题。
在SHM系统中，通常监测应力/应变集中作为疲劳或裂纹形成的指示。大多数当前应变传感技术，如金属箔应变计或光纤传感器，需要电缆安装传感器和相关的数据采集系统[2]，[3]。为了消除大型结构的高布线成本，已经开发了用于数字化和传输传感器数据的无线感测设备[4]，[5]。这些装置通常需要电池或能量收集器用于电源。例如，已经提出了许多能量收集技术[6] - [8]。特别地，WISP（无线识别和感测平台）系统提供了用于应变测量的无线功率采集平台[9]。 WISP节点包含内置微控制器，电压调节器和功率采集组件等。微控制器对典型的金属箔应变仪的模拟信号进行模数转换，并使用内置的调制器和解调器无线传输数字化数据。
其他研究人员提出了通过模拟机制的无源无线应变感应，以降低无线节点的复杂性[10] - [14]。这种被动方法消除了板载数字化的过程，消除了对传感器节点中的微控制器的需求，并且通常需要具有已知谐振频率的电磁天线。在将天线牢固地附接到结构并且允许其形状随着结构中的应变而改变时，天线的谐振频率随着应变相应地移动。这使得能够无需使用板载ADC电路和RF放大器来无线读取模拟信息，因此大大简化了传感器设计并降低了功率需求。在[10]和[11]中，作者介绍了带有电感回路的无线测量。然而，感应回路具有有限的通信范围，其在金属结构表面附近甚至可能更有限。在[12]中提出的圆柱腔方法提供高Q响应的检测，但实施成本高，难以附加到平面金属结构的表面。 Huang [14]介绍了一种使用光电二极管电路在金属物体上实现1米读取距离的贴片天线。
通过利用RFID传感器[15]，我们研究的无源天线传感器将无线读取范围提高了至少2-3倍，降低了制造成本，提高了可制造性，并有效地允许单独的传感器识别。 RFID可以极大地提高大面积无线传感器网络的适用性和可扩展性。在本文中，基于折叠贴片天线设计开发了低成本的RFID使能的无源应变传感器。实验室实验表明，所提出的天线的谐振频率即使对于少量的应变/变形也改变，因此具有高的应变感测分辨率。制造的概念原型样机的读取范围达到2.5米，并且已经证明了-760Hz /mu;ε（等同于-0.74ppm /mu;ε的归一化应变灵敏度）的应变灵敏度。此外，本文提出了天线传感器的应变灵敏度的新颖的理论公式，考虑到第一次由于局部应变的基板介电常数的值的变化。介电常数变化使用特别设计的谐振器通过实验测量。最后，介电常数变化被纳入机械电磁耦合模型，以获得更精确的仿真结果。
本文的结构如下。 第二节描述了折叠式贴片天线传感器的应变传感机理，以及力学 - 电磁耦合仿真模型。第三节介绍了天线传感器的实验应变检测结果。 为了理解模拟和实验之间归一化应变灵敏度的差异，第四节提出了考虑应变下的衬底介电常数变化的应变灵敏度公式。第五节介绍介电常数变化的实验验证结果。 最后，第六节提供了一个总结和讨论。
第二节、传感机械和机械电磁联轴器模拟
在本节中，首先介绍了天线传感器的应变传感机制。 基于传感机制，通过力学 - 电磁耦合仿真设计了一种折叠贴片天线传感器。
在介绍天线传感器的应变传感机构之前，机械应变ε的定义如下。 在工程中，应变通常定义为当物体变形时的长度的相对变化：
其中L0是对象的原始长度; L是最终变形长度。 应变单位是无量纲的，通常表示为mu;ε（微应变）。 一个mu;ε表示1times;10-6或1ppm（百万分之一）的相对长度变化。 应变ε的符号可以容易地与天线文献中的介电常数混淆。 为了避免混淆，本文中使用beta;r表示相对介电常数。
为了大幅减小通常使用半波长贴片天线的传感器的尺寸，采用四分之一波长折叠贴片天线拓扑[16]。 对于四分之一波长折叠贴片天线，天线在应变下的谐振频率fRε可以用下面的等式近似。
在上述方程中，c是自由空间中的光速，L是片长度，nu;是泊松比，它是纵向施加力时天线的横向应变和纵向应变之间的绝对比，beta;r是 衬底的相对介电常数， 是由于在以下等式[17]中定义的边缘边缘场引起的补偿附加长度：
其中H是天线基板厚度，beta;r，eff表示微带贴片的有效介电常数，近似等于beta;r[16]。 由于衬底厚度H通常远小于片长度，所以谐振频率主要由片长度L确定。谐振频率fRε与施加的应变ε之间的关系可以按照下式估计：
