基于無源RFID 標(biāo)簽天線轉(zhuǎn)向架表面裂紋檢測(cè)研究

祝國凱，鞏玉鑫，侯岱雙

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

近年來，隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展，智能制造逐漸引起了研究人員的重視［1-3］，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（Structural Health Monitoring，SHM）和無損檢測(cè)（Nondestructive Testing，NDT）在軌道交通、石油天然氣管道、航空航天、核能和電力設(shè)備等重要領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，及時(shí)有效地對(duì)金屬構(gòu)件（轉(zhuǎn)向架、鋼、鐵、鋁、鈦合金等）進(jìn)行健康檢測(cè)尤為重要［4］。轉(zhuǎn)向架是高鐵穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要部件之一，在高速列車長(zhǎng)期、快速的運(yùn)行中，轉(zhuǎn)向架會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋或是在焊縫處出現(xiàn)裂紋，裂紋會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)降低，產(chǎn)生安全隱患，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)發(fā)生重大安全事故，造成人員傷亡事故和財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)轉(zhuǎn)向架金屬結(jié)構(gòu)的裂紋進(jìn)行檢測(cè)就顯得尤為重要。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)分為有線和無線兩種，其中有線監(jiān)測(cè)技術(shù)具有高精度、高分辨率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但存在部署復(fù)雜等問題。而無線監(jiān)測(cè)技術(shù)不存在部署復(fù)雜問題。通過無線無源微帶天線進(jìn)行裂紋檢測(cè)，有效地解決了電源供電的問題，可在自身簡(jiǎn)易的電路結(jié)構(gòu)環(huán)境中獲取能量，并且制備過程簡(jiǎn)單，大幅降低了制作成本［5］。因此本文選用無源有芯片射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）標(biāo)簽天線，能夠穩(wěn)定地檢測(cè)金屬裂紋。

目前RFID技術(shù)在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究中。陳嵐等［6］基于RFID分層式矩形微帶天線檢測(cè)機(jī)床裂紋長(zhǎng)度、寬度、相對(duì)位置和相對(duì)角度的變化情況，通過仿真結(jié)果分析能夠監(jiān)測(cè)出裂紋的變化情況。文豪等［7］采用無源RFID標(biāo)簽天線傳感器對(duì)技術(shù)裂紋深度進(jìn)行檢測(cè)，最終通過測(cè)試可達(dá)到毫米級(jí)精度。Caizzone 等［8］提出一種標(biāo)簽天線，裂縫兩端貼有兩個(gè)標(biāo)簽天線，通過相位信息觀察裂縫寬度的變化。Marindra等［9-10］對(duì)金屬裂紋寬度的檢測(cè)進(jìn)行了一系列研究，利用無芯片RFID 傳感標(biāo)簽檢測(cè)金屬裂紋的相關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的裂紋寬度檢測(cè)。

為了滿足RFID 標(biāo)簽在金屬表面工作的需求，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在超高頻頻段的微帶貼片型RFID抗金屬標(biāo)簽，配合RFID芯片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，通過貼片與金屬接地板對(duì)電磁波的反射來增加讀取距離，并分析金屬裂紋長(zhǎng)度變化對(duì)標(biāo)簽天線諧振頻率的影響，通過高頻結(jié)構(gòu)仿真（High Freqnency Structure Simulator，HFSS）軟件分析仿真結(jié)果，使其更適合在金屬表面工作。

1 無源RFID標(biāo)簽天線的工作原理

閱讀器與標(biāo)簽之間主要通過閱讀天線與標(biāo)簽天線的信號(hào)傳遞進(jìn)行工作。其工作原理［11-12］如圖1 所示，RFID系統(tǒng)工作時(shí)，閱讀器發(fā)射電磁波，當(dāng)標(biāo)簽天線電感式電壓達(dá)到峰值時(shí)，芯片中的集成電路開始工作，將標(biāo)簽中的信息以信號(hào)的形式通過標(biāo)簽天線發(fā)送回閱讀器，閱讀器接收到調(diào)制信息后，將信息傳送到PC 端，通過PC端識(shí)別標(biāo)簽信息。

