摘要
为满足对大规模建筑群体的低成本、长期检测需求，并扩大传感器识别范围，提出一种基于无源无芯片射频识别技术的金属构件裂痕传感器。依据交叉极化和工作带宽等影响因素及前期在HFSS平台上的大量仿真数据，设计满足优良检测性能的传感器模型；构建水平、垂直、对角裂痕，利用平面波电磁激励，检验不同裂痕形状对传感检测的影响；改变各类裂痕位置，分析谐振腔电场、电流与响应幅值变化，确定传感器最优识别范围。结果表明：在超高频段下，传感器对结构损伤检测响应的平均幅值偏差为5 dB；裂痕位置变化影响表面电流分布，进而改变响应幅值，而相较于无裂痕响应，结构损伤响应均呈现失谐状态，裂痕位置变化不影响其可检测性。该传感器可对物体表面任意位置的不同方向裂痕实现全范围检测，识别范围提高，且能够以较高分辨率对微小位置变化的裂痕进行实时监测。
Abstract
In order to realize the demand for low-cost and long-term detection of large-scale building groups and to expand the identification range of the sensor, this paper proposed a metal crack sensor based on passive chipless radio frequency identification (RFID) technology. Based on the influencing factors such as cross-polarization and operating bandwidth and a large amount of simulation data on the HFSS platform in the early stage, the paper designed a sensor model with excellent detection performance. Horizontal, vertical, and diagonal cracks were constructed, and electromagnetic excitation of the plane wave was used to test the influence of different crack shapes on the sensing and detection. The position of various types of cracks was changed, and changes in the electric field of the resonant cavity, current, and response amplitude were analyzed to determine the optimal identification range of the sensor. The results show that the average amplitude deviation of the sensor’s response to structural damage detection is 5 dB in the ultra-high frequency band. The change of crack position will affect the surface current distribution, which will change the response amplitude, while the structural damage response is detuned compared with the crack-free response, and the change of crack position does not affect the detectability of cracks. The sensor is capable of detecting cracks in different directions at any position on the surface of an object over a full range, improving the identification range and enabling real-time monitoring of cracks with small positional variations at a high resolution.
