本发明涉及结构健康监测领域，尤其是涉及一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器和系统。
背景技术：
土木工程结构在长期使用过程中，由于受到外界环境及荷载等因素的作用，往往会发生一定退化，产生应力变形及开裂等，为结构的安全可靠运行埋下隐患，严重时甚至造成结构的破坏和失效。因此，在结构的整个生命周期内，需要对结构状态相关的物理量如结构应变等进行监测，以便及时了解结构的服役状态，保证结构的安全可靠使用。
目前，用于结构健康监测的传感技术和传感器发展迅速，如基于压电阻抗、声发射、光纤等传感技术的不同形式的传感器。这些传感器通常具有分辨率高、稳定性好等优点，但是大部分仍需要持续的电源供应，以及采用有线的方式进行采集信号的传输，这都会导致监测系统布线复杂、安装费时、费力且成本高昂，难以维护。此外用于结构应变监测的传感器通常只能监测一个方向的应变，如需监测多个方向应变则需要安装多个应变传感器，这也限制了传统传感器在结构健康监测中的应用。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器和系统,解决传统传感器需要有线进行信号传输和能源供应的问题，并实现单个传感器对结构平面双向应变的监测。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器，用于采集结构双向应变，包括基板、设置于基板下表面的下辐射贴片以及分别设置于基板上表面的上辐射贴片、射频识别芯片和微带线，所述的射频识别芯片通过微带线与上辐射贴片连接，所述的微带线与上辐射贴片连接的点设置于偏离上辐射贴片中心线的位置，用于激发上辐射贴片的横向谐振模式和纵向谐振模式，所述的横向谐振模式的谐振频率为上辐射贴片的横向谐振频率，所述的纵向谐振模式的谐振频率为上辐射贴片的纵向谐振频率；
使用时，该传感器粘贴于结构表面，当结构表面发生形变时，该传感器与结构会发生协同变形，所述的上辐射贴片发生横向形变和/或纵向形变，其中，所述的横向形变引起横向谐振频率的改变，所述的纵向形变引起纵向谐振频率的改变，实现对结构双向应变的采集。
进一步地，所述的下辐射贴片完全覆盖基板的下表面。
优选地，所述的下辐射贴片和上辐射贴片分别通过电镀贴合于基板上，所述的射频识别芯片通过焊接设置于基板上。
优选地，所述的射频识别芯片通过导电胶或焊接与微带线连接。
优选地，所述的下辐射贴片、上辐射贴片、微带线的材质均为铜，所述的基板采用rt5880介质板。
一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测系统，包括相互通信连接的传感器和阅读器，所述的传感器为所述的基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器；
该系统工作时，所述的阅读器发射电磁波信号激活传感器的射频识别芯片，分别检测上辐射贴片横向谐振频率和纵向谐振频率，获取结构表面两个方向的应变值，实现对结构平面双向应变的监测。
进一步地，所述的阅读器包括相互连接的无线收发模块、控制模块、调制解调模块和数字处理模块，所述的无线收发模块和调制解调模块用于发射电磁波信号并检测上辐射贴片横向谐振频率和纵向谐振频率，所述的数字处理模块用于确定横向谐振频率和纵向谐振频率的偏移量，并根据预设的谐振频率与结构应变关系，计算出结构表面两个方向的应变值。
进一步地，述的阅读器检测横向谐振频率和纵向谐振频率时，首先阅读器发射不同频率的调制电磁波信号激活射频识别芯片，并寻找在能够激活射频识别芯片的情况下，信号发射功率达到最小值时阅读器发射的调制电磁波信号的频率，最终确定上辐射贴片横向谐振频率和纵向谐振频率。
进一步地，当射频识别芯片被激活后，所述的上辐射贴片产生电流并发射出电磁波信号，所述的阅读器接收并处理该电磁波信号，获取传感器采集的信息。
更进一步地，所述的上辐射贴片发射出的电磁波信号包含标签编号和位置信息，所述的阅读器接收并处理该电磁波信号后，能够获取传感器的位置定位。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明采用了微带线偏心馈电的方式，微带线并不处于辐射贴片的中心线处，而是偏离一定的距离，偏心馈电方式可以同时激发起贴片天线两个方向的谐振模式，使得辐射贴片横向和纵向的尺寸变化分别引起横向谐振频率的改变和纵向谐振频率的改变，以天线的横向和纵向谐振频率作为参数表征结构平面双向应变，传感器的谐振频率的偏移与监测变量在固定范围内有较为明确的关系，可以实现单一传感器对结构平面不同方向应变的监测，具有较强的适用性；
