用于应变和裂纹传感的无源无线天线传感器-电磁建模，仿真和测试
小华毅1，春熙Cho 1，詹姆斯·库珀2，杨王1，马诺斯·门特泽斯2和罗伯托·蒂·莱昂
1乔治亚理工学院土木与环境工程学院，亚特兰大，GA 30332，
美国
2乔治亚理工学院电气和计算机工程学院，亚特兰大，GA 30332，
美国
3弗吉尼亚理工学院和州立大学土木与环境工程系，布莱克斯堡，VA 24061，US
摘要
该研究调查了一种被设计用于应变和裂纹检测的无源无线天线传感器。当天线经受变形时，天线形状发生变化，导致天线的电磁共振频率发生变化。采用无线射频识别（RFID）芯片进行天线信号调制，使得无线阅读器可以容易地将反向散射传感器信号与不需要的信号区分开来。 RFID芯片从读取器发出的询问电磁波捕获其工作电源，这使得天线传感器被动（无电池）。本文首先报道了辐射图，表面电流密度和电磁场分布的最新模拟结果。仿真结果与应变和裂纹检测的实验结果相吻合天线传感器的性能。拉伸试验表明，无线天线传感器可以检测到低于20mu;ε的小应变变化，并能在高于10000mu;ε的大应变下表现良好。使用高增益读取器天线，无线询问距离可以增加到2.1米。此外，天线传感器阵列能够近距离地测量应变分布。在仿真裂纹和疲劳裂纹试验期间，天线传感器能够检测到小裂纹的生长。
- 介绍
为了准确评估民用，机械和航空航天结构的恶化，大量结构健康监测（SHM）的研究灵感来自于过去几十年已经被研究[1]。 SHM系统可以将基于时间的维护提升到更具成本效益的基于条件的维护。 已经开发了传感器来测量各种结构响应和操作条件，包括应变，位移，加速度，湿度，温度等。在测量中，应变可以作为应力集中的重要指标，破裂发展。 金属箔应变计目前是应变测量中最常见的解决方案之一，因为它们的成本低，电路简单，在许多应用中可接受的可靠性。 然而，当应用于大型结构时，传统的金属箔应变计需要长时间的电源和数据采集电缆连接，这可以显着增加安装时间和系统成本[2]。
在许多新的SHM技术中，无线传感可以帮助显着降低仪器的时间和系统成本[3-6]。 关于无线传感的详尽评论对于SHM可以在[7]中找到，它总结了各种学术和工业无线传感设备的发展。 无线传感设备通常具有三个功能模块：感测接口（例如，将模拟传感器信号转换为数字数据），计算核心（数据存储和处理）以及无线收发器（与对等体或无线网关服务器的数字通信）。 为了获得不同类型的测量，各种传感器可以连接到无线传感设备的感测接口。 例如，应变测量可以通过接头进行参数化来获得。另外，目前的无线传感设备通常可以在外部电源（例如电池）上工作。为了避免现场昂贵的周期性电池更换，通常部署充电电池。这些电池由集成能量收集器充电。
能量收集的可能来源包括太阳能，机械振动，热梯度等[8]。然而，即使可以从源头捕获，充电电池通常具有有限的寿命。为了解决这个困难，一种替代方法是采用射频识别（RFID）技术进行无源无线传感[9]。基于RFID的无线传感器可以通过无线读取器捕获来自询问的操作电力。例如，WISP（无线询问和感测平台）单元从超高频（UHF）RFID读取器接收操作功率，并通过RFID接口与读取器进行通信[10]。然而，WISP单元仍然包含可编程微控制器和模数转换器，这使得其基本架构接近传统的无线传感器件，如[7]中所概述。另外还提出了一些基于两个相邻电感器之间的电感耦合的无源被动应变传感器[11-13]。通过电感耦合实现的询问距离通常限于几英寸，这对于实际应用是不方便的。类似地，已经提出了通过无线测量散射参数的全向应变感测的圆形贴片天线传感器[14]。在不使用信号调制的情况下，传感器在读取器天线的近场工作。因此，无线接收的传感器信号与背景反射混合;只有有限的询问距离才能实现。为了增加询问距离，电磁反向散射技术已经被用于无线应变传感。由于天线的电磁共振频率与天线的物理尺寸有关，当天线经受应变时，谐振频率发生变化。将天线结合或嵌入结构后，谐振频率与应变之间的关系可用于应力/应变测量。例如，贴片天线已经被设计用于无线应变传感[15,16]，其中采用光电晶体管来模拟来自传感器的信号反向散射。作为调制的结果，背散射传感器信号可以区别于环境反射。然而，除了需要视线之外，光开关机构对于室外应用来说是不实际的，其中光强通常如此强烈，使得光电晶体管不断地被激活，从而失去其切换能力。作为另一个例子，Thomson等人[17]开发了一种用于无线应变感测的RF空腔传感器。外部天线需要与腔传感器连接才能进行询问。到期对于腔体构造，传感器可能更适合于嵌入混凝土内，而不是安装在金属表面上。