无源无芯片射频识别（radio frequency identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术，无须人工干预，适用于各种恶劣环境。无芯片传感器不含硅芯片，可整体打印，极大降低了生产成本[1]，且读取范围较大[2]。
结构健康监测（structural health monitoring，SHM）是RFID的一个重要应用领域。由于疲劳应力，各类建筑结构随时间会产生裂痕，而裂痕的萌生和扩展将对建筑结构造成严重破坏，引发巨大损失。因此实时监测裂痕萌生与扩展具有重要科学价值。当前多数裂痕检测依赖人工方式，检测效果差、成本高。无源无芯片RFID传感器弥补了人工检测的不足，可预防灾难性故障，减少人工维护成本，为结构健康监测提供了新方向。
目前，国内外已有较多用于结构裂痕检测的无芯片RFID传感器研究。文献[3]提出一种能够以亚毫米分辨率监测疲劳裂痕扩展的天线传感器，基于谐振频率与电长度成反比的原理，验证了传感器谐振频率偏移随裂痕扩展呈线性关系。然而，由于同轴连接器安装的局限性，该传感器无法检测倾斜裂痕。文献[4]研究了一种由纤维素纸基板制作的裂痕传感器，可实现传感器应答与询问信号隔离，避免采用杂波抵消技术。然而，纸基板材料受环境影响较大，难以在SHM中部署应用。文献[5]提出一种由频率选择表面阵列制成的无芯片无源结构健康监测传感器，通过测量其反向散射信号来检测裂痕位置。该传感器的局限在于，只有谐振器被破坏时传感器才能做出响应，且模拟仿真中未包含待测物体。文献[6]报道了一种基于雷达散射截面（radar cross section，RCS）的圆形微带贴片天线传感器，利用谐振频移方向表征裂痕方向，谐振频移幅度与裂痕宽度呈线性关系。然而，传感器只能检测到谐振器背面中心位置的裂痕。即编码谐振器后方金属区域是盲区，且RCS最小可检测幅值仅为-25 dB，分辨率较低。上述研究在恶劣环境适应性及检测范围方面仍有不足。因此，Shuvashis Dey等[7]研究了一种新型的“智能皮肤”传感器，由级联新型分裂谐振器耦合到基于共面波导（CPW）的传输线上，能够检测到多方向的裂痕，在实际应用场景的监控和部署方面迈出了重要一步。Kalansuriya等[8]提出基于TDOA技术的直、曲两种传输线表面裂痕检测方案。为便于制造，该研究在原型制备中使用直线传输线，验证了裂痕长度和方向与传感器反向散射信号的关系，实现了裂痕的定位检测。此外，该设计为实现低成本大规模部署，还引入了裂痕包络理论[9]。然而，该传感器检测性能对阅读器位置与方向较为敏感，难以提取可识别的裂痕特征。
本文提出一种圆形和方形结构结合的无芯片RFID传感器，用于结构健康裂痕监测。设计的传感器可对待测物体表面4种典型的裂痕方向实现全范围有效、高灵敏度检测，打破裂痕检测范围局限性，实现结构健康的早期预警。
1 裂痕传感器的工作原理
图1为无芯片射频识别裂痕检测系统。阅读器发射特定电磁波，激励传感器表面的谐振器产生感应电流，感应电流引起感应磁场，将带有传感信息的信号反向散射回阅读器。无源RFID传感器通过阅读器获取能量，完成信息交换。
图1无芯片RFID裂痕检测系统
Fig.1Chipless RFID crack detection system
如图2所示，待测金属物体表面有一条裂痕，虽未破坏谐振器结构，但改变了传感器背面形成的谐振腔，腔内的电场、磁场分布发生变化[10-12]，导致电流路径不连续或发生位移。谐振器的电长度与电流路径发生改变，影响谐振器的内场电磁波特性及待测物体表面电流分布。基于无源无芯片RFID传感器，将裂痕物理参数转换为RCS幅值信号，当传感器背面待测金属产生结构应变时，RCS幅值随之变化，谐振器的谐振幅度发生改变。由于传感器区域背面的任何缺陷都会改变待测物体及谐振器表面电流的形成，并重构RCS幅值，所以通过检测谐振器的谐振幅度变化，可有效、精准地识别裂痕的产生或改变[13]。本文主要研究4种典型方向的裂痕及其识别范围，提出一种以RCS幅值变化作为裂痕表征特性的传感器。
图2裂痕传感器结构
Fig.2Crack sensor structure
2 传感器设计
