柔性無芯片RFID金屬裂紋傳感器設計

薛嚴冰,趙志珍,李珊珊 ,王帥,陳寶君,鞠艷杰

( 大連交通大學 自動化與電氣工程學院,遼寧 大連 116028 )

結構健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring,SHM)是一個新興的研究領域,近年來引起了研究者的廣泛關注[1]。SHM旨在通過傳感器和數(shù)據(jù)處理來評估結構健康狀況,以檢測和表征橋梁、管道、鐵路等基礎設施上的缺陷[2-3]。這些基礎設施大多是金屬,對金屬裂紋進行無損監(jiān)測尤為重要[4]。傳統(tǒng)的無損檢測技術(Non Destructive Testing,NDT) 包括渦流測試[5]、熱成像測試[6]及微波波導測試[7]等,具有體積大、成本高、實時性差等缺點。將傳感器技術和射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID)結合用于結構健康監(jiān)測,可實現(xiàn)高靈敏度、低成本、實時監(jiān)測[8]。人們針對SHM應用研究了基于低頻(LF)和超高頻(UHF)[9]RFID天線的傳感技術,特別是用于表征金屬上的裂紋[10]。近幾年無芯片 RFID傳感器的研究取得了很大的進展。Xu等[11]提出了一種裂紋傳感標簽,可以毫米分辨率感知表面裂紋。Zhang等[12]提出了一種圓柱環(huán)形電介質諧振器(Cylindrical Ring Dielectric Resonator,CRDR),消除了裂紋位置對傳感器的影響,仿真和試驗驗證了該傳感器的檢測原理和裂紋檢測能力。Salim等[13]提出了一種使用FR4基板的CSRR陣列,該陣列在微帶線的地平面中展開,采用傳輸幅值進行裂紋寬度的感測。Marindra等[14]提出圓形微帶貼片天線(Circular Microstrip Patch Antenna,CMPA)用于金屬裂紋檢測,實現(xiàn)了金屬裂紋的位置和方向的多參數(shù)檢測。李煥等[15]提出了一種基于高溫陶瓷基板(99% Al2O3)的無線無源傳感器,用于檢測金屬裂紋的方向和寬度,可以在高溫、高壓及高速旋轉條件下工作,但靈敏度較低。

上述無芯片RFID金屬裂紋傳感器均使用剛性基板,難以共形于非平面的金屬表面。柔性基板具有可彎曲、易共形、質量小等優(yōu)點[16-18],且價格低廉,可批量印刷,應用于金屬裂紋檢測更具有工程實用價值。在柔性基板特性的研究方面,Ma等[19]提出一種在絕緣子基板上實現(xiàn)的新型無芯片RFID,并通過3D打印技術進行了演示,具有取代現(xiàn)有光學條形碼的廣闊前景。王思睿等[20]提出一種基于紙基底的噴墨印刷無芯片RFID濕度傳感器,以紙張本身的吸水性實現(xiàn)濕度傳感。路嘉林等[21]提出一種基于紡織基底的無芯片RFID濕度傳感器用于檢測環(huán)境濕度。然而有關柔性基板傳感器應用于金屬裂紋檢測的研究相對較少。為實現(xiàn)更廣的應用范圍,滿足實際應用需求,本文設計一種柔性基板金屬裂紋傳感器,通過仿真優(yōu)化確定結構與材料參數(shù),對其進行裂紋傳感仿真試驗,深層次探究裂紋缺陷對雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)的響應特征,制作傳感器樣品并測試,驗證其可對非平面金屬表面存在的裂紋進行表征。

1 傳感器結構

1.1 傳感器結構設計及參數(shù)計算

無芯片RFID傳感器由柔性介質基板和雙極化十字交叉諧振器(Dual-polarization Wire Cross Resonator)組成,傳感器結構示意圖見圖1。將寬度為a的短路偶極子十字交疊,由y=-h豎直延伸至y=h,x=-l水平延伸至x=l。根據(jù)文獻[14]所述,圓形微帶貼片對水平、垂直裂紋均敏感,故中間添加半徑為R的圓形貼片,用于提高傳感器檢測靈敏度,柔性介質基板厚為b。

