基于RFID芯片的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法

呂志剛 范向前 魏榮 方浩楠

摘要：傳統(tǒng)的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法測(cè)試準(zhǔn)確率較低，測(cè)試效率差，為了解決上述問題，基于RFID芯片研究了一種新的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，分析改良后的RFID芯片，針對(duì)RFID芯片特性探究RFID芯片對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試原理，利用內(nèi)置天線連續(xù)發(fā)射的無(wú)規(guī)則無(wú)線電波判斷高強(qiáng)混凝土的溫度與濕度等數(shù)據(jù)，由集成電路IC將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無(wú)線電信號(hào)形式傳輸給遠(yuǎn)程客戶端，通過遠(yuǎn)程客戶端將植入高強(qiáng)混凝土中的RFID芯片進(jìn)行關(guān)閉或者休眠，確定測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于RFID芯片的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法工作效率和測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確率更高。

關(guān)鍵詞：RFID芯片;高強(qiáng)混凝土;粘度測(cè)試;動(dòng)態(tài)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TU30

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0148-05

0 引言

隨著我國(guó)建筑領(lǐng)域的不斷發(fā)展與進(jìn)步，高強(qiáng)混凝土在我國(guó)建筑行業(yè)的各方面得到了廣泛的應(yīng)用。高強(qiáng)混凝土具有許多的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面，首先高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)大的牢固性，在減少結(jié)構(gòu)斷面的同時(shí)也降低了鋼筋的用量，不但可以降低成本，還可以增加房屋使用面積和有效空間，減少地基負(fù)荷[1]。其次高強(qiáng)混凝土還具有致密堅(jiān)硬的特點(diǎn)，在抗凍性、抗?jié)B性、耐腐蝕性、抗沖擊性等方面都要強(qiáng)于普通的混凝土，因此高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域十分的廣泛[2]。

高強(qiáng)混凝土雖然給我國(guó)的建筑領(lǐng)域提供了諸多的便利，但其對(duì)粘度的要求卻顯得十分苛刻，粘度是決定高強(qiáng)混凝土的好壞的主要因素之一，針對(duì)高強(qiáng)混凝土不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)高強(qiáng)混凝土的粘度要求也有所不同，若粘度過高，則有可能造成增加結(jié)構(gòu)斷面、無(wú)法返工修改、增加成本的情況，若粘度過低，則有可能造成抗凍性、抗?jié)B性、耐腐蝕性、抗沖擊性等不理想的狀況，因此能否對(duì)高強(qiáng)混凝土的粘度進(jìn)行檢測(cè)十分重要，但目前并沒有十分有效的方法[3]。

本文通過RFID芯片設(shè)計(jì)了一種高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，RFID芯片是一種可以使用射頻（RF）信號(hào)與閱讀器交換的數(shù)據(jù)的標(biāo)簽，具有一個(gè)內(nèi)置天線和一個(gè)集成電路IC，內(nèi)置天線主要負(fù)責(zé)發(fā)送與接收無(wú)線電波，集成電路IC則負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行處理，本文設(shè)計(jì)的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法需要將改良后的RFID芯片植入到高強(qiáng)混凝土中，通過RFID芯片的內(nèi)置天線和集成電路IC來(lái)與外界的智能設(shè)備進(jìn)行無(wú)線電波與無(wú)線電信號(hào)的聯(lián)系，對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度進(jìn)行一種動(dòng)態(tài)測(cè)試，進(jìn)而達(dá)到測(cè)試高強(qiáng)混凝土粘度的目的[4]。

1 基于RFID芯片的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試原理

RFID芯片具有很多的類型，由于本文研究的方法需要對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)進(jìn)行測(cè)試，所以需要對(duì)傳統(tǒng)的RFID芯片進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的改良[5]。

1.1 RFID芯片的改良

受高強(qiáng)混凝土的因素的影響，在把RFID芯片植入到高強(qiáng)混凝土后，將無(wú)法再將RFID芯片取出來(lái)，因此我們需要讓改良后的RFID芯片滿足以下需求：

1） RFID芯片需要滿足體積足夠小且成本低廉的要求，因?yàn)橹踩氲腞FID芯片不能對(duì)未來(lái)高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用造成影響且該芯片為一次性產(chǎn)物。