Adi Mahmud Jaya Marindra等设计的圆形微带贴片天线（circular microstrip patch antenna，CMPA）谐振器在0°和90°方向裂痕检测中表现出明显差异。实验验证了几何对称的圆形结构可以检测不同方向的裂痕。与其他结构相比，方形天线在交叉极化和工作带宽方面具有突出性能。因此，本文提出一种圆环与方形结构融合的传感器设计，如图3所示。天线蚀刻在介电常数为3.8的Micarta G-10玻璃/环氧薄膜上，传感器粘贴在带有1 mm×1 mm×60 mm裂痕的铝板上方，设计工作频率为4.3 GHz、9.4 GHz。基于微带贴片天线设计原理，圆环的半径和天线的总宽度分别由式（1）~（3）获得。
(1)
(2)
(3)
式中，r为圆环半径；f为谐振频率；L为天线总宽；2ΔLoc为辐射贴片长侧的等效辐射间隙长度；εr和d分别为衬底的介电常数和厚度。考虑圆环天线的边缘效应，利用式（4）计算圆环的有效半径a。
(4)
经初步计算，L的设计范围为8.5~15 mm，a的设计范围为1.1~4.6 mm。为获得更优的传感器设计，在HFSS中进行模拟仿真。基于大量仿真数据，综合考量幅度差、谐振频率段、波形光滑度等因素，确定表1参数为最佳尺寸，后续以最佳尺寸进行三项代表性设计的仿真分析。
图3传感器结构图
Fig.3Sensor structure diagram
表1无芯片RFID传感器尺寸
Tab.1Chipless RFID sensor dimensions
3 仿真分析
使用HFSS对设计的裂痕传感器进行模拟仿真，详细分析传感器对不同方向和不同位置裂痕的响应情况。为评估传感性能并使仿真更贴合实际，结合不同应用场景裂痕的危害性，归纳出4种典型裂痕方向——0°、45°、90°和135°，这些方向对金属构件的结构危害最大。将4个方向的裂痕等间距平移，模拟11个位置的裂痕，以确定裂痕传感器的检测区间，并定量分析其稳健性。
3.1 中心位置的4个裂痕方向模拟
本节对待测铝板表面中心裂痕进行仿真，分析4个裂痕方向对传感器的影响。
图4为4个方向裂痕的模型，图5展示了4个方向裂痕在铝板中心位置的响应及其与无裂痕结构响应的差异。由图5可知，无裂痕结构在4~6 GHz频段内，RCS最大幅值为-46 dB；在8~10 GHz频段内，RCS最大幅值达-49 dB。品质因子（Q）反映传感器的谐振性能，谐振峰越尖锐，对应的Q值越大，传感器的灵敏度、分辨率越高。在超高频段，Q值下降，但无论4~6 GHz还是8~10 GHz，无裂痕结构均产生深凹陷尖锐的谐振峰。同时，4个方向裂痕的RCS响应幅值均大于-30 dB，最低可达-49 dB，并且有裂痕与无裂痕结构RCS响应曲线间波谷幅值相差1~4 dB，这说明本文设计的裂痕传感器可识别4个方向裂痕，传感器的灵敏度、分辨度较高。
图44个方向的裂痕建模
Fig.4Modelling of the crack in 4 directions
图5中心位置的不同方向裂痕的RCS响应
Fig.5RCS response of cracks in different directions at center position
3.2 4个裂痕方向的检测范围
为了深入研究传感性能，同时使仿真更贴合实际，本节通过改变4个方向裂痕的顶点坐标实现等间距平移，模拟11个裂痕位置，并从裂痕传感器表面的11个切割区域重点分析不同裂痕位置与方向对其的影响，以此确定裂痕传感器的检测区间并定量分析其稳健性。
图6展示了0°、45°、90°和135°裂痕在11个位置的等间隔排列及编号顺序，11个切割区域可全覆盖待测铝板。
1）45°、90°、135°裂痕检测范围
45 °、90°和135°裂痕相较于0°裂痕不常见，但均会影响结构的抗扭强度，对建筑结构造成严重危害，因此研究分析这些方向的裂痕检测至关重要。
铝板表面产生这3种方向裂痕时，裂痕迫使电流流过裂痕腔，导致电流分布不连续，电流路径改变，进而引起谐振器电长度变化，影响Q和RCS幅值。由图7~9可知，在4~6 GHz和8~10 GHz频段内，45°、90°、135°裂痕11个位置的RCS响应波谷谐振峰尖锐，对应Q值较大，且相较于无裂痕响应产生明显信号偏移，表现出较好的传感识别性能。不同位置的裂痕导致电场分布变化，电流路径、电长度各不相同。因此，3个方向裂痕在11个位置的RCS响应均不相同。
图64个角度11个位置的裂痕示意图
Fig.6Schematic diagram of cracks at 4 angles and 11 positions
图745°裂痕11个位置与无裂痕RCS响应对比
Fig.7Comparison between RCS responses of 45° crack at 11 positions with no crack
图890°裂痕11个位置与无裂痕RCS响应对比