为了将反向散射传感器信号与不需要的背景反射区分开，研究人员利用天线传感器研究了RFID调制。一个已经设计了具有RFID调制的小尺寸曲折线天线，用于非金属结构上的无线应变感测[18]，尽管所展示的可测量应变分辨率对于大多数SHM应用来说不太可能。最近，作者开发了一种用于无源无线应变传感的折叠贴片天线，其利用便宜的现成的RFID芯片进行信号调制[19]。采用折叠贴片天线格式，提高传感器在金属表面的询问距离。天线传感器的应变感应性能
在0.3和0.6 m的询问距离进行了调查。拉伸试验结果表明一致和准确的应变感测能力。作者进一步研究了RFID应变传感性能的基板厚度天线传感器[20]。拉伸试验结果表明，具有较高的询问距离可以通过下式进行。此外，Yi等[21]研究了RFID天线传感器应变感应的热效应，从而研究了相应的热还原方法。为了彻底评估原型天线传感器，本文首先介绍了原型传感器的详细电磁仿真结果，如电流密度，电磁场分布，和辐射图。进行广泛的实验来研究原型传感器的应变感测能力，例如感测分辨率，测量范围，不同距离处的感测一致性以及传感器阵列的应变感测。此外，为了评估原型传感器的裂纹检测能力，首先进行裂纹测试仿真。裂纹测试装置被设计成产生一个毫米裂纹开口。最后，对原型传感器的疲劳裂纹检测性能进行了评估。
本文的其余部分安排如下。 第2节简要回顾了折叠贴片天线传感器的感测机制。 介绍了应变传感的电磁仿真结果。 第3节描述了应变感测分辨率，应变测量范围，大询问距离处的应变感应一致性以及天线传感器阵列的应变感测的拉伸试验结果。 第4节提出了仿真裂纹检测和疲劳裂纹检测的结果。第5节提供了这项工作的总结和讨论。
- RFID折叠贴片天线传感器的设计与仿真
本节的组织结构如下。 第2.1节首先回顾了RFID折叠贴片天线传感器的设计和应变感测机制。 第2.2节介绍了电磁仿真以评估原型天线传感器的应变效应。 2.3节介绍了询问功率阈值法和相应的测量设置。
2.1 传感器设计
图1提供了RFID天线传感器原型设计的3D图。 传感器的前/上侧包含一个薄铜包层（作为导电部分）
天线）和RFID芯片（来自恩智浦半导体的SL3ICS1002），其安装在6厘米times;6.9厘米的电介质基板上。 传感器的背面/底部是
沉积在基板背面的电子接地层（也由铜包层制成）。 天线传感器的更详细的描述可以在[19]中找到。
在传感器设计阶段，调整贴片天线的阻抗以匹配RFID芯片阻抗的共轭。 因此，为了激活RFID芯片，需要从读取器发送最小的功率量。 天线的功率反射系数S11量化了该传输效率。 S 11被定义为由天线反射的功率与由RFID芯片摄取的功率的比率。 S 11的较小值表示较高的传输效率。天线设计基于四分之一波折叠的贴片拓扑[9]。 当天线传感器在纵向方向上经受应变ε时，发生偏移的共振频率f R可以估计为：
其中c是光速，L是顶部铜包层的物理长度（5.6cm），εr（当前设计为2.2）是衬底的介电常数，1L是
由衬底宽度 - 厚度尺寸和介电常数确定的附加电长度补偿。 该方程式表明，当应变ε小时，天线传感器的谐振频率相对于施加的应变具有近似的线性关系。 这种关系是无线应变/裂纹传感的基本机制。 应变感测的天线传感器性能首先通过使用商业软件包（ComputerSimulationTechnology（CST）Microwave）的电磁仿真研究工作室。
图2. CST Microwave Studio中折叠贴片天线传感器的仿真模型
2.2 应变感应电磁仿真
图2显示了CST Microwave Studio中折叠贴片天线的仿真模型。 RFID芯片被模拟为具有与芯片相同的电阻抗的集总端口。整个模拟域由图2中的立方体框图描绘。立方体充满空气，折叠的贴片天线位于立方体中心。在空气立方体的外表面处，边界条件设定为a完美匹配层（PML）。 PML边界条件允许天线传感器发射的电磁波以最小的反射通过，这使得有限体积的计算机模型能够将电磁波的耗散模拟成无穷大的空间。模型中的铜材料被视为零厚度的完美电导体（PEC）边界条件，这提高了计算效率。在某一电磁频率omega;下，电场E和磁场H的相量形式被描述亥姆霍兹方程[22]
其中mu;，ε和sigma;表示材料的磁导率，介电常数和电导率; j表示虚构单位。