2） RFID芯片需要滿足自己提供能源的要求，即需要安裝微型儲(chǔ)能電池且續(xù)航能力要求較高。

3）需要有強(qiáng)大的保護(hù)設(shè)備即RFID芯片在測(cè)試的過程中不能出現(xiàn)損壞的情況，且在測(cè)試的過程中需要保證信號(hào)的流暢性與準(zhǔn)確性[6]。經(jīng)過設(shè)計(jì)改良后的RFID芯片如圖l所示。

改良后的RFID芯片在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了保護(hù)措施且具有信號(hào)加強(qiáng)的功能，微型儲(chǔ)能電池價(jià)格低廉且足夠滿足續(xù)航的要求，而在RFID芯片完成相關(guān)工作后，會(huì)受遠(yuǎn)程客戶端的影響可以進(jìn)行自動(dòng)休眠狀態(tài)，不會(huì)對(duì)未來(lái)高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用造成影響[7]。

1.2 RFID芯片對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試原理

在RFID芯片植入到高強(qiáng)混凝土之前，相關(guān)工作人員需要將RFID芯片與遠(yuǎn)程客戶端即電腦控制設(shè)備進(jìn)行相關(guān)連接，進(jìn)而保證無(wú)線電波與無(wú)線信號(hào)的正常傳輸，由于高強(qiáng)混凝土受粘度的影響整體狀態(tài)會(huì)存在一定的變化，所以高強(qiáng)混凝土的狀態(tài)不是固定不變的，本文稱之為粘度動(dòng)態(tài)，而本文設(shè)計(jì)的方法則是通過RFID芯片來(lái)測(cè)試高強(qiáng)混凝土的粘度動(dòng)態(tài)進(jìn)而達(dá)到測(cè)試高強(qiáng)混凝土粘度的目的[8]。

當(dāng)RFID芯片植入到高強(qiáng)混凝土后，RFID芯片的內(nèi)置天線會(huì)自動(dòng)向外發(fā)射無(wú)線電波，由于高強(qiáng)混凝土顆粒之間都存在著一定的間隙，所以內(nèi)置天線自動(dòng)發(fā)射的無(wú)線電波會(huì)自由的在這些間隙中進(jìn)行傳遞與碰撞，經(jīng)過多次的傳遞與碰撞后，這些無(wú)線電波最終會(huì)逐漸的回到RFID芯片的無(wú)線電波接收器當(dāng)中，接收器會(huì)對(duì)這些無(wú)線電波發(fā)送與接收的時(shí)間間隔進(jìn)行記錄并將這些記錄轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉FID芯片的集成電路IC中，而集成電路IC則會(huì)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的形式傳輸給遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)而達(dá)到對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)進(jìn)行測(cè)試的目的[9]。RFID芯片的具體工作流程圖如圖2所示。

高強(qiáng)混凝土顆粒之間間隙的大小對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)起著決定性的作用，若高強(qiáng)混凝土顆粒之間間隙過大即高強(qiáng)混凝土的粘度動(dòng)態(tài)過低，則同一無(wú)線電波傳遞與碰撞的空間會(huì)更大，所以發(fā)送與接收的時(shí)間間隔會(huì)變長(zhǎng)，同理，若高強(qiáng)混凝土顆粒之間間隙過小即高強(qiáng)混凝土的粘度動(dòng)態(tài)過高，則同一無(wú)線電波傳遞與碰撞的空間會(huì)變得很小，發(fā)送與接收的時(shí)間間隔也會(huì)隨之變短[10]。

2 RFID對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)的測(cè)試

在將RFID芯片植入到高強(qiáng)混凝土前，相關(guān)工作人員可以根據(jù)不同的建筑情況對(duì)高強(qiáng)混凝土設(shè)立粘度要求即高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)中所包含的數(shù)據(jù)可以設(shè)為數(shù)據(jù)組A，這一數(shù)據(jù)組A會(huì)在遠(yuǎn)程客戶端的電腦設(shè)備中進(jìn)行保存，以便和未來(lái)通過RFID芯片測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比參照[11]。

