基于RFID的機(jī)床裂紋檢測仿真研究

柏書劍，武豪，萬飛，陳嵐

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418)

0 前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)床被廣泛使用。然而，工業(yè)環(huán)境較差、生產(chǎn)工作量較大，導(dǎo)致機(jī)床因為工作疲勞而出現(xiàn)裂紋，從而使得機(jī)床的安全性降低。因此，對機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有重要意義。目前，檢測方法主要有液體滲透檢測、超聲波檢測、渦流檢測、熱成像檢測和微波波導(dǎo)檢測，這些檢測方法有著靈敏度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但是耗費較大人力和時間，并且維護(hù)成本高。RFID(Radio Frequency Identification)標(biāo)簽傳感器因無線、無源、無芯片，能夠很好地用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。

針對于機(jī)床中的鋁結(jié)構(gòu)，本文作者提出一種新型圓形標(biāo)簽傳感器，實現(xiàn)對機(jī)床鋁結(jié)構(gòu)的裂紋檢測，包括檢測裂紋的長度和位置變化。通過對裂紋的長度和位置的檢測，可以很好地預(yù)測結(jié)構(gòu)安全性，降低結(jié)構(gòu)體存在裂紋造成的危害。主要介紹新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器的設(shè)計背景和基本原理，分析裂紋的存在對標(biāo)簽傳感器諧振頻率的影響；介紹機(jī)床裂紋的檢測仿真實驗，分析HFSS仿真結(jié)果。

1 新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器的設(shè)計背景和基本原理

1.1 新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器的設(shè)計背景

當(dāng)機(jī)床中的鋁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋時，會導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)安全隱患，因此對機(jī)床鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂紋監(jiān)測是必要的。標(biāo)簽傳感器因性能優(yōu)異，被廣泛用于裂紋監(jiān)測的研究中，最主流的是矩形標(biāo)簽傳感器和圓形標(biāo)簽傳感器。矩形標(biāo)簽傳感器對于裂紋的位置信息不太敏感，而圓形標(biāo)簽傳感器存在魯棒性問題，需要進(jìn)行去極化處理以提高其魯棒性。本文作者選擇圓形標(biāo)簽傳感器，用于機(jī)床鋁結(jié)構(gòu)的裂紋檢測研究。

所設(shè)計的新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器電路模型如圖1所示，主要由一個去極化的圓形標(biāo)簽傳感器貼片、FR4介質(zhì)基板和接地層構(gòu)成。由于該傳感器用于檢測鋁結(jié)構(gòu)的裂紋變化，微帶天線的接地層由鋁結(jié)構(gòu)代替。微帶天線貼片由一個半徑為25 mm的圓(經(jīng)過去極化處理)、1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器和50 Ω微帶傳輸線組成。介質(zhì)基板選擇介電常數(shù)為4.4的FR4基板。

圖1 新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器電路模型

1.2 新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器的基本原理

在圖2所示的諧振頻率圖中，該天線有兩個諧振頻率，分別命名為和，其中=1.69 GHz、=2.43 GHz。所設(shè)計的標(biāo)簽傳感器的中心頻率為2.45 GHz，分析傳感器在1.5～3 GHz頻段的回波損耗。因為傳感器經(jīng)過去極化處理且使用的是微帶線饋電的方式，使得傳感器的中心諧振頻率偏移到2.43 GHz。由于要檢測鋁結(jié)構(gòu)裂紋的長度和角度變化信息，使用單一的中心頻率去檢測會存在檢測盲區(qū)。通過圖2可以觀察到,和相差0.74 GHz，則可以用和同時去檢測鋁結(jié)構(gòu)裂紋的變化情況。通過觀測兩個諧振頻率的變化，能夠更全面地反映裂紋信息。

圖2 新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器的諧振頻率

本文作者使用新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器(中心頻率=2.45 GHz)作為裂紋傳感器，是因為圓形標(biāo)簽傳感器在經(jīng)過去極化操作后，用于裂紋檢測有著良好的靈敏度。根據(jù)BALANIS在2005年提出的天線貼片半徑為、介質(zhì)基片高度為、相對介電常數(shù)為的圓形貼片天線的諧振頻率為

(1)

其中：

(2)

式中：表示光在真空中的速度；表示圓形標(biāo)簽傳感器的有效半徑，計算式為

(3)

通過仿真實驗，可知所設(shè)計的新型RFID圓形微帶天線能夠保持圓形標(biāo)簽傳感器的優(yōu)點，可用于進(jìn)行相應(yīng)的裂紋檢測研究。

2 機(jī)床裂紋檢測的仿真實驗

將所設(shè)計的新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器用于機(jī)床鋁結(jié)構(gòu)的裂紋檢測，主要通過HFSS電磁仿真軟件模擬進(jìn)行相應(yīng)的實驗操作。由于鋁結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)裂紋會影響新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器的有效電長度，從而使圓形標(biāo)簽傳感器的諧振頻率和發(fā)生偏移，則通過檢測其諧振頻率和的偏移就能檢測鋁結(jié)構(gòu)體上的裂紋變化信息。