圖1 傳感器結構示意圖

“I”型諧振器諧振頻率可通過分布參數(shù)進行物理尺寸估算,如式(1)所示:

(1)

式中:c為真空中光速,取值為3×108m/s;L為十字諧振器的一端臂長,mm;εr是介質基板的相對介電常數(shù)。影響諧振頻率的主要是臂長L和介質基板的相對介電常數(shù)εr。

設定傳感器工作頻率為3.1 GHz,基板尺寸為45 mm×45 mm,根據(jù)式(1)估算貼片尺寸L為18mm,以品質因數(shù)Q作為優(yōu)化目標,通過HFSS改變臂長L和半徑R,進一步仿真優(yōu)化,優(yōu)化后傳感器的結構參數(shù)h、l、R、a分別為14、14、5、4 mm。

1.2 柔性基板選擇

不同的柔性基板對電磁信號的傳輸能力不同,因此對裂紋檢測的靈敏度也存在差異。常見的柔性基板材料有硬紙板、玻璃紙、普通紙和PET薄膜,這4種材料的介電常數(shù)εr和正切損耗tanδ見表1。

表1 不同柔性基板材料特性參數(shù)

與其他三類基板相比,PET基板具有更低的正切損耗角。分別采用4種柔性基板材料,基板厚度暫定為1 mm,傳感器采用優(yōu)化后的結構參數(shù),得到RCS幅頻特性曲線見圖2?？梢钥闯鯬ET基底諧振器的品質因數(shù)明顯高于前三種,因此選用PET作為基板。

(a) 硬紙板、玻璃紙、普通紙

1.3 PET柔性基板厚度選擇

設PET基板厚度b分別為0.1、0.2、0.6、0.8、1 mm,基板厚度對傳感器RCS幅頻特性影響見圖3。

圖3 基板厚度對傳感器RCS幅頻特性影響

從圖3中可以看出,當PET基板厚度為0.1 mm時,幾乎不產生諧振,傳感器失效。隨著基板厚度的增加,諧振頻率向高頻偏移,品質因數(shù)逐漸增大。品質因數(shù)Q的計算公式如下:

(2)

式中:fr為諧振頻率;BW3dB為3 dB帶寬。從圖3中提取數(shù)據(jù),計算不同基板厚度的諧振幅值及品質因數(shù)Q值(表2)。

表2 不同基底厚度的諧振器諧振特性變化情況

由表2可以看出,基板厚度b越大,品質因數(shù)越高。當PET基板厚度增加至1 mm時,Q值達到1 366.00,相較于0.2 mm厚度基板大幅提高,符合電磁傳播原理。但若將PET基板增加至1 mm以上,將會影響傳感器彎曲共形能力。綜上所述,將傳感器基底厚度定為1 mm。

2 PET基板傳感器檢測金屬裂紋特性仿真研究

2.1 雙極化結構的實現(xiàn)

諧振器在x極化、y極化下均具有獨立的諧振特性,可區(qū)分水平與垂直方向的裂紋。3.1 GHz下的十字諧振器電流分布見圖4,當采用正交極化方向電磁波激勵十字諧振器時,有獨立的電流分布特性。在x極化時,y極化電流很小,雖然將兩個諧振器進行了一體化設計,但并不存在耦合,因此對y極化方向不敏感,入射波的極化影響與裂紋擴展方向的影響是相互獨立的,對裂紋方向檢測具有良好的識別效果,在y極化入射方向時同理。