圖1 RFID系統(tǒng)組成圖

RFID標(biāo)簽中最重要的是標(biāo)簽天線與芯片的阻抗匹配，當(dāng)標(biāo)簽天線與芯片阻抗匹配時(shí)，標(biāo)簽的工作效率最高；當(dāng)標(biāo)簽天線和芯片阻抗不匹配時(shí)，閱讀器發(fā)出的電磁波的一部分能量會(huì)被反射回源，而不是繼續(xù)向外輻射，標(biāo)簽的工作效率會(huì)降低。

2 選用天線結(jié)構(gòu)與天線設(shè)計(jì)

RFID標(biāo)簽中，標(biāo)簽天線的性能是十分重要的，隨著標(biāo)簽天線的尺寸發(fā)生變化，標(biāo)簽天線的性能參數(shù)也會(huì)發(fā)生不同形式的變化。在RFID 系統(tǒng)通信時(shí)，通?？紤]的是閱讀器與標(biāo)簽天線之間的閱讀距離［13］。在給定的工作頻率下，標(biāo)簽天線的性能對(duì)RFID 系統(tǒng)的最大讀取距離起到很大的影響。其中，阻抗匹配是標(biāo)簽天線極其重要的參數(shù)，決定了標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線之間的能量傳輸。標(biāo)簽天線的增益決定了標(biāo)簽的閱讀距離；標(biāo)簽天線的方向決定了標(biāo)簽的讀取角度范圍。因此標(biāo)簽天線的性能對(duì)RFID 系統(tǒng)能否正常運(yùn)作起到至關(guān)重要的作用。

2.1 天線的設(shè)計(jì)

研究人員常用傳輸線模型、諧振器模型和全波理論來分析微帶天線［14］。本文主要運(yùn)用了前兩種方法。微帶天線設(shè)計(jì)、阻抗匹配以傳輸線模型為理論基礎(chǔ)，利用諧振腔模型得到微帶天線的各電磁場(chǎng)量在空間中的分布規(guī)律。微帶天線輻射貼片的尺寸與介質(zhì)基板材料的有效介電常數(shù)εeff、厚度h有關(guān)，根據(jù)傳輸線模型，由于微帶天線貼片的長(zhǎng)度與寬度都是有限的，貼片邊緣的少量電力線會(huì)發(fā)生彎曲暴露在空氣中，這被稱為邊緣效應(yīng)［15-16］。由于此效應(yīng)的存在，貼片的電尺寸會(huì)稍微大于實(shí)際幾何尺寸，計(jì)算天線諧振頻率時(shí)應(yīng)該考慮該問題。因此有微帶天線的經(jīng)驗(yàn)公式如下。

諧振頻率：

寬度：

有效介電常數(shù)：

電長(zhǎng)度增量：

長(zhǎng)度：

貼片有效長(zhǎng)度：

式中：c0為自由空間的光速；Le為面電流路徑長(zhǎng)度；εe為基材介電常數(shù)；εr為介質(zhì)層介電常數(shù)；h為介質(zhì)層高度。

天線的復(fù)阻抗為Za＝Ra＋jXa，芯片的復(fù)阻抗為Zc＝Rc＋jXc，其中Ra、Rc為電阻，Xa、Xc為電抗。為了使標(biāo)簽天線在工作頻率下有較大的功率傳輸系數(shù)，需要實(shí)現(xiàn)微帶天線與標(biāo)簽天線的良好的阻抗匹配［17］。

功率傳輸系數(shù)：

芯片可以接收到的最大功率：

式中：Pa為標(biāo)簽天線接收到收發(fā)天線的最大功率。根據(jù)匹配原理Za＝，τ ＝1，當(dāng)天線阻抗與芯片阻抗達(dá)到共軛匹配時(shí)，兩者之間的傳輸功率達(dá)到最大。

反射系數(shù)Γ與τ的關(guān)系式為

其中，反射系數(shù)：

由式（10）可得τ ＝｜Γ ｜2＝1，功率傳輸系數(shù)與功率反射系數(shù)絕對(duì)值的平方之和為1。

回波損耗S11：

由式（11）可知天線反射系數(shù)越大，回波損耗越大，由此可知阻抗匹配影響天線的各個(gè)參數(shù)。在天線工作諧振頻率處，其接收的激勵(lì)信號(hào)被諧振腔吸收，S11數(shù)值最低，反射能量最小。

