无源无线射频识别传感器及其在结构健康监测中的应用

无源无线射频识别传感器及其在结构健康监测中的应用

李杰 杨乐

河南开封尉氏供电公司 河南省开封市 47500

摘要:为了保障结构的安全性，延长结构的寿命，结构健康监测技术近两年来被广泛应用在各行各业，但是随着我国科技的发达以及在技术领域的不断创新与发展，结构健康监测技术当前面临着巨大的挑战。为了更好地应对这些挑战，促进结构健康检测技术进一步发展，无源无线射频识别检测传感器应运而生，并发挥着巨大的作用。

关键词：无源无线射频识别传感器；结构健康监测；无损检测

结构健康监测技术主要应用在智能材料结构相关工程中，其属于仿生智能系统，主要的目的是识别以及监测结构是否“健康”，存在着哪些问题。其应用原理是利用埋在地下的或者表面粘贴的传感器来感知和预报结构的非健康因素，主要包括:结构的变形、腐蚀以及支撑失效等等方面。近两年来无源无线射频识别传感器的优势逐渐显现出来，也被广泛应用在了结构健康监测中，但是其还存在不少的问题，需要相关人员积极探索与创新解决路径。

1. 常用的检测技术以及其存在的问题

1.无损检测技术

为了保障大规模设施能够安全可靠的运行，人们一般利用无损检测技术监控结构来防

止可能存在的潜在的问题，无损检测技术具有很多的优点，例如，分辨率高、灵敏度高以及可靠性高等等，而其之所以有如此多优势的原因是其利用超声波、脉冲涡流以及涡流脉冲成像，但是其还是存在不少的问题，例如，传统的无损检测技术使用的设备都比较笨重且已经无法适应当前社会的需求；且检测速度慢、可以检测的范围非常小。除此之外，还存在自动化程度过于低下，极其容易受到损伤等等问题。因此为了改善以上提到的问题，促进无损检测技术进一步发展，其必需要做出两方面的改变，第一方面是必须提高无损检测技术的检测速度，增加其物理场并且让其与其他技术相融合；第二方面是将无损检测技术与结构健康监测技术有效融合。

2.分布式无线传感器网络

分布式无线传感器网络由于其成本低的优点变为相关企业进行大规模设施结构监测的有力选择，这是因为传感器网络如果想要大规模设施就必须要考虑到成本问题，并且成本还会间接的影响到结构健康检测大数据的收集。但是分布式无线传感器网络目前存在一个非常大的问题：目前我国大部分传感器节点维持正常工作依靠的都是电池，这样的做法一方面会对我国的环境造成一定的危害，另一方面会由于电池寿命有限而增加维护的成本。

3.射频识别传感技术

射频识别传感技术是近两年来才兴起的一项新型传感技术，其是在RFID以及追踪的基础上进行感知的，因此感知程度又有了进一步的提升，可以通过传感装置直接检测到被标示物体以及其周围的温度、湿度等环境信息，并且其还具备花费成本低、消耗功率低和智能化、无线运输等等显著的优势，从而可以借用传感装置检测被标示的物体以及温度、湿度等周围的环境信息，因此其具有花费成本低、消耗功率低以及智能化、无线传输等等优势。除此之外，其不同于其他检测技术的最大的一个特点就是可以附着在被检测的对象表面或者直接植入其中，通过这种方式可以更全面的监测到被检测对象及其周围环境的状态变化。但是该项技术毕竟发展时间较短，不具备成熟的技术，还存在功耗大、通信距离短等一系列问题。

2. 无源无线射频识别传感器在结构健康监测中的应用

当前我国处于大数据时代，网络技术以及信息技术不断地向着更加长远的方向发展，这一方面促进了无损检测技术的发展，另一方面又为无损检测技术提供了应用在结构健康监测这一新兴的研究方向。根据多年的调查以及实践证明，无源、无线及低成本RFID传感技术的应用价值很高，有着其他检测技术没有的特别的优势，且极具研究价值，但是其还面临着无线信道传播损耗、由于障碍物引发的大小尺度衰落等等问题，这些问题为提高RFID传感器技术系统灵敏度以及鲁棒性等关键性能带来了极大的难度。