公式（4）中的ε以mu;ε或1ppm表示，其是小数。 即使ε接近10,000mu;ε，它仍然远小于1，这意味着等式（4）仍然成立。 实际上，由于传感器制造和安装公差，不同的单独制造的天线传感器的“零应变”谐振频率可能略有不同。 为了减轻这种变化对应变测量的影响，引入归一化共振频率变化的概念。 谐振频率变化通过初始“零应变”谐振频率（即在零应变水平下的fR0）归一化：
其中Delta;fN表示归一化的频率变化。 如公式 （5），归一化应变灵敏度接近-1，这意味着1mu;ε应变增加对传感器产生1ppm的共振频率下降。
虽然上述公式提供对应变下的天线频率变化的估计，但是有限元模拟可以提供更准确的预测，特别是当天线形状具有不规则的机械特征，例如穿过衬底的通孔时。为了有效地建模和模拟天线传感器中涉及的机械和电磁现象，多物理模拟软件工具是优选的。为此，图1显示了COMSOL中RFID折叠贴片天线传感器的仿真模型，商业软件工具能够进行多物理仿真[18]。天线传感器结合在铝板的中心。 RFID芯片被模拟为具有芯片的电阻抗（Zc =13.3-122jOmega;）的集总端口。假设天线传感器的底部铜包层（即，有效地为接地平面）与铝板之间的接合是理想的。为了在模拟模型中实现这一点，这两个部件的机械元件在接口处共享相同的节点。类似地，假设顶/底铜覆层和天线衬底之间的接合是理想的。 COMSOL中的机械模块首先用于精确模拟变形的天线形状。当拉伸载荷施加到铝板（基底结构）时，应变通过天线基板传播到顶部铜包层。
使用新变形的形状，然后通过COMSOL中的电磁学模块针对相同的有限元模型精确地量化在应变下的天线谐振频率。对于电磁仿真，天线传感器与安装铝板一起放置在空气球的中心。在空气球的外表面，吸收边界条件设置为完全匹配层（PML）[19]。 PML边界条件允许由天线传感器发射的电磁波以最小的伪数值反射通过，其模拟电磁波到无限自由空间的传播。由PEC（完美电导体）表面包围的PML将模拟域截断为有限的。两个铜覆层，即顶部和底部，使用厚度为0.017mm的壳单元啮合。铜和铝材料在电磁仿真中被建模为完美电导体（PEC）。
对于机械模拟，采用四面体和棱镜元件来模拟诸如铝样品和基底的实体结构。为了模拟壳结构，例如顶部和底部铜包层，使用三角形元件来减少离散化误差，并且采用四边形元件以实现更好的数值精度。对于电磁仿真，空气球和PML层类似地建模为四面体和棱镜元件。
在机械模拟中，只涉及铝板和天线传感器（包括基板和两个铜层），而空气球被忽略。在铝板的两端施加规定的位移，使得在铝板中产生五种不同的应变水平（在500mu;s的增量步长下从0到2,000mu;ε）。在每个应变水平的机械模拟之后，变形的网格直接用于电磁仿真以确定天线传感器在应变下的谐振频率。
在电磁仿真期间，使用频域解算器来计算回波损耗（反射系数）S11。 S11量化阻抗匹配，并有效地量化集总端口（RFID芯片）和天线之间的功率传输质量。较小的S11值意味着RFID芯片可以通过天线发射更多的电磁能量到空中，指示更好的匹配和更高的天线效率。模拟频率范围为907.5〜916.5 MHz，频率步长为0.05 MHz。一个频率点的平均计算时间约为503秒。总计算时间大致与要模拟的应变步数的数目和每应变步骤的频率点的数目成比例。在这项研究中，5个应变步骤和每个应变步骤的181个频率点，在8GB Intel Core 2 Duo CPU机器上的总计算时间为126小时27分钟。
图2（a）示出了在五个不同应变水平下的折叠贴片天线传感器的模拟S11图。在每个应变水平下，可以通过峰值拾取来提取天线谐振频率。当应变增加时，观察到天线谐振频率的清楚和明显的减少。如前所述，在零应变水平下，发现天线谐振频率为911.6MHz。在2,000mu;s时，谐振频率降低到909.95MHz。
YI等：基于RFID的应变感知天线的灵敏度建模
图1: 使用COMSOL的折叠贴片天线传感器的多物理模拟模型