2.2 標(biāo)簽天線的最大讀取距離

在超高頻RFID 系統(tǒng)中，讀寫器天線與標(biāo)簽天線之間的最大讀取距離為RFID 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中重要的性能參數(shù)［18］。RFID標(biāo)簽的最大讀取距離主要由兩方面決定，分別是前向鏈路與后向鏈路。前向鏈路主要指標(biāo)簽芯片吸收閱讀器所發(fā)射的功率，從而達(dá)到開啟自身功率的最大距離Rtag；后向鏈路主要指讀寫器能夠檢測(cè)到標(biāo)簽所反射信息的最大距離Rread。由于標(biāo)簽芯片的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閱讀器芯片接收反向散射信號(hào)的靈敏度，故在標(biāo)簽理論設(shè)計(jì)與計(jì)算讀取距離時(shí)，通常只考慮前向鏈路Rtag值。對(duì)于前向鏈路，Rtag可以通過Friis方程進(jìn)行計(jì)算。在Friis方程中，接收天線所接收到的信號(hào)功率為

可得到傳輸距離：

故標(biāo)簽天線吸收閱讀器發(fā)射功率達(dá)到開啟自身功率的最大距離：

式中：Pt為讀寫器的發(fā)射功率；Gt為讀寫器天線的增益；R為通信的讀寫距離；λ 為波長(zhǎng)；Gr為標(biāo)簽天線的增益；Pth為標(biāo)簽芯片的讀取靈敏度；MEIRP＝PtGt，為有效全向輻射功率。

測(cè)試選用的RFID 讀寫器頻率為860 ～960 MHz，取925 MHz為諧振頻率，介質(zhì)材料為FR4，F(xiàn)R4 的介電常數(shù)為εr，介質(zhì)厚度h為1.6 mm。經(jīng)過上述公式計(jì)算設(shè)計(jì)出一款貼片長(zhǎng)度為84 mm×9.43 mm的T形微帶天線模型，如圖2 所示。

圖2 T形貼片天線模型

2.3 金屬裂紋檢測(cè)仿真原理

金屬裂紋檢測(cè)原理為：以金屬表面作為微帶天線的接地板，當(dāng)輻射貼片下方表面出現(xiàn)裂紋時(shí)，裂紋處的電導(dǎo)率突變使接地板的電流繞過裂紋尖端流動(dòng)，造成電流路徑改變，導(dǎo)致微帶天線的諧振頻率發(fā)生變化［19-20］。

如果產(chǎn)生的裂紋垂直于輻射貼片的寬度方向，將會(huì)引起此次設(shè)計(jì)天線的諧振模式的電流路徑長(zhǎng)度增加。

模擬裂紋置于介質(zhì)基板的下方，如圖3所示。通過HFSS軟件模擬轉(zhuǎn)向架金屬結(jié)構(gòu)裂紋長(zhǎng)度方向的變化。

圖3 裂紋仿真實(shí)驗(yàn)

3 標(biāo)簽天線仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 標(biāo)簽設(shè)計(jì)仿真

對(duì)于RFID 標(biāo)簽來說，標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片間的阻抗所形成的共軛匹配是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽芯片對(duì)標(biāo)簽穩(wěn)定供能與實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽最佳性能的關(guān)鍵。本文采用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，HFSS 軟件可以精確地模擬和計(jì)算天線的各種性能參數(shù)，包括天線的諧振頻率、回波損耗S11、天線阻抗、增益、電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）、輻射方向圖等。

圖4 為T形匹配微帶標(biāo)簽的回波損耗S11（X為中心頻率，Y為回波損耗S11）。T 形匹配的微帶貼片標(biāo)簽中心頻率為915 MHz，S11值為-30.798 9 dB。從S11值可以看出其具有較好的傳輸性能。

圖4 標(biāo)簽的回波損耗S11

若使標(biāo)簽具有較好的傳輸性能，則標(biāo)簽與芯片需具備較好的阻抗匹配。本文所選用的標(biāo)簽芯片型號(hào)為Alien Higgs 3，在915 MHz 下的阻抗值為Zin＝27 -j201，單位為Ω。則標(biāo)簽天線的共軛匹配應(yīng)為Zin＝27＋j201。圖5 為T 形匹配微帶標(biāo)簽的阻抗（X 為中心頻率，Y 為阻抗），圖5（a）和圖5（b）分別為T 形匹配微帶貼片天線阻抗的實(shí)部與虛部，標(biāo)簽的輸入阻抗為Zin＝27.1 485 ＋j203.3 329。

