一种通信与传感分离的射频传感器和金属裂纹检测系统论文和设计-黄楚钿

全文摘要

本申请公开了一种通信与传感分离的射频传感器和金属裂纹检测系统，利用开环谐振器和U型对称谐振器形成的明暗双谐振子耦合系统的超材料能量吸收特性，产生类电磁诱导透明效应，在对金属地板模型表面的裂纹进行检测时，标签芯片获得能量被激活，实现向后散射通信，在明暗双谐振子耦合系统的作用下，可以获得分别用于传感与通信的两个谐振频率，不同的裂纹深度所产生的传感谐振频率偏移不同，因此能够将通信与传感功能分离，平衡传感功能与通信功能的能量分配，二者之间互不干扰，解决了现有的传感器标签天线在同一谐振频率上实现传感与通信功能，无法做到同时兼具高灵敏度和强通信能力的技术问题。

主设计要求

1.一种通信与传感分离的射频传感器，其特征在于，包括：第一基板、第二基板、开环谐振器、U型对称谐振器和标签芯片；所述开环谐振器设置于所述第一基板的上表面；所述U型对称谐振器设置于所述第二基板的上表面；所述开环谐振器设置有用于安装所述标签芯片的开口结构；所述第一基板叠放在所述第二基板的上表面；所述开环谐振器与所述U型对称谐振器形成明暗双谐振子耦合系统，谐振频率为902MHz～928MHz。

设计方案

1.一种通信与传感分离的射频传感器，其特征在于，包括：第一基板、第二基板、开环谐振器、U型对称谐振器和标签芯片；

所述开环谐振器设置于所述第一基板的上表面；

所述U型对称谐振器设置于所述第二基板的上表面；

所述开环谐振器设置有用于安装所述标签芯片的开口结构；

所述第一基板叠放在所述第二基板的上表面；

所述开环谐振器与所述U型对称谐振器形成明暗双谐振子耦合系统，谐振频率为902MHz～928MHz。

2.根据权利要求1所述的通信与传感分离的射频传感器，其特征在于，所述开环谐振器为尺寸可调节的非封闭式结构。

3.根据权利要求1所述的通信与传感分离的射频传感器，其特征在于，所述开口结构与所述标签芯片尺寸匹配。

4.根据权利要求1所述的通信与传感分离的射频传感器，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板均为陶瓷材料，相对介电常数范围为17～23，损耗角正切范围为0.001～0.003。

5.根据权利要求1所述的通信与传感分离的射频传感器，其特征在于，所述U型对称谐振器包括两条微带线，每条所述微带线包括三段，两个垂直段的长度相等、宽度相等。

6.根据权利要求5所述的通信与传感分离的射频传感器，其特征在于，所述两条微带线的距离为2mm～3mm。

7.一种金属裂纹检测系统，其特征在于，包括金属地板和如权利要求1至6中任意一项所述的通信与传感分离的射频传感器；

所述金属地板上设置有金属裂纹；

所述射频传感器位于所述金属裂纹的上方，用于对所述金属裂纹进行裂纹深度检测。

设计说明书

技术领域

本申请涉及微射频传感器技术领域，尤其涉及一种通信与传感分离的射频传感器。

背景技术

许多基础设施和复杂工程结构，如铁轨、管道、飞行器、高层建筑以及大型水利工程等，材料老化、长期受极端天气影响及频繁的应力作用，导致材料表面出现裂纹，具有潜在危害性，可能引发严重的安全事故和造成巨大的经济损失。因此，对基础设施和复杂工程结构生命周期内的裂纹检测是保证其安全可靠运行的关键。

目前常用的裂纹检测方法有磁粉、超声、渗透、漏磁等方法。但这些方法存在普遍的明显缺陷，如不够方便快捷、检测程序繁琐、设备结构复杂、人工成本高等。磁粉法检测环境要求高，受检物体表面不能含有能粘附磁粉的物质，否则影响检测结果，并且不够方便快捷，不能随时检测，检测前后要对设备分别磁化和退磁；超声法检测程序繁琐，需要在受检物体表面涂上耦合剂，检测结果容易受环境噪声影响；渗透法检测程序繁琐，检测前后要清洗设备，仅能检测表面光滑的物体；漏磁法设备结构复杂，检测困难。为避开以上裂纹检测方法存在的问题，目前研究出了使用RFID检测方法检测裂纹的深度，RFID检测方法简便快捷，且RFID天线传感器具有结构简单、制造成本低、重量轻、体积小和检测灵敏度高等优点。