1. 标签的防碰撞问题。

目前世界已经存在许多标准组织，例如ISO以及EPC Global等等，这些标准组织走在

了世界的前沿，在各种各样复杂的环境以及标签配置下都可进行多个标签读取，其最厉害的一点便是读取多个标签的条件非常低，只需在较低数据率的前提下即可。这项技术有两点优势，第一点是其通过压缩感应的方式来解决ID搜索占用空间过高的问题，这样的做法可以使得短时间内读取的标签数量更多，从而提升了RFID传感网络的通信速率；第二点是可以大幅度的降低标签端计算所带来的数据速率要求，这是因为标签端的计算往往无处不在而且计算量比较庞大，因而会对数据速率要求格外严苛，这是这项技术最引人注目的优势。但是随着越来越多的人认识到了标签的重要性，且不断地将其应用在RFID传感器中，导致阅读器的需求量急剧上升，阅读器数量的增加又将会使得给定频道或者通道数下阅读器之间发生冲突的可能性增加。除此之外，RFID的标签芯片的使用是有一定限额的，其功耗会受到限制，从而使得计算能力有限，可能会对RFID传感器的安全以及隐私问题带来一定的影响。

2. 窄带模拟通信与特征提取在复杂环境下的限制与突破

RFID的协议具有兼容超高频的特点，要维持该特征就要使得RFID传感系统的可用宽带的宽度变得狭小，除此之外，由于传感信号模拟特征的提取，阅读器的设计难度会有所上升，其会降低传感器的灵敏度。因而为了保障RFID传感器具有恒定的高读取性能，可以使用自动阻抗匹配的方法，这种方法可以有效的缓解标签天线依附对象所造成的一系列影响。除此之外，在提升标签天线的匹配性能的过程中可能会导致传感器与通信之间发生折衷问题，采取自动阻抗匹配的方法又可以有效解决这一问题，综上所述，自动阻抗匹配的使用具有重要意义。例如，Magnus S传感器芯片可以在-40℃-+85摄氏度下工作，数字化RSSI存储器以及传感器被安置在了其内置片上。而数字化信息可以有两种方法来消除传播损耗或信道衰落在反向散射通信中的影响，一种方法是在阅读器端重建标签天线的RSSI，另一种方法是输入阻抗。

3. 无芯片RFID标签和系统也是未来的发展方向

为了降低标签制造的成本，为企业带来更大的经济效益，许多企业开始利用无芯片RFID标签，其制作原理是利用导电油墨印刷技术在多种基板上制造，而其之所以能够降低成本，是因为它仅仅利用金属图案作为天线，而不包括任何芯片，与此同时，其还具有一个显著优势便是可以将标签天线打印在可拉伸的衬底上并共形于复杂表面。尽管无芯片标签具有很多优势，但是依然面临着很大的挑战，最主要的有UID的生成以及测量两个方面。为了应对这些挑战，相关企业也探索出了许多解决措施，例如，利用频分、时分、空分或者是相位的方法分割来生成UID，每种方法都存在各自的优势以及不足。除此之外，还可以开发2D结构图案。

4. 新材料、新工艺以及新应用

传统的材料使用的时间过长且存在不少的问题，因此需要更多的新材料以适应时代的发展，经常提到的新材料有石墨烯、功能材料以及柔性基板等等。除此之外，还要开发3D打印以及喷墨印刷等等新工艺来促进结构健康监测的发展。随着我国技术的不断发展，还涌现出了智能包装、可穿戴设计以及智能医疗等等新应用。另外为了突破RFID传感器技术，让其拥有良好的发展方向，还应该积极研发微型化工艺，例如，互补金属氧化物半导体、工艺器件片上集成等等。

结束语：

无源无线射频识别传感器还有广阔的发展空间，且具有很多优势，因此相关企业以及工作人员应该充分认识到其重要性，并且对其进行积极的创新与改革，将其应用在结构健康监测中。但是目前我国的RFID传感技术还存在不少的问题，面临着巨大的挑战，需要相关人员加大研究力度，全面分析以及整理这些问题，并探索出对策。

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[4]仇逊超,曹军.无源无线传感器平台在人体跑步检测中的应用[J].计算机工程与设计,2014,35(12):4395-4401. 作者简介：李杰，1981年11月，男，河南省开封市尉氏县，汉，本科，助理工程师 研究方向：研究方向，配网工程。