基于RFID芯片的高強混凝土粘度動態測試方法

呂志剛 范向前 魏榮 方浩楠

摘要：傳統的高強混凝土粘度動態測試方法測試準確率較低，測試效率差，為了解決上述問題，基于RFID芯片研究了一種新的高強混凝土粘度動態測試方法，分析改良后的RFID芯片，針對RFID芯片特性探究RFID芯片對高強混凝土粘度動態測試原理，利用內置天線連續發射的無規則無線電波判斷高強混凝土的溫度與濕度等數據，由集成電路IC將這些數據轉化為無線電信號形式傳輸給遠程客戶端，通過遠程客戶端將植入高強混凝土中的RFID芯片進行關閉或者休眠，確定測試結果。實驗結果表明，基于RFID芯片的高強混凝土粘度動態測試方法工作效率和測試結果準確率更高。

關鍵詞：RFID芯片;高強混凝土;粘度測試;動態測試

中圖分類號：TU30

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0148-05

0 引言

隨著我國建筑領域的不斷發展與進步，高強混凝土在我國建筑行業的各方面得到了廣泛的應用。高強混凝土具有許多的優點，主要表現為以下兩個方面，首先高強混凝土具有強大的牢固性，在減少結構斷面的同時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，減少地基負荷[1]。其次高強混凝土還具有致密堅硬的特點，在抗凍性、抗滲性、耐腐蝕性、抗沖擊性等方面都要強于普通的混凝土，因此高強混凝土的應用領域十分的廣泛[2]。

高強混凝土雖然給我國的建筑領域提供了諸多的便利，但其對粘度的要求卻顯得十分苛刻，粘度是決定高強混凝土的好壞的主要因素之一，針對高強混凝土不同的應用領域，對高強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構斷面、無法返工修改、增加成本的情況，若粘度過低，則有可能造成抗凍性、抗滲性、耐腐蝕性、抗沖擊性等不理想的狀況，因此能否對高強混凝土的粘度進行檢測十分重要，但目前并沒有十分有效的方法[3]。

本文通過RFID芯片設計了一種高強混凝土粘度動態測試方法，RFID芯片是一種可以使用射頻（RF）信號與閱讀器交換的數據的標簽，具有一個內置天線和一個集成電路IC，內置天線主要負責發送與接收無線電波，集成電路IC則負責對無線電信號進行處理，本文設計的高強混凝土粘度動態測試方法需要將改良后的RFID芯片植入到高強混凝土中，通過RFID芯片的內置天線和集成電路IC來與外界的智能設備進行無線電波與無線電信號的聯系，對高強混凝土粘度進行一種動態測試，進而達到測試高強混凝土粘度的目的[4]。

1 基于RFID芯片的高強混凝土粘度動態測試原理

RFID芯片具有很多的類型，由于本文研究的方法需要對高強混凝土粘度動態進行測試，所以需要對傳統的RFID芯片進行相對應的改良[5]。

1.1 RFID芯片的改良

受高強混凝土的因素的影響，在把RFID芯片植入到高強混凝土后，將無法再將RFID芯片取出來，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，因為植入的RFID芯片不能對未來高強混凝土的應用造成影響且該芯片為一次性產物。

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

3）需要有強大的保護設備即RFID芯片在測試的過程中不能出現損壞的情況，且在測試的過程中需要保證信號的流暢性與準確性[6]。經過設計改良后的RFID芯片如圖l所示。

改良后的RFID芯片在原來的基礎上增加了保護措施且具有信號加強的功能，微型儲能電池價格低廉且足夠滿足續航的要求，而在RFID芯片完成相關工作后，會受遠程客戶端的影響可以進行自動休眠狀態，不會對未來高強混凝土的應用造成影響[7]。

1.2 RFID芯片對高強混凝土粘度動態測試原理

在RFID芯片植入到高強混凝土之前，相關工作人員需要將RFID芯片與遠程客戶端即電腦控制設備進行相關連接，進而保證無線電波與無線信號的正常傳輸，由于高強混凝土受粘度的影響整體狀態會存在一定的變化，所以高強混凝土的狀態不是固定不變的，本文稱之為粘度動態，而本文設計的方法則是通過RFID芯片來測試高強混凝土的粘度動態進而達到測試高強混凝土粘度的目的[8]。

當RFID芯片植入到高強混凝土后，RFID芯片的內置天線會自動向外發射無線電波，由于高強混凝土顆粒之間都存在著一定的間隙，所以內置天線自動發射的無線電波會自由的在這些間隙中進行傳遞與碰撞，經過多次的傳遞與碰撞后，這些無線電波最終會逐漸的回到RFID芯片的無線電波接收器當中，接收器會對這些無線電波發送與接收的時間間隔進行記錄并將這些記錄轉化為數據傳輸到RFID芯片的集成電路IC中，而集成電路IC則會將這些數據轉化為電信號的形式傳輸給遠程客戶端進而達到對高強混凝土粘度動態進行測試的目的[9]。RFID芯片的具體工作流程圖如圖2所示。