RFID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的需求：标签的天线通常设计为在健康状态下与标签芯片阻抗匹配，而缺陷的产生及传播会引起标签天线与芯片的阻抗失配，这将导致通信距离的减小。也就是说，灵敏度或动态范围是受限的，因此设计RFID传感器时需考虑性能的平衡或折衷，而目前的传感器标签天线在同一谐振频率上实现传感与通信功能，在传感功能与通信功能之间的能量分配需要折衷，且二者之间互相干扰，无法做到同时兼具高灵敏度和强通信能力。

实用新型内容

本申请提供了一种通信与传感分离的射频传感器，用于解决现有的传感器标签天线在同一谐振频率上实现传感与通信功能，无法做到同时兼具高灵敏度和强通信能力的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种通信与传感分离的射频传感器，包括：第一基板、第二基板、开环谐振器、U型对称谐振器和标签芯片；

所述开环谐振器设置于所述第一基板的上表面；

所述U型对称谐振器设置于所述第二基板的上表面；

所述开环谐振器设置有用于安装所述标签芯片的开口结构；

所述第一基板叠放在所述第二基板的上表面；

所述开环谐振器与所述U型对称谐振器形成明暗双谐振子耦合系统，谐振频率为902MHz～928MHz。

优选地，所述开环谐振器为尺寸可调节的非封闭式结构。

优选地，所述开口结构与所述标签芯片尺寸匹配。

优选地，所述第一基板和所述第二基板均为陶瓷材料，相对介电常数范围为17～23，损耗角正切范围为0.001～0.003。

优选地，所述U型对称谐振器包括两条微带线，每条所述微带线包括三段，两个垂直段的长度相等、宽度相等。

优选地，所述两条微带线的距离为2mm～3mm。

本申请第二方面还提供了一种金属裂纹检测系统，包括金属地板和第一方面所述的任一种通信与传感分离的射频传感器；

所述金属地板上设置有金属裂纹；

所述射频传感器位于所述金属裂纹的上方，用于对所述金属裂纹进行裂纹深度检测。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种通信与传感分离的射频传感器，包括：第一基板、第二基板、开环谐振器、U型对称谐振器和标签芯片；开环谐振器设置于第一基板的上表面；U型对称谐振器设置于第二基板的上表面；开环谐振器设置有用于安装标签芯片的开口结构；第一基板叠放在第二基板的上表面；开环谐振器与U型对称谐振器形成明暗双谐振子耦合系统，谐振频率为902MHz～928MHz。本申请提供的射频传感器，利用开环谐振器和U型对称谐振器形成的明暗双谐振子耦合系统的超材料能量吸收特性，产生类电磁诱导透明效应，在对金属地板模型表面的裂纹进行检测时，标签芯片获得能量被激活，实现向后散射通信，在明暗双谐振子耦合系统的作用下，可以获得分别用于传感与通信的两个谐振频率，不同的裂纹深度所产生的传感谐振频率偏移不同，因此能够将通信与传感功能分离，平衡传感功能与通信功能的能量分配，二者之间互不干扰，解决了现有的传感器标签天线在同一谐振频率上实现传感与通信功能，无法做到同时兼具高灵敏度和强通信能力的技术问题。

附图说明

图1为本申请提供的一种通信与传感分离的射频传感器结构示意图；

图2为图1中的射频传感器的俯视图；

图3为图1中的射频传感器的表面电流分布图；

图4为图1中的射频传感器在进行仿真检测时得到的裂纹深度与反射系数的关系示意图；

图5为图1中的射频传感器在进行仿真检测时得到的裂纹深度与增益的关系示意图；

其中，附图标记为：

1、开环谐振器；2、U型对称谐振器；3、标签芯片；4、第一基板；5、第二基板；6、开口结构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

为了便于理解，请参阅图1和图2，本申请提供的一种通信与传感分离的射频传感器的一个实施例，包括：第一基板、第二基板、开环谐振器、U型对称谐振器和标签芯片；

开环谐振器设置于第一基板的上表面；

U型对称谐振器设置于第二基板的上表面；

开环谐振器设置有用于安装标签芯片的开口结构；

第一基板叠放在第二基板的上表面；

开环谐振器与U型对称谐振器形成明暗双谐振子耦合系统，谐振频率为902MHz～928MHz。

需要说明的是，本申请实施例中的射频传感器设计有两种谐振天线，一种是高辐射低Q值谐振天线，即开环谐振器，对应明亮模式，能够与入射电磁场直接耦合；另一种是非辐射高Q值谐振天线，即U型对称谐振器，对应黑暗模式，该天线能通过明亮模式诱导产生间接耦合。开环谐振器作为明亮振子，U型对称谐振器作为黑暗振子，明暗双振子相互耦合，电磁能量由明亮振子传输到黑暗振子，电磁场相消干涉，产生类电磁诱导透明效应，在阻带中心频率点产生锐利的吸收窗口，中心频率分裂为两个谐振频率，分别用于传感和通信。