圖5 標(biāo)簽的阻抗

圖6 為T 形匹配微帶標(biāo)簽的VSWR（X 為中心頻率，Y為駐波比），VSWR值為1.059 4。由VSWR值可以看出這種標(biāo)簽具有較好的匹配性能與較好的標(biāo)簽入射和反射功率。

圖6 標(biāo)簽的駐波比

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的UHF_RFID 抗金屬標(biāo)簽具有良好的匹配性能與較好的標(biāo)簽入射與反射性能。

3.2 金屬裂紋檢測(cè)

使用HFSS對(duì)存在的直裂紋進(jìn)行仿真。首先建模，在介質(zhì)層下表面隨機(jī)位置開一個(gè)長(zhǎng)10 mm、深1.5 mm的槽，模擬金屬接地板出現(xiàn)裂紋的情況，通過仿真改變裂紋長(zhǎng)度為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm來發(fā)現(xiàn)裂紋變化對(duì)微帶天線的影響，如圖7 所示。

圖7 不同長(zhǎng)度的裂紋引起的S11參數(shù)圖

通過仿真得出，相較于沒有裂紋時(shí)（長(zhǎng)度為0 mm時(shí)），直裂紋的中心諧振頻率由915 MHz向右偏移，出現(xiàn)少量變化，金屬裂紋引起了中心諧振頻率的上升，從而在理論上使得其讀取距離變大。

RFID系統(tǒng)的工作原理為RFID 閱讀器的發(fā)射功率P1、標(biāo)簽天線接收信號(hào)的功率P2和RFID芯片接收天線得到的功率P3與芯片出廠設(shè)置的激活功率Px之間的關(guān)系。若設(shè)定芯片是完好的且可以正常工作，閱讀器與標(biāo)簽天線之間無障礙阻擋，且端口與極化都匹配，由雷達(dá)散射公式，接收天線收到的最大功率為

式中：G1（θ，Φ）、G2（θ，ψ）分別為讀寫器發(fā)射天線與標(biāo)簽天線的增益；λ0為真空中波長(zhǎng)；R 為讀寫器與標(biāo)簽天線的距離；f為諧振頻率。

根據(jù)第2 節(jié)的天線最大傳輸功率理論，天線在工作諧振頻率處可以接收到的功率為

將閱讀器天線的功率大小設(shè)置為在指定距離剛好可以激活RFID芯片，此功率大小可由式（11）得到：

根據(jù)以上原理和仿真，當(dāng)接收天線處于正常工作的諧振頻率時(shí)，從設(shè)定好的閱讀器天線中所接收到的功率剛好可以在指定距離激活標(biāo)簽芯片，但是當(dāng)輻射貼片下的金屬表面出現(xiàn)裂紋時(shí)，標(biāo)簽天線的諧振頻率發(fā)生偏移，使得閱讀器可以激活RFID 芯片的距離發(fā)生改變，使用以上原理可實(shí)現(xiàn)裂紋檢測(cè)。

4 結(jié)束語

基于RFID技術(shù)和微帶天線自身對(duì)裂紋檢測(cè)的原理，設(shè)計(jì)了一款中心頻率為915 MHz 的抗金屬標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離對(duì)裂紋的無損檢測(cè)。當(dāng)輻射貼片下方金屬表面存在裂紋時(shí)會(huì)導(dǎo)致天線的中心諧振頻率變化，從而導(dǎo)致識(shí)別距離偏離標(biāo)定的距離，以此來實(shí)現(xiàn)裂紋檢測(cè)。通過對(duì)標(biāo)簽裂紋的仿真，能夠發(fā)現(xiàn)隨著裂紋長(zhǎng)度的微量變化，標(biāo)簽讀取距離變大。使用HFSS 軟件優(yōu)化結(jié)構(gòu)和尺寸，可以很好地完成RFID 芯片與微帶天線的阻抗匹配，使得天線的性能得到很好的優(yōu)化。通過對(duì)天線裂紋的仿真，雖然只能檢測(cè)垂直裂紋，但是RFID芯片有獨(dú)自的識(shí)別編碼，可以通過合理的陣列進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)面積較大的金屬表面進(jìn)行裂紋檢測(cè)。在后續(xù)研究中還需考慮裂紋的深度和寬度對(duì)諧振頻率的影響，在實(shí)際應(yīng)用中某些因素需要考慮，例如氣候變化和環(huán)境對(duì)讀寫器與標(biāo)簽天線的影響。