圖4 3.1 GHz下的十字諧振器電流分布

根據(jù)文獻[8]的研究結果可得,裂紋方向對與之正交極化方向的電磁波最敏感。對于十字諧振器結構,豎直諧振臂與裂紋擴展方向平行,此時x極化方向照射傳感器對裂紋參數(shù)最為靈敏,因此本節(jié)僅討論x極化對豎直方向裂紋的檢測,同理可利用y極化對水平方向裂紋檢測。

2.2 傳感器彎曲特性仿真

在實際應用中,柱面金屬是常見的金屬結構。利用 HFSS 軟件建立傳感器3D模型,見圖5(a)。

(a) 傳感器3D模型

將柔性傳感器共形于半徑為r的無裂紋柱形金屬上,平面波激勵將線極化電磁波垂直照向傳感器表面,輻射貼片和金屬板為理想導體邊界,對所有軸向進行輻射邊界設置。不同半徑傳感器幅頻特性曲線見圖5(b)。金屬柱體半徑增大,等同于金屬背景面積增大,增加了金屬損耗,因此傳感器諧振頻率會隨彎曲程度變化而偏移,但仍產生高品質因數(shù)諧振,并不影響傳感器檢測裂紋性能。

2.3 傳感器對裂紋寬度仿真結果及分析

在柱體表面增加豎直方向裂紋,裂紋深度固定為1 mm,裂紋寬度為0.2～2 mm,步長為0.2 mm,模擬不同寬度的裂紋, PET基板裂紋傳感器的RCS幅頻特性曲線,見圖6(a)。傳感器對柱形金屬表面裂紋寬度敏感,隨著裂紋寬度的增加,傳感器諧振頻率向低頻偏移。

(a) 傳感器幅頻特性曲線

以諧振頻率偏移為靈敏度指標,傳感器對裂紋寬度靈敏度的線性擬合曲線見圖6(b)。靈敏度為67.23 MHz/mm,相關系數(shù)為0.98,呈現(xiàn)良好的線性關系。

3.28 GHz下x極化時PET基板傳感器表面矢量電流分布見圖7。裂紋溝壑處的變化改變了諧振器的等效電長度,進而使諧振頻率偏移。且在x極化方向,僅在水平方向產生強電流,而在豎直方向不存在,實現(xiàn)了雙極化諧振器的獨立工作特性,其中水平方向呈現(xiàn)均勻矩形強電流分布,減輕了裂紋位置對傳感器產生的影響,提高了傳感器的可靠性。

3 試驗與討論

3.1 傳感器制作

(1)絲網印刷工藝

絲網印刷由絲網印版、刮板、導電銀漿、印刷平臺及基板組成,選擇成本較低、附著力強的導電銀漿(ED002)作為印刷材料,利用印刷平臺(20 mm×20 mm ×40mm,北京雅諾藝印刷器材有限公司)制作柔性傳感器,基板為1 mm厚的PET材料,將印刷好的模型放入風干箱(DHG-9245A,上海和呈儀器制造有限公司)中干燥25 min,制成柔性傳感器(圖8(a))。

(a) 絲網印刷實物圖

(2)手刻導電貼片工藝

導電布是一種在聚酯纖維上鍍銅層的柔性導電材料,選擇導電性強、抗摩擦性強的導電布膠帶(DDB20)作為傳感器材料,先將諧振器圖案轉移到導電布上,再用刻刀將結構刻下,最后將其粘在PET基板上。導電輻射貼片式傳感器實物圖見圖8(b)。

3.2 測試平臺搭建

為了驗證柔性傳感器檢測裂紋的性能,搭建單站RCS測試平臺。矢量網絡分析儀(Vector Network Analyzer, VNA)通過寬頻帶天線向傳感器提供掃頻信息,其型號為Rohde&Schwarz ZNB4,傳感器現(xiàn)場測試圖見圖8(c)。不考慮裂紋深度的影響,保持深度為1 mm不變,制作了10個裂紋寬度為0～2 mm的裂紋金屬柱樣本,金屬柱體半徑為20 mm。將PET基底的柔性傳感器共形于柱形金屬表面。