RFID芯片植入到高強(qiáng)混凝土后，內(nèi)置天線會(huì)連續(xù)發(fā)射無(wú)規(guī)則無(wú)線電波，這些電波受頻率影響都存在著些許差異，具有獨(dú)特性，而且在高強(qiáng)混凝土中碰撞傳遞時(shí)其特有的頻率不會(huì)發(fā)生改變，這也為未來(lái)時(shí)間間隔的記錄提供了諸多的便利，可以將內(nèi)置天線發(fā)射的這些無(wú)線電波歸納為一個(gè)大集合B，這個(gè)大集合中包含著內(nèi)置天線發(fā)射的所有無(wú)線電波即b1，b2……bn，內(nèi)置天線在發(fā)射這些無(wú)線電波的同時(shí)會(huì)對(duì)這些無(wú)線電波進(jìn)行拷貝并將拷貝的集合信息交給RFID芯片的接收器以便對(duì)每一個(gè)無(wú)線電波完成相對(duì)應(yīng)的接收，雖然無(wú)線電波在高強(qiáng)混凝土間隙中傳遞與碰撞時(shí)，其特有的頻率不會(huì)發(fā)生改變，但也存在著被高強(qiáng)混凝土破壞與吸收削弱的可能，所以當(dāng)這些無(wú)線電波被RFID芯片的接收器接收時(shí)，需要通過相關(guān)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證：

其中b為每個(gè)獨(dú)特的無(wú)線電波，hz則是每個(gè)無(wú)線電波特有的專屬頻率，t即為每個(gè)無(wú)線電波從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間，C則為無(wú)線電波可接受的正常范圍標(biāo)準(zhǔn)值，若將這些參數(shù)帶人到上述公式后滿足結(jié)果等于C，則說(shuō)明這些無(wú)線電波并沒有受到高強(qiáng)混凝土的影響，所獲得的t即時(shí)間間隔可作為高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試參照[12]。該過程的具體流程圖如圖3所示。

在RFID芯片的接收器完所有的無(wú)線電波后，會(huì)將所有合格的時(shí)間間隔t歸納為集合T，該集合T會(huì)由RFID芯片的接收器傳輸?shù)絉FID芯片的集成電路IC中。集成電路IC是RFID芯片的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)除了會(huì)對(duì)間隔時(shí)間集合T進(jìn)行接收，還會(huì)對(duì)高強(qiáng)混凝土的溫度與濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，因?yàn)闇囟扰c濕度這些環(huán)境因素也是影響高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)的重要因素，所有對(duì)這些環(huán)境因素進(jìn)行采集是不可或缺的，當(dāng)對(duì)這些數(shù)據(jù)都進(jìn)行完全采集后，集成電路IC會(huì)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無(wú)線電信號(hào)的形式傳輸給遠(yuǎn)程客戶端[13]。在轉(zhuǎn)化的過程中需要應(yīng)用公式（2）來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

其中L與W分別為集成電路IC采集到的高強(qiáng)混凝土溫度與濕度的信息，Z即為間隔時(shí)間T、溫度L、濕度W轉(zhuǎn)化而成的電信號(hào)。雖然集成電路會(huì)對(duì)間隔時(shí)間T這一主觀因素和溫度L、濕度W這兩個(gè)客觀因素進(jìn)行整合得到數(shù)據(jù)組Z，但在發(fā)送的過程中還是需要分開以便對(duì)主客觀因素進(jìn)行區(qū)分的，集成電路IC對(duì)遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)具體如圖4所示。

雖然對(duì)于無(wú)線電信號(hào)來(lái)說(shuō)dB/m值越趨近于0值則表明無(wú)線電信號(hào)越好，但由于電信號(hào)中存在著大量的數(shù)據(jù)，所以集成電路IC所發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)會(huì)存在著一定的波動(dòng)，根據(jù)上圖可知客觀因素的無(wú)線電信號(hào)dB/m值大于主觀因素的無(wú)線電信號(hào)dB/m值，這是由于受RFID芯片自身結(jié)構(gòu)限制所造成的，而且時(shí)間間隔集合T才是測(cè)試高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)的主要因素，客觀因素即溫度L與濕度T雖然不可忽略，但對(duì)本文設(shè)計(jì)方法所要達(dá)到的目的影響不大，因此相對(duì)要求較低[14]。