Fig.8Comparison between RCS responses of 90°crack at 11 positions with no crack
图9135°裂痕11个位置与无裂痕RCS响应对比
Fig.9Comparison between RCS responses of 135°crack at 11 positions with no crack
2）0°裂痕检测范围
图10展示了11个位置的0°裂痕RCS响应与无裂痕结构的对比。由图可知，11个位置裂痕的RCS响应几乎都小于-30 dB，在4.3 GHz及9.2~9.4 GHz处均产生深凹陷尖锐的谐振峰，与无裂痕响应相比，幅值差为1~13 dB。11个位置所对应的幅值差均不相同；在8~10 GHz频段内，不同裂痕位置既存在幅值差变化，又出现频率偏移。由于裂痕距传感器中心距离不同，与垂直平面入射波的夹角各异，导致谐振腔内整体电场与磁场分布发生变化，表面电流分布也呈现差异。因此，重点对工作于4.3 GHz的传感器背面谐振腔电场及表面电流展开分析。
图100°裂痕11个位置与无裂痕RCS响应对比
Fig.10Comparison between RCS responses of 0°crack at 11 positions with no crack
如图11所示，不同位置的0°裂痕导致谐振腔内电场分布不同，进而影响铝板表面电流分布。铝板表面电流分布与谐振的产生相关，当其发生改变时，RCS水平与共振特性发生重构，因此11个位置对应的幅值差均不相同。与其他方向的RCS响应相比，图10中0°裂痕的幅值偏差更大、谐振峰更尖锐、Q值更高、灵敏度更好。如图12所示，0°裂痕对待测物体表面信号路径改变较小，对电场分布影响较弱，因此表现出更优的检测性能。
由图7~9和图12可知，4个裂痕方向对应的44种裂痕情况的频率特征都是失谐的，即传感器能够识别整个60 mm × 60 mm待测铝板。以无裂痕结构的响应作为参照，44种裂痕情况均至少有1 dB幅值偏差，大部分裂痕响应超过6 dB的幅值偏差，变化明显，响应衰减更快，分辨率高。
图114.3 GHz工作的0°裂痕11个位置的传感器表面电流分布
Fig.11Distribution of sensor surface currents at 11 positions of 0° crack for 4.3 GHz operation
图124.3 GHz工作的4个方向裂痕及无裂痕传感器电场分布
Fig.12Electric field distribution of cracked and uncracked sensors in four directions for 4.3 GHz operation
3.3 待测铝板检测范围
为了探究传感器可识别的铝板范围及各传感器单元间布局间隔，对铝板监测范围进行仿真研究。以0°中心裂痕为代表，将60 mm×60 mm铝板尺寸缩小10%（54 mm×54 mm）及扩大10%（66 mm×66 mm）、20%（72 mm×72 mm）、50%（90 mm×90 mm）进行仿真分析。由图13可知，在0.1~6 GHz频段内，铝板尺寸增大时传感器谐振频率向低频偏移，尺寸缩小时向高频偏移，较大的金属表面会使谐振频率产生衰减偏移。在6~10 GHz频段内，当铝板尺寸为54 mm×54 mm和 60 mm×60 mm时可以观察到谐振波谷；若铝板尺寸大于60 mm×60 mm，则无法观察到谐振波谷。原因是超高频段信号激励下，较大金属表面的反射信号通常会掩盖谐振器的吸收峰。结果表明，0.1~10 GHz，60 mm×60 mm是本文设计裂痕传感器的最佳可识别范围。
图13不同铝板尺寸中心裂痕RCS响应
Fig.13RCS responses of cracks at center of different aluminum plate sizes
4 结论
1）不同角度与不同位置的裂痕响应均不相同，其原因是传感器区域背面的缺陷会改变谐振腔内电场与电流分布以及待测物体表面电流的形成，并重构RCS幅值，使响应产生差异。
2）基于RCS幅值变化，传感器对44种裂痕响应均呈失谐状态，且对结构损伤检测响应的平均幅值偏差为5 dB，最小可检测 RCS 幅值达-58 dB。该裂痕监测传感器具备高灵敏度，检测范围较大。
3）即使裂痕不在基板区域背面，幅值变化依然明显，传感器性能稳定，能够精确检测待测物体任意位置的不同方向裂痕，解决了仅能检测固定位置裂痕的局限，为随机裂痕的精准检测技术研究提供了可靠的方案与技术基础。