3.3 制作工藝對柔性傳感器性能的影響

采用無裂紋金屬柱作為檢測金屬,對絲網印刷和手刻導電貼片兩種工藝制作的柔性傳感器進行諧振性能測試,測試結果見圖9。

圖9 兩種工藝下傳感器諧振特性測試結果

兩種工藝下諧振頻率分別為3.35 GHz、3.5 GHz,諧振頻率的偏差可能由輻射貼片導電性能及加工誤差造成,但絲網印刷傳感器在反復彎折下容易造成導電層斷裂;導電膠布由銅鎳兩種金屬組成,纖維的加入一定程度上會降低導電性,但導電膠布柔韌性良好、可靠性高,因此以下試驗中選用導電貼片式傳感器。

3.4 傳感器對金屬裂紋的測試結果

測試金屬柱無裂紋時傳感器的RCS幅頻特性,接著將柔性傳感器分別共形于含有裂紋寬度為0～2 mm的金屬柱面,裂紋深度保持1 mm,其中一組代表性實測結果見圖10,圖中粗線為實測結果,窄線為仿真結果。

圖10 柔性PET基板傳感器對裂紋寬度的測試結果

隨著裂紋寬度的增加,諧振頻率向低頻偏移,最多偏移了310 MHz。以傳感為導向,通過試驗驗證設計的傳感器可以表征金屬表面缺陷,在大多數(shù)情況下保持單調和足夠敏感,與仿真結果偏移趨勢相同,但偏移量并不均勻,造成這種誤差的主要原因總結為以下幾點:①變換金屬樣品會造成位置移動;②真實測試環(huán)境中有很多金屬物件,產生多徑金屬噪聲影響;③PET基板彎曲共形于金屬表面產生形變誤差;④金屬樣品及傳感器加工誤差。

不同裂紋寬度下傳感器Δfr擬合曲線見圖11,通過多次試驗來減小測量誤差, 對同一個傳感器重復測試獲得8組數(shù)據(jù),圖中曲線為8次測量的平均值,以該曲線作為傳感器的靈敏度曲線。

圖11 不同裂紋寬度下傳感器Δfr擬合曲線

裂紋寬度在0.8 mm以下時,傳感器并未顯示出諧振偏移;在0.8 mm及以上時,諧振頻率發(fā)生明顯偏移,因此可以認為在裂紋寬度為1 mm時,傳感器實際測試中可檢測0.8 mm及以上寬度裂紋,且靈敏度基本呈線性。通過對諧振頻率偏移與裂紋寬度擬合,得到該傳感器的靈敏度為104 MHz/mm。

本文所設計的柔性基板傳感器與近年發(fā)表文獻中的傳感器的性能對比見表3。從對比數(shù)據(jù)中可明顯看出,本文設計的RFID傳感器具有靈敏度高、成本低、可共形于非平面金屬表面的優(yōu)點。

表3 本文與近年發(fā)表文獻中傳感器性能比較

4 結論

以實現(xiàn)低成本、非接觸金屬表面裂紋檢測為研究目標,針對目前傳感器無法共形于非平面金屬的問題,本文將柔性基底應用于RFID金屬裂紋傳感器,設計了十字交叉雙極化諧振器結構,利用HFSS軟件對十字諧振器進行仿真優(yōu)化。結果表明:

PET基板作為傳感器基底具有明顯優(yōu)勢。厚度為1 mm的PET基底裂紋傳感器可共形于金屬柱體,諧振特性良好。柔性傳感器具有成本低、易加工優(yōu)勢,擴大了傳感器的使用范圍及應用價值。

柔性PET基板可共形于非平面金屬表面并檢測裂紋寬度,在檢測金屬柱面存在0.8 mm及以上寬度裂紋時,柔性傳感器靈敏度可達到104 MHz/mm。未來可對大角度共形、不規(guī)則共形的柔性傳感器性能進一步研究。