图2:折叠贴片天线的仿真结果 （a）不同应变水平下的模拟S11图 （b）归一化谐振频率变化Delta;fN对应变ε（fR0 = 911.6MHz）
图3:四分之一波片贴片天线传感器的照片 （基板厚度H为0.787mm）
每个应变水平下的谐振频率从图2（a）中提取。然后根据等式（5）计算相应的归一化共振频率变化。图2（b）绘制了标准化谐振频率变化和应变之间的关系。测定系数（R2）为0.9996，这表明标准化频率变化和模拟施加应变之间的良好线性。归一化的应变灵敏度为-0.8982ppm /mu;ε，这意味着折叠贴片天线所经历的1mu;ε应变增加导致谐振频率降低0.8982ppm。归一化应变灵敏度的大小低于1ppm /mu;ε。由于在相对厚的衬底中存在剪切滞后效应，顶部铜天线图案所经受的应变低于基底结构所经受的应变，这部分地减小了归一化应变敏感度。模拟结果将进一步与实验结果进行比较，以验证剪切滞后效应是否导致较小的归一化应变灵敏度的唯一原因。
通过仿真优化后，天线传感器设计完成并准备好制造。图3示出了制造的折叠贴片天线的照片。通过折叠贴片天线拓扑实现的较小的传感器覆盖区更适合于测量应变/应力分布以及允许更容易的安装。应当注意，尺寸减小也是以附加通孔连接和减小的辐射方向性为代价的[16]。对于从天线到RFID芯片的最大功率传输，需要共轭匹配技术来最大化传输系数。在此设计中，共轭匹配通过利用由连接到芯片的另一个引脚（地线）的24mm短路短截线产生的匹配电感来实现。在不失一般性和概念验证的目的，基准天线传感器原型是由标准PCB制造在罗杰斯5880基板，玻璃微纤维增强聚四氟乙烯（PTFE）复合材料，介电常数为2.2下零应变。基板厚度为H = 0.787mm，铜包层的厚度为17mu;m。铜天线的平面尺寸为Ltimes;W = 56times;50mm。
第三节、传感器设置和测量
图4：RFID天线传感器的测量设置
无线应变检测的测量设置如图4所示。该系统由用于无线询问的RFID读取器，以及在应变下（通过拉伸试验机引入）附接到铝样品的RFID天线传感器。当读取器向完全无源天线传感器发射询问电磁波时，天线传感器和周围环境反射回读取器天线。来自环境的大反射可以压倒传感器响应。为了区分传感器响应与环境反射，需要时间选通技术[12]或开路和短路响应来控制传感器反射[13]。在这项研究中，RFID芯片用于有效地生成调制的反向散射信号，以区分传感器响应与非调制的环境/背景反射[20]。此外，RFID芯片的价格小于10美分，使得这种方法对于批量生产特别有吸引力。选择SL3ICS1002芯片（由恩智浦半导体制造）作为RFID芯片;芯片的小占用面积对从铝样本到贴片天线的机械应变传递的最小干扰。
YI等：基于RFID的应变感知天线的灵敏度建模
图5：读写器的询问能力需要在三个不同的应变电平下激活RFID芯片
贴片天线以“双模式”操作，作为通信组件和应变感测元件。 Tagformance RFID读取器（由Voyantic Ltd.制造）用于测量传感器的询问功率阈值，其是来自刚好足以激活RFID芯片的读取器的最小询问功率。为了保证在传感器和读取器天线之间以不同的角度读取，在读取器侧使用圆形极化天线（由Cushcraft Corporation制造的S8658WPC）来询问线性极化天线传感器。在指定的频率范围内，询问过程测量读取器激活传感器所需的询问功率阈值。天线传感器的谐振频率被识别为询问频率，在该询问频率处需要最小量的询问功率来激活传感器。由于传感器没有板上应变信号数字化，因此传感分辨率和精度高度依赖于读取器，其作用类似于无线ADC（模数转换转换器）。 Tagformance读取器能够以0.1dBm的精度调整查询功率，同时以0.1 MHz的分辨率扫描频率范围。为了进一步提高测量精度和降低环境噪声效应，对相同原型的每个应变水平的五个功率阈值样本进行平均，以确保可靠的传感器读数并保持相对合理的测量时间。然后用4阶曲线拟合应用平均曲线。不同应变水平的询问功率阈值如图5所示。当传感器从30厘米的距离被询问时，其被选择用于概念验证测试。有关实验设置的更多细
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