在CST仿真期间，由于天线传感器的强烈共振，选择了频域解算器。该模型包含大约61000个四面体元素和409000度自由度。在不超过规定的频率范围（905-920 MHz）下，传感器性能模拟 频率步长为0.01 MHz。 总计算时间约为27分钟。 直接模拟结果是等式（2）中的电场E和磁场H。 基于场分布，天线增益G（theta;，phi;）可以估计为[23]：
图3.折叠贴片天线的模拟辐射图。（a）E平面中的增益与theta;（phi;= 90◦）。（b）H平面中的增益与theta;的关系（phi;= 0◦）
其中e t是总天线效率，其考虑了集总端口和天线内的损耗; Etheta;和Ephi;是沿theta;的远场电场分量和phi;方向。 图3显示了在E平面（图3中的phi;= 90°，具有电场）和H平面（图3中的phi;= 0°，具有磁场）在共振频率处的折叠贴片天线的模拟辐射图 913.623 MHz。 天线的峰值增益为-3.54 dB。 E和H平面中的半功率波束宽度（HPBW）分别约为129.5°和305°。 大的HPBW值允许询问读取器天线的灵活定位。
当读取器以特定询问频率（其可能或可能不等于天线共振频率）照射传感器时，只要询问频率在芯片的操作范围内，RFID芯片就可以收获能量。 芯片然后通过折叠的贴片天线将电磁波辐射回读取器。 辐射强度的指示是在与询问信号相同的电磁频率下在天线铜表面上流动的表面电流的密度。 基于模拟磁场分布，存在于空气和衬底材料之间的界面处的表面电流密度（J s）可以计算为[22]：
其中H 1和H 2是两个相邻介质中的磁场。 如果界面在铜和空气之间，则H 1和H 2分别是铜和空气中的磁场。 此外，H 1为零，因为在作为完美导体的铜内部不存在磁场。 类似地，如果界面在罗杰斯基板5880和空气之间，则H 1和H 2分别是罗杰斯基板5880和空气中的磁场。 图4（a）和（b）分别绘制传感器处于零应变时的y方向上的表面电流密度，分别用于两个不同的询问频率（913.623 MHz和912 MHz）。 虽然这两个数字似乎相似，仔细检查显示图4（a）显示出更强的电流。 换句话说，在零应变时，913.623MHz询问信号导致比具有相同功率电平的912MHz询问信号更强的天线传感器辐射。
在零应变电平模拟天线传感器性能之后，当天线变形为2000mu;ε时，进行另一个仿真。 为了模拟CST Microwave Studio中应变下的天线行为，考虑到泊松比，传感器尺寸按比例缩放。 图5显示了当天线处于2000mu;ε应变时，在相同的两个询问频率处的模拟表面电流密度。 与图4相反，图5（a）显示了比图5（b）弱的电流。 换句话说，在2000mu;ε时，912 MHz的询问信号会导致比具有相同功率电平的913.623 MHz询问信号更强的天线传感器辐射。
此外，基于在代表RFID芯片的集总端口处的模拟电场分布来计算反射系数（S11）[22]
其中V i和V r分别是端口处的等效入射和反射电压。 S 11表示集总端口（RFID芯片）与其之间的阻抗匹配
天线。 较小的S 11值意味着更好的匹配和更高的天线效率。 图6（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S 11曲线。 在每个应变水平下，通过峰值采集来提取天线共振频率。 当应变增加时，观察到明显的频率下降。 例如，在零应变电平下，发现天线共振频率为913.623MHz。 At2000mu;ε，谐振频率降至912 MHz。 两个不同的谐振频率证实了图4和图5之间的电流密度比较。当天线在谐振频率下被激发时，发生更强的表面电流，其随应变水平而变化。
图4.在两个不同频率（0mu;ε）的y方向上的模拟表面电流密度。 （a）913.623 MHz的表面电流密度。 （b）912 MHz时的表面电流密度。
图5.在两个不同频率（2000mu;ε）的y方向上的模拟表面电流密度。 （a）913.623 MHz的表面电流密度。 （b）912 MHz时的表面电流密度
由于实际的传感器制造和安装公差，不同安装天线传感器的零应变共振频率可能略有不同。 为了减轻对应变测量的影响，定义了归一化共振频率变化的概念。 谐振频率变化根据以下等式由初始谐振频率（即，零应变电平处的f R0）归一化：
其中1f N表示归一化的频率变化
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