基于RFID天線傳感器的金屬表面裂紋監(jiān)測研究

黃 東，董麗虹，王海斗，徐雅薇，趙運才，王慧鵬

(1.江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京 100072)

0 引言

飛機、橋梁、鐵軌等大型機械在長期服役中，難免會受到極端載荷或惡劣環(huán)境的影響，產(chǎn)生裂紋，發(fā)生結(jié)構(gòu)故障，可能造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，對這類結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測與安全評估，建立安全預(yù)警機制具有重要意義[1]。迄今為止，結(jié)構(gòu)健康狀況的評估主要依賴于無損檢測與評估技術(shù)[2]，如液體滲透檢測[3]、超聲波檢測[4]、渦流檢測[5]、熱成像檢測[6]等。這些評估方法在結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面能夠顯出較好的靈敏度及可靠性，但這些設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，往往需要大量布線及同時對現(xiàn)役環(huán)境要求很高，難以實現(xiàn)大規(guī)模布置、 實時監(jiān)測。近年來，基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)促進了被動無源傳感器的開發(fā)利用，實現(xiàn)了永久安裝與在線實時監(jiān)測。其中，基于射頻識別(RFID)標簽傳感器成本低，操作簡單，安全可靠且能夠?qū)崿F(xiàn)無源無線的特點，被視為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的潛在技術(shù)倍受關(guān)注。

目前，基于RFID系統(tǒng)的傳感器裂紋測量主要是針對裂紋一個維度變化的靜態(tài)檢測，大量學(xué)者進行了一系列的探索研究。Yi等[7]設(shè)計了一款折疊天線傳感器監(jiān)測裂紋，并對兩塊鋁合金板件間不同縫隙大小進行監(jiān)測試驗，結(jié)果表明該傳感器可以感知毫米級的縫隙變化。Zhang等[8]設(shè)計了帶有矩形窗口的圓形RFID天線傳感器對表面裂紋進行監(jiān)測，并通過對預(yù)制不同深度的裂紋(固定表面裂紋寬度、長度不變，改變表面裂紋深度)鋁合金試樣進行試驗，結(jié)果表明該傳感器能實現(xiàn)毫米級的檢測靈敏度。Marindra等[9]設(shè)計了一種無芯片RFID標簽傳感器，通過對預(yù)制不同寬度的裂紋(固定裂紋長度及深度不變)金屬試樣進行檢測，試驗結(jié)果表明該傳感器可以實現(xiàn)亞毫米的監(jiān)測靈敏度。康文芳等[10]設(shè)計了一款微帶天線傳感器，通過對預(yù)制不同裂紋寬度(固定裂紋長度、深度)試樣檢測，結(jié)果表明該傳感器可以實現(xiàn)亞毫米的監(jiān)測能力。此外，國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者的試驗研究也是一維靜態(tài)裂紋的檢測，其研究對象是預(yù)制好的裂紋，并且只改變了裂紋擴展一個方向的尺寸(其余方向裂紋尺寸不變)，然而，表面裂紋是沿著深度及長度方向同時擴展的。因此，以上研究具有一定局限性。

本文采用微帶標簽天線作為裂紋監(jiān)測的傳感器，設(shè)計了一種新的裂紋擴展測試方法，該方法不僅能夠?qū)崟r采集監(jiān)測過程中的射頻信號，還可以獲得表面裂紋在二維平面擴展中的實際尺寸，建立了反向散射信號相位(φ)與表面裂紋擴展面積的關(guān)系。本文也對其他裂紋傳感器應(yīng)用于監(jiān)測表面裂紋測試試驗提供了技術(shù)參考。

1 微帶天線傳感器

1.1 微帶天線傳感器的工作原理

當標簽傳感器放置在金屬結(jié)構(gòu)表面工作時，待測金屬結(jié)構(gòu)成為標簽新的接地板，其表面就會形成與標簽極化方向平行的感應(yīng)面電流，并分布在標簽輻射貼片下表面及金屬結(jié)構(gòu)平面上。本文中，標簽面電流的方向與表面裂紋垂直且與標簽傳感器長度方向平行，如圖1所示。

圖1 傳感器布置及面電流分布示意圖

當金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面裂紋時，其面電流經(jīng)過表面裂紋凹陷部分，待測金屬結(jié)構(gòu)的面電流路徑長度會隨著表面裂紋深度的增加而遞增。此外，隨著表面裂紋長度增加，經(jīng)過表面裂紋凹陷部分的比例增大，同樣會使面電流路徑長度增長，如圖2所示。面電流路徑長度Le=L+2ΔL0，其中L為輻射貼片長度，ΔL0為由邊緣效應(yīng)引起的電長度增量，是與輻射貼片寬度W、標簽基材厚度h及基材介電常數(shù)εe相關(guān)的函數(shù)[11]，即：