高強混凝土顆粒之間間隙的大小對高強混凝土粘度動態起著決定性的作用，若高強混凝土顆粒之間間隙過大即高強混凝土的粘度動態過低，則同一無線電波傳遞與碰撞的空間會更大，所以發送與接收的時間間隔會變長，同理，若高強混凝土顆粒之間間隙過小即高強混凝土的粘度動態過高，則同一無線電波傳遞與碰撞的空間會變得很小，發送與接收的時間間隔也會隨之變短[10]。

2 RFID對高強混凝土粘度動態的測試

在將RFID芯片植入到高強混凝土前，相關工作人員可以根據不同的建筑情況對高強混凝土設立粘度要求即高強混凝土粘度動態標準，這一標準中所包含的數據可以設為數據組A，這一數據組A會在遠程客戶端的電腦設備中進行保存，以便和未來通過RFID芯片測試得到的數據進行對比參照[11]。

RFID芯片植入到高強混凝土后，內置天線會連續發射無規則無線電波，這些電波受頻率影響都存在著些許差異，具有獨特性，而且在高強混凝土中碰撞傳遞時其特有的頻率不會發生改變，這也為未來時間間隔的記錄提供了諸多的便利，可以將內置天線發射的這些無線電波歸納為一個大集合B，這個大集合中包含著內置天線發射的所有無線電波即b1，b2……bn，內置天線在發射這些無線電波的同時會對這些無線電波進行拷貝并將拷貝的集合信息交給RFID芯片的接收器以便對每一個無線電波完成相對應的接收，雖然無線電波在高強混凝土間隙中傳遞與碰撞時，其特有的頻率不會發生改變，但也存在著被高強混凝土破壞與吸收削弱的可能，所以當這些無線電波被RFID芯片的接收器接收時，需要通過相關公式來進行計算驗證：

其中b為每個獨特的無線電波，hz則是每個無線電波特有的專屬頻率，t即為每個無線電波從發射到接收的間隔時間，C則為無線電波可接受的正常范圍標準值，若將這些參數帶人到上述公式后滿足結果等于C，則說明這些無線電波并沒有受到高強混凝土的影響，所獲得的t即時間間隔可作為高強混凝土粘度動態測試參照[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線電波后，會將所有合格的時間間隔t歸納為集合T，該集合T會由RFID芯片的接收器傳輸到RFID芯片的集成電路IC中。集成電路IC是RFID芯片的一個重要結構，該結構除了會對間隔時間集合T進行接收，還會對高強混凝土的溫度與濕度進行實時采集，因為溫度與濕度這些環境因素也是影響高強混凝土粘度動態的重要因素，所有對這些環境因素進行采集是不可或缺的，當對這些數據都進行完全采集后，集成電路IC會將這些數據轉化為無線電信號的形式傳輸給遠程客戶端[13]。在轉化的過程中需要應用公式（2）來進行計算：

其中L與W分別為集成電路IC采集到的高強混凝土溫度與濕度的信息，Z即為間隔時間T、溫度L、濕度W轉化而成的電信號。雖然集成電路會對間隔時間T這一主觀因素和溫度L、濕度W這兩個客觀因素進行整合得到數據組Z，但在發送的過程中還是需要分開以便對主客觀因素進行區分的，集成電路IC對遠程客戶端發送的無線電信號具體如圖4所示。

雖然對于無線電信號來說dB/m值越趨近于0值則表明無線電信號越好，但由于電信號中存在著大量的數據，所以集成電路IC所發送的無線電信號會存在著一定的波動，根據上圖可知客觀因素的無線電信號dB/m值大于主觀因素的無線電信號dB/m值，這是由于受RFID芯片自身結構限制所造成的，而且時間間隔集合T才是測試高強混凝土粘度動態的主要因素，客觀因素即溫度L與濕度T雖然不可忽略，但對本文設計方法所要達到的目的影響不大，因此相對要求較低[14]。

當遠程客戶端接收到集成電路IC所發送的無線電信號后，會將這些電信號再次轉化為數據Z的形式，再應用公式（3）來對數據Z進行計算，進而得到最終的數據組X：

接下來需要相關工作人員將數據組A即標準參照數據組與最終得到的數據組X進行對比，若A大于X，則說明高強混凝土粘度動態過低即需要增強高強混凝土的粘度，同理，若A小于X則說明高強混凝土粘度動態過高即需要降低高強混凝土的粘度，當得到最終的測試結果后，可通過遠程客戶端將植入高強混凝土中的RFID芯片進行關閉或者休眠，以便保證在高強混凝土沒有達到需要標準之前可以對RFID芯片進行重復使用進而達到最終的目的[15]。