本申请实施例中，可以在开环谐振器的端部设置用于安装标签芯片模型的开口结构，在开口结构上设置标签芯片模型，开口结构的尺寸应与标签芯片的尺寸相匹配，通过结构形状和尺寸选取使得整体结构的谐振频率工作在902～928MHz射频识别段。

本申请实施例中提供的射频传感器，利用开环谐振器和U型对称谐振器形成的明暗双谐振子耦合系统的超材料能量吸收特性，产生类电磁诱导透明效应，在对金属地板模型表面的裂纹进行检测时，标签芯片获得能量被激活，实现向后散射通信，在明暗双谐振子耦合系统的作用下，可以获得分别用于传感与通信的两个谐振频率，不同的裂纹深度所产生的传感谐振频率偏移不同，因此能够将通信与传感功能分离，平衡传感功能与通信功能的能量分配，二者之间互不干扰，解决了现有的传感器标签天线在同一谐振频率上实现传感与通信功能，无法做到同时兼具高灵敏度和强通信能力的技术问题。

作为上一个实施例的改进，进一步地，开环谐振器为尺寸可调节的非封闭式结构。

作为上一个实施例的改进，进一步地，开口结构与标签芯片尺寸匹配。

作为上一个实施例的改进，进一步地，第一基板和所述第二基板均为陶瓷材料，相对介电常数范围为17～23，损耗角正切范围为0.001～0.003。

作为上一个实施例的改进，进一步地，U型对称谐振器包括两条微带线，每条微带线包括三段，两个垂直段的长度相等、宽度相等。

以下对本申请实施例中的技术方案进行进一步的详细说明：

开环谐振器1设于第一基板4上表面，U-型对称谐振器2设于第二基板5上表面。开环谐振器1位于U-型对称谐振器2上方，用于激励U-型对称谐振器2。通过开环谐振器1和U-型对称谐振器2结构形状和尺寸选取使其谐振频率均工作在902-928MHz射频识别频段。开环谐振器1为尺寸可调节的非封闭结构且开口结构6设于开环谐振器1的端部。开口结构6的尺寸与标签芯片3的尺寸相匹配。标签天线收集空间中的能量激活标签芯片3，实现后向散射通信。裂纹设于金属地板7表面，可以建立裂纹深度与传感谐振频率的关系，传感谐振频率偏移的大小表征裂纹的深度。

图3为本申请实施例中所述传感器实施例典型频率典型裂纹深度的表面电流分布图。当裂纹深度为2mm时，在913MHz，U-型对称谐振器作为黑暗振子谐振，表面电流达到最大值，913MHz为传感谐振频率，传感灵敏度达到最大值；在924.5MHz，开环谐振器谐振作为明亮振子谐振，表面电流达到最大值，924.5MHz为通信谐振频率，此时传感器通信能力最强。

图4为图1中的射频传感器在进行仿真检测时得到的裂纹深度与反射系数的关系示意图。裂纹宽度设置为1mm，其中wo曲线表示当裂纹深度d为0时，开环谐振器的反射系数。当裂纹深度d为0，1mm，2mm，3mm，对应的传感谐振频率分别为918MHz，916MHz，913MHz，908MHz，对应的通信谐振频率分别为926MHz，925MHz，924.5MHz，923.5MHz，可见不同的裂纹深度使得明暗双谐振子的耦合强度不同，吸收窗口宽度不同，谐振频率发生偏移。其中，传感谐振频率偏移量较大，而通信谐振频率偏移量较小，传感谐振频率偏移的大小可以表征裂纹的深度，传感灵敏度为3.33MHz\/mm，所述传感器具有高传感灵敏度。图5为图1中的射频传感器在进行仿真检测时得到的裂纹深度与增益的关系示意图，其中wo曲线表示当裂纹深度d为0时，开环谐振器的增益。裂纹深度会影响传感器的输入阻抗，从而影响增益，在不同裂纹深度对应的通信频率处，传感器增益均保持在2dBi以上，所述传感器具有强通信能力。

为了便于理解，请参阅图1，本申请还提供了一种金属裂纹检测系统的实施例，本申请实施例中提供的金属裂纹检测系统包括金属地板7和前述通信与传感分离的射频传感器实施例中的通信与传感分离的射频传感器；

金属地板7上设置有金属裂纹；

射频传感器位于金属裂纹的上方，用于对金属裂纹进行裂纹深度检测。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

设计图

一种通信与传感分离的射频传感器和金属裂纹检测系统论文和设计

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