(1)

圖2 面電流分布示意圖

面電流與標簽傳感器參數(shù)[12]具有如下關(guān)系：

(2)

式中：f為標簽傳感器諧振頻率；cg為自由空間的光速。由式(2)可知,隨著Le的增大，f逐漸變小,即隨著表面裂紋的不斷擴展，面電流路徑越大。因此，可用標簽性能參數(shù)來表征表面裂紋的擴展情況。

1.2 微帶天線傳感器的結(jié)構(gòu)組成

基于RFID的標簽傳感器主要由介質(zhì)基板、輻射貼片及芯片組成，如圖3所示。其中輻射貼片和接地板刻蝕在相對介電常數(shù)為4.4的RF4基板上，并通過短路針相連。標簽芯片為Alien Higgs-3，當工作頻率為915 MHz時，輸入阻抗Zchip=(27+j201)Ω，芯片右端連接輻射貼片，左端連接傳輸線。標簽傳感器具體尺寸如表1所示。與傳統(tǒng)易損型裂紋傳感標簽相比，該傳感器具有在不改變標簽物理結(jié)構(gòu)的情況下實現(xiàn)裂紋傳感的特點，因此該傳感標簽可以重復(fù)使用，減少了在監(jiān)測裂紋過程中傳感單元的損耗。

圖3 微帶標簽天線傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 微帶天線傳感器尺寸參數(shù)

1.3 裂紋表征參數(shù)

RFID標簽傳感器的性能在諧振頻率下最佳，即集成電路芯片與天線實現(xiàn)阻抗匹配，對應(yīng)其功率反射系數(shù)Γ值最小[13]。由式(2)可知，f會隨著Le的增加而減小,即Γ值在較低的頻率下便能達到最小值。Γ值的計算公式為

(3)

式中Zc、Zt分別為標簽芯片阻抗和標簽天線的阻抗。由于Г難以直接測量，故采用可由閱讀器測量的φ來表征標簽性能的變化。φ是RFID系統(tǒng)反向鏈路中的測量參數(shù)，與讀寫器正交解調(diào)后的交流部分I和Q(I、Q分別為讀寫器同相/正交解調(diào)后對應(yīng)的分量)有關(guān)。在解調(diào)過程中，標簽芯片存在兩種狀態(tài)，一種是芯片阻抗與標簽阻抗達到匹配，另一種是短路。因此,φ與兩種狀態(tài)下Г相關(guān)，即存在以下關(guān)系式[14]：

(4)

式中：φ0為常數(shù)，由標簽傳感器與讀寫器的相對位置決定；Г1、Г2為芯片兩種工作狀態(tài)下的功率反射系數(shù)。因此選取φ為裂紋擴展表征參數(shù)。

2 試驗驗證

2.1 試樣準備

為探索標簽傳感器監(jiān)測表面裂紋擴展的能力，本實驗材料選取5A06鋁合金，因其具有韌性高，耐蝕性好，加工與焊接性能優(yōu)異及綜合力學(xué)性能高的特點，常被作為航空鋁材使用，其主要化學(xué)成分如表2所示，其抗拉強度為315 MPa，屈服強度為155 MPa。試樣參照GB/T 228.1—2010《金屬拉伸實驗方法》[15]進行加工，在其中心位置，采用電火花加工出1個半橢圓的表面缺陷，作為預(yù)制裂紋。試樣尺寸如圖4所示。

表2 5A06鋁合金的化學(xué)成分

圖4 試樣尺寸示意圖

2.2 試驗儀器

實驗在MTS-880型液壓伺服疲勞試驗機上進行，其動態(tài)載荷為±250 kN，系統(tǒng)誤差為±3%，頻率為0～20 Hz。射頻信號采集設(shè)備采用Tagformance讀寫器，它可以對UHF和HF兩個頻段的標簽性能進行測試，測試的標簽性能參數(shù)有：閾值功率、反向散射信號、方向靈敏度及識讀距離。本文采用反向散射相位作為裂紋擴展表征參數(shù)。采用SteREO DiscoveryV12立體顯微鏡測量疲勞斷口尺寸，其總放大倍數(shù)為2.4x～575x(x為該立體顯微鏡的放大倍數(shù))，工作行程為340 mm，調(diào)焦精度為350 nm。