本文研究的高強混凝土粘度動態測試整體方法所應用設備的具體模擬概念圖如圖5所示。

3 實驗研究

3.1 實驗目的

為檢測本文研究方法的應用性，特設立對比實驗，與傳統的高強混凝土粘度動態測試方法分別對多組高強混凝土粘度動態進行測試，比較二者對高強混凝土粘度動態測試的準確性與高效性。

3.2 實驗參數

為完成上述對比實驗，可列實驗參數如表1所示。

3.3 實驗結果與分析

根據上述實驗參數可以得到應用本文設計的RFID芯片高強混凝土粘度動態測試方法與傳統的測試方法對多組高強混凝土粘度動態測試的準確性對比圖如圖6所示。

根據上圖可知在應用本文研究的測試方法與傳統的測試方法對多組高強混凝土粘度動態進行測試的過程中，應用本文研究的測試方法測試的準確率遠高于傳統方法測試的準確率，這一結果與本文研究的測試方法中經改良后的RFID芯片的加入密不可分，本文研究的測試方法不但將主觀因素進行明細的記錄，還將客觀因素考慮到了其中，因此最終測試的準確率遠高于傳統方法測試的準確率。

根據上述實驗參數可得到在相同時間內應用本文研究的測試方法與傳統方法對高強混凝土粘度動態測試的效率對比圖如圖7所示。

由于本文研究的測試方法采用無線聲波信息采集技術與無線信號傳輸技術，最終再通過智能化技術進行處理，而傳統測試方法則需要人工采樣與測試等種種工序來進行，因此本文研究的測試方法對高強混凝土粘度動態測試的效率遠高于傳統的測試方法。

4 結語

文章研究的高強混凝土粘度動態測試方法結合了多種不同的技術，在測試的準確性與效率方面都產生了質的飛躍，為高強混凝土的合理應用提供了巨大的幫助，從長遠角度看，不但提高了應用高強混凝土的建筑效率，而且減少了高強混凝土的浪費，從根本上節省了開支，但由于本文研究的測試方法需要改良后的RFID芯片加入，所以相比較傳統的人I檢測方法需要的開支會提高一些，這也是該研究的測試方法在未來需要改進的不足與研究重點。

參考文獻

[1]顏洲，陳開兵.基于RFID和ZigBee的實驗設備定位系統研究[J].河西學院學報，2018，34（2）：44-48.

[2]龍思卿，趙盼明，郭建華基于IOWA算子的RFID數據有效性評價方法[J].南京信息工程大學學報（自然科學版）2019，11（4）：474-482.

[3]張永伍，房亞囡，王洋，等，基于射頻技術的變電站保護設備信息維護系統設計及實現[J].電子設計工程，2019，27（17）.

[4]王興，侯禮寧，白雪，基于RFID技術的身份證識別門禁系統開發[J].高技術通訊（中文），2019，29（6）：539-545.

[5]宋慧穎，高媛媛，沙楠，多天線RFID系統物理層安全優化方案的研究[J].電子技術應用，2018，44（1）：100-103.

[6]李勇，多電子標簽識別的RFID防碰撞方法[J].南京郵電大學學報（自然科學版）2019，39（4）：33-38.

[7]張蓉，郭宇，黃少華，等.基于改進螢火蟲算法的三維RFID網絡優化[J].計算機工程與設計，2019（10）：2731-2735。

[8]蘭慶慶，肖本賢.基于網格的密度峰值聚類算法的RFID定位[J].電子測量與儀器學報，2018，32（10）：73-78.

[9]何怡剛，汪濤，施天成，等，基于RFID傳感器標簽與深度學習的變壓器狀態監測方法研究[J].電子測量與儀器學報，2018（9）：72-79.

[10]何怡剛，陳張輝，李兵，等，基于SAW-RFID的SF6分解特性研究[J].電子測量與儀器學報，2018，32（4）：21-27.

[11]李紅偉，陳佩斯，梁志宏，等，智能滑套內低頻段RFID標簽識別率的研究[J].微波學報，2018，34（4）：48-54.

[12]李雪梅，齊莉莉，砂率對CIOO高強混凝土工作性與強度影響研究[J].低溫建筑技術，2018，40（6）：33-35.

[13]金愿，朱絢華，江鯤，旋轉粘度計間隙流及其對粘度測量的影響[J].計量與測試技術，2018，45（1）：101-103.

[14]陳健健，程冠之，蘇暢，等，潮濕環境下混凝土涂層用環氧樹脂/胺體系吸水性及其服役失效機制研究[J].化學與粘合，2019，41（1）：5-8.

[15]周鵬華，徐禮華，谷雨珊，等，鋼管與其核心自應力自密實高強混凝土的粘結性能[J].武漢大學學報（工學版），2018，51（9）：782-789.

作者簡介：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。E-mail： yongsimei@163.com

基金項目：廣東大學生科技創新培育專項資金資助項目（pdjh2019b0999）。