當(dāng)遠(yuǎn)程客戶端接收到集成電路IC所發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)后，會(huì)將這些電信號(hào)再次轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)Z的形式，再應(yīng)用公式（3）來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)Z進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到最終的數(shù)據(jù)組X：

接下來(lái)需要相關(guān)工作人員將數(shù)據(jù)組A即標(biāo)準(zhǔn)參照數(shù)據(jù)組與最終得到的數(shù)據(jù)組X進(jìn)行對(duì)比，若A大于X，則說(shuō)明高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)過低即需要增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的粘度，同理，若A小于X則說(shuō)明高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)過高即需要降低高強(qiáng)混凝土的粘度，當(dāng)?shù)玫阶罱K的測(cè)試結(jié)果后，可通過遠(yuǎn)程客戶端將植入高強(qiáng)混凝土中的RFID芯片進(jìn)行關(guān)閉或者休眠，以便保證在高強(qiáng)混凝土沒有達(dá)到需要標(biāo)準(zhǔn)之前可以對(duì)RFID芯片進(jìn)行重復(fù)使用進(jìn)而達(dá)到最終的目的[15]。

本文研究的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試整體方法所應(yīng)用設(shè)備的具體模擬概念圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為檢測(cè)本文研究方法的應(yīng)用性，特設(shè)立對(duì)比實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法分別對(duì)多組高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)進(jìn)行測(cè)試，比較二者對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試的準(zhǔn)確性與高效性。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為完成上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可列實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以得到應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的RFID芯片高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法與傳統(tǒng)的測(cè)試方法對(duì)多組高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試的準(zhǔn)確性對(duì)比圖如圖6所示。

根據(jù)上圖可知在應(yīng)用本文研究的測(cè)試方法與傳統(tǒng)的測(cè)試方法對(duì)多組高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)進(jìn)行測(cè)試的過程中，應(yīng)用本文研究的測(cè)試方法測(cè)試的準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法測(cè)試的準(zhǔn)確率，這一結(jié)果與本文研究的測(cè)試方法中經(jīng)改良后的RFID芯片的加入密不可分，本文研究的測(cè)試方法不但將主觀因素進(jìn)行明細(xì)的記錄，還將客觀因素考慮到了其中，因此最終測(cè)試的準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法測(cè)試的準(zhǔn)確率。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)可得到在相同時(shí)間內(nèi)應(yīng)用本文研究的測(cè)試方法與傳統(tǒng)方法對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試的效率對(duì)比圖如圖7所示。

由于本文研究的測(cè)試方法采用無(wú)線聲波信息采集技術(shù)與無(wú)線信號(hào)傳輸技術(shù)，最終再通過智能化技術(shù)進(jìn)行處理，而傳統(tǒng)測(cè)試方法則需要人工采樣與測(cè)試等種種工序來(lái)進(jìn)行，因此本文研究的測(cè)試方法對(duì)高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的測(cè)試方法。

4 結(jié)語(yǔ)

文章研究的高強(qiáng)混凝土粘度動(dòng)態(tài)測(cè)試方法結(jié)合了多種不同的技術(shù)，在測(cè)試的準(zhǔn)確性與效率方面都產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，為高強(qiáng)混凝土的合理應(yīng)用提供了巨大的幫助，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，不但提高了應(yīng)用高強(qiáng)混凝土的建筑效率，而且減少了高強(qiáng)混凝土的浪費(fèi)，從根本上節(jié)省了開支，但由于本文研究的測(cè)試方法需要改良后的RFID芯片加入，所以相比較傳統(tǒng)的人I檢測(cè)方法需要的開支會(huì)提高一些，這也是該研究的測(cè)試方法在未來(lái)需要改進(jìn)的不足與研究重點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：呂志剛（1987-），男，漢族，甘肅涇川人，碩士研究生，講師，研究方向：建筑工程，施工技術(shù)。E-mail： yongsimei@163.com

基金項(xiàng)目：廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（pdjh2019b0999）。