基于HFSS電磁仿真軟件，通過模擬鋁結(jié)構(gòu)上的裂紋變化，檢測圓形標(biāo)簽傳感器的諧振頻率偏移(利用S11曲線圖)。實驗方案是控制裂紋長度從0 mm增加到5 mm(0.5 mm為步長)、裂紋寬度固定為2 mm、深度固定為1 mm、裂紋方向為水平，裂紋置于圓形標(biāo)簽傳感器正下方。改變裂紋與標(biāo)簽傳感器的相對位置，以3 mm為步長，以貼片正下方為基準(zhǔn)，從0 mm移動到15 mm。最后，研究兩條裂紋分別置于傳感器中心的兩側(cè)時(見圖3)，對傳感器諧振頻率的影響。

圖3 裂紋仿真實驗

3 實驗仿真結(jié)果與分析

3.1 實驗仿真結(jié)果

首先進(jìn)行的是置于標(biāo)簽傳感器正下方裂紋的檢測實驗，固定鋁結(jié)構(gòu)上裂紋的寬度為2 mm和深度為1 mm，使裂紋的長度從0 mm增加到5 mm(步長為0.5 mm)，通過HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行仿真。距離中心位置0 mm的裂紋的S11系數(shù)如圖4所示，從右往左的10條S11曲線依次對應(yīng)于裂紋長度從0 mm增加到5 mm(步長為0.5 mm)。

圖4 距離中心位置0 mm的裂紋的S11曲線

接下來進(jìn)行距離中心位置3、6、9、12、15 mm裂紋的檢測仿真實驗，裂紋的S11系數(shù)分別如圖5、圖6、圖7、圖8和圖9所示?？梢钥闯觯弘S著裂紋長度的增加，各個位置的裂紋都會使標(biāo)簽傳感器的諧振頻率和向左偏移。鋁結(jié)構(gòu)上的裂紋會增加傳感器的有效電長度，從而使得傳感器的諧振頻率出現(xiàn)相應(yīng)的減小。

圖5 距離中心位置3 mm的裂紋的S11曲線

圖6 距離中心位置6 mm的裂紋的S11曲線

圖7 距離中心位置9 mm的裂紋的S11曲線

圖8 距離中心位置12 mm的裂紋的S11曲線

圖9 距離中心位置15 mm的裂紋的S11曲線

兩條裂紋分別置于傳感器中心的兩側(cè)，距離為1 mm，此時S11系數(shù)如圖10所示。

圖10 距離中心位置1 mm的兩條裂紋

3.2 仿真結(jié)果處理與分析

距離中心位置分別為3 、6 、9 、12、15 mm時，將裂紋長度作為橫坐標(biāo)，諧振頻率和分別作為縱坐標(biāo)，得到裂紋距離中心位置不同時諧振頻率與裂紋長度的線性關(guān)系，如圖11—圖16所示。

圖11 諧振頻率與距離中心位置0 mm的裂紋長度的線性關(guān)系

圖12 諧振頻率與距離中心位置3 mm的裂紋長度的線性關(guān)系

圖13 諧振頻率與距離中心位置6 mm的裂紋長度的線性關(guān)系

圖14 諧振頻率與距離中心位置9 mm的裂紋長度的線性關(guān)系

圖15 諧振頻率與距離中心位置12 mm的裂紋長度的線性關(guān)系

圖16 諧振頻率與距離中心位15 mm的裂紋長度的線性關(guān)系

將圖11—圖16中圖(a)和(b)的線性方程斜率的絕對值分別作為圖17(a)和圖17(b)的縱坐標(biāo)，距離中心位置的距離作為橫坐標(biāo)，得到圖17。

圖17 諧振頻率斜率絕對值與距離中心位置的距離的關(guān)系

由圖11—圖16可知：隨著裂紋長度的增加，諧振頻率和均減小。由圖17可知：當(dāng)裂紋位置偏移中心位置，諧振頻率和對應(yīng)的斜率絕對值減小。因此，當(dāng)裂紋處于標(biāo)簽傳感器的正下方時，和斜率的絕對值最大；當(dāng)裂紋位于距離中心位15 mm時，和的斜率絕對值最小，并且為0。分析圖10可以得到，當(dāng)兩條裂紋分別置于傳感器的兩側(cè)并且距離中心位置1 mm時，諧振頻率隨著裂紋長度的增加而減小，諧振頻率不發(fā)生變化。通過以上分析可以得出，所設(shè)計的標(biāo)簽傳感器可以通過檢測和對應(yīng)的斜率絕對值的變化趨勢來確定裂紋與標(biāo)簽傳感器的相對位置。對于兩條裂紋的情況，所設(shè)計的標(biāo)簽傳感器可以通過和的變化情況來表征兩條裂紋的存在。

4 結(jié)論

本文作者提出一種新型RFID圓形標(biāo)簽傳感器，用于機(jī)床鋁結(jié)構(gòu)的裂紋檢測。通過HFSS電磁仿真軟件模擬鋁結(jié)構(gòu)的裂紋變化情況，得到了相應(yīng)的S11系數(shù)曲線。通過處理諧振頻率和，得到了諧振頻率和對應(yīng)的線性方程。分析每條線性方程得出：裂紋距離傳感器中心位置越遠(yuǎn)，和對應(yīng)的線性方程的斜率的絕對值越??；當(dāng)裂紋處于標(biāo)簽傳感器正下方時，和的斜率絕對值最大；當(dāng)裂紋位于距離中心位15 mm時，和的斜率絕對值最小，并且為0。對于兩條裂紋的特殊位置情況，和的變化可以表征兩條裂紋的存在。因此，所設(shè)計的新型圓形標(biāo)簽傳感器可以檢測機(jī)床鋁結(jié)構(gòu)裂紋的長度和位置變化信息。