2.3 試驗方法

為建立射頻信號與表面裂紋尺寸的關(guān)系，本文采用降載勾線法進行基于標簽傳感器監(jiān)測表面裂紋的動態(tài)疲勞試驗。該方法是采用合理的加載序列，在試樣斷面上形成肉眼可見的疲勞弧線[16-18]。然后利用立體顯微鏡測量這些疲勞裂紋的尺寸。在疲勞試驗前，需要對降載勾線中的疲勞加載序列進行設(shè)計。結(jié)合文獻[19]，確定疲勞載荷的最大拉應(yīng)力約為抗拉強度的0.55倍，基準載荷階段的應(yīng)力比約為0.2，標記載荷的應(yīng)力比約為0.8時，可以在試樣斷口處留下清晰可見的疲勞弧線。設(shè)計的加載序列如表3所示。

表3 疲勞實驗加載序列

將微帶天線傳感器用雙面膠固定在試樣中心，然后把試樣夾緊于疲勞試驗機上下夾頭。此外，將Tagformance讀寫器天線固定在支架上，并保持讀寫器天線極化方向與微帶天線傳感器極化方向一致，兩者相距30 cm。各設(shè)備布置如圖5所示。對測試系統(tǒng)進行校對，以消除測試環(huán)境和測試路徑的損失對測試結(jié)果的影響，確保結(jié)果的可靠性。

圖5 各設(shè)備相對位置示意圖

疲勞試驗時，疲勞試驗機載荷大小按照表3所示依次進行設(shè)置，其疲勞載荷為15 Hz頻率下的正弦波形。同時開啟Tagformance讀寫器采集微帶天線傳感器的射頻信號，讀寫器采樣頻率設(shè)為0.07 s/次，發(fā)射功率設(shè)置為20 dBm，工作頻率設(shè)置為915 MHz。直至試樣斷裂，同時暫停疲勞試驗機與Tagformance讀寫器，并保存數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果

本次試驗共進行了8組，從實驗結(jié)果可得所測得的試樣射頻信號(反向散射信號相位φ)變化規(guī)律類似，因此對其中一個試樣進行分析。整個疲勞實驗過程所得射頻信號φ如圖6所示，其對應(yīng)試樣斷口圖片如圖7所示。

圖6 原始反向散射信號相位示意圖

圖7 疲勞斷口的實際裂紋形貌和測量圖

由圖6可知，在疲勞載荷下試樣φ隨著疲勞時間的遞增整體呈下降趨勢。疲勞試驗初期(即載荷序列1階段)，φ下降速率相比其他階段較快，這種現(xiàn)象是因為載荷序列1所設(shè)定載荷較大，且疲勞次數(shù)較多，此階段裂紋的擴展速率最快。因此，在一定情況下可利用φ值曲線斜率變換快慢來表征裂紋擴展速率。在疲勞試驗結(jié)束時，φ信號先迅速降低，而后驟然上升且略大于初始相位。這種現(xiàn)象是因為試樣即將斷裂時只有極少量電流通過試樣，所以φ急速下降；而后試樣發(fā)生斷裂，被測試樣的面電流路徑徹底切斷，導(dǎo)致φ迅速回升。由圖7可知，該試樣斷口處勾勒出6條清晰的半橢圓式的疲勞弧線，這與完整的疲勞載荷序列數(shù)一致。用SteREO DiscoveryV1立體顯微鏡的測量工具分別測量每條疲勞弧線的深度a及長度c，測量結(jié)果如表4所示。

表4 疲勞弧線尺寸表

為建立φ與表面裂紋擴展面積間較準確的關(guān)系，需對采集到的反向散射信號相位曲線圖進行平滑處理。經(jīng)過Loess平滑處理后的φ如圖8所示。

圖8 平滑處理后反向散射信號相位

(5)

表5 不同疲勞弧線對應(yīng)時間段的及S

圖9 反向散射信號相位平均值的線性擬合

4 結(jié)束語

本實驗為RFID標簽傳感器動態(tài)監(jiān)測裂紋擴展提供了新的思路。首先，采取降載勾線法進行表面裂紋擴展實驗，解決了表面裂紋在疲勞擴展中其尺寸難以測量的問題。其次，采取的加載序列僅在試樣預(yù)制裂紋的塑性區(qū)發(fā)生相對較小的變形，試樣其他部位不會發(fā)生變形，避免了試樣較大的形變影響面電流路徑的情況。最后，采用雙面膠作為標簽傳感器與試樣的粘合劑，保證了當試樣產(chǎn)生形變時標簽傳感器可在試樣上發(fā)生相對滑動，減少了應(yīng)變傳遞到標簽傳感器上，防止因試樣發(fā)生形變改變標簽貼片長度而引發(fā)面電流的改變，以免對裂紋識別引入干擾。

通過對試樣斷口表面裂紋面積測量計算，建立與反向散射信號相位的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，該標簽天線傳感器已實現(xiàn)了對鋁合金試樣表面裂紋面積5.646 mm2擴展量的監(jiān)測，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)0.195 (°)/mm2的監(jiān)測靈敏度。