2)本发明阅读器和射频识别芯片配合，可以通过无线方式测量传感器的谐振频率，同时通过电磁波激活传感器使其工作，不需要额外的电源，实现传感器的无源无线监测，大大降低了结构平面应变监测成本和传感器安装的劳动力成本，使传感系统更加简单，布置更加灵活，在自然灾害下更不容易失效；
3)阅读器通过可以获取射频识别芯片中存储的贴片天线的id、位置等简单信息，当监测发现结构应变发生时，实现对形变位置的快速定位。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图；
图2为本发明监测系统的结构示意图。
其中，1、基板，2、下辐射贴片，3、上辐射贴片，4、射频识别芯片，5、微带线，6、阅读器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图2所示，本发明公开了一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测系统，可降低结构平面应变的监测成本，实现对结构应变的无源无线监测，包括相互通信连接的传感器和阅读器6，传感器如图1所示，包括基板1、设置于基板1下表面的下辐射贴片2以及分别设置于基板1上表面的上辐射贴片3、射频识别芯片4和微带线5，射频识别芯片4通过微带线5与上辐射贴片3连接，微带线5与上辐射贴片3连接的点设置于偏离上辐射贴片3中心线的位置，用于激发上辐射贴片3的横向谐振模式和纵向谐振模式，横向谐振模式的谐振频率为上辐射贴片3的横向谐振频率，纵向谐振模式的谐振频率为上辐射贴片3的纵向谐振频率。
使用时，传感器粘贴于结构表面，当结构表面发生形变时，该传感器与结构会发生协同变形，上辐射贴片3发生横向形变和/或纵向形变，其中，横向形变引起横向谐振频率的改变，纵向形变引起纵向谐振频率的改变，实现对结构双向应变的采集。该系统工作时，阅读器6发射电磁波信号激活传感器的射频识别芯片4，分别检测上辐射贴片3横向谐振频率和纵向谐振频率，获取结构表面两个方向的应变值，实现对结构平面双向应变的监测。
阅读器6包括相互连接的无线收发模块、控制模块、调制解调模块和数字处理模块，无线收发模块和调制解调模块用于发射电磁波信号并检测上辐射贴片3横向谐振频率和纵向谐振频率，数字处理模块用于确定横向谐振频率和纵向谐振频率的偏移量，并根据预设的谐振频率与结构应变关系，计算出结构表面两个方向的应变值。
阅读器6检测横向谐振频率和纵向谐振频率时，首先阅读器6发射不同频率的调制电磁波信号激活射频识别芯片4，并寻找在能够激活射频识别芯片4的情况下，信号发射功率达到最小值时阅读器6发射的调制电磁波信号的频率，最终确定上辐射贴片3横向谐振频率和纵向谐振频率。
当射频识别芯片4被激活后，上辐射贴片3产生电流并发射出电磁波信号，阅读器6接收并处理该电磁波信号，获取传感器采集的信息，其中，电磁波信号包含标签编号和位置信息，阅读器6接收并处理该电磁波信号后，能够获取传感器的位置定位。
下辐射贴片2紧密电镀贴合在基板1下表面，并且完全覆盖基板1下表面上。上辐射贴片3紧密电镀贴合在基板1上表面。射频识别芯片4焊接在基板1上表面上，并与上辐射贴片3通过微带线5相连。
微带线5并不处于上辐射贴片3的中心线处，而是偏离一定的距离，以激发上辐射贴片3两个方向的谐振模式。其中上辐射贴片的横向对应一个谐振模式，纵向对应另一个谐振模式，两个谐振模式的谐振频率与贴片尺寸和基板介电常数相关。
射频识别芯片4通过导电胶或者焊接工艺与微带馈电线5相连，在本实施例中，下辐射贴片2、上辐射贴片3、微带线5的材质均采用铜，基板1采用rt5880介质板。
当结构表面发生形变时，传感器与结构会发生协同变形，变形传递效率可根据试验测出，从而使上辐射贴片3的尺寸发生变化。上辐射贴片3横向的尺寸变化会引起横向谐振频率的改变，纵向的尺寸变化会引起纵向谐振频率的改变，通过对该基于偏心馈电贴片天线的结构平面双向应变传感器横向和纵向谐振频率的测量，可以实现对结构平面双向应变的监测。
本的监测系统如图2所示，包括传感器和阅读器6。阅读器6负责无线读取传感器上的射频识别芯片4的信息并进行数据处理。
阅读器6包括无线收发模块、控制模块、调制解调模块、数字处理模块；其中无线收发模块、调制解调模块皆属于本领域通用的已知技术，不是本申请的创新点。通过无线收发模块、调制解调模块，阅读器6可以检测基于偏心馈电贴片天线的结构平面双向应变传感器的双向谐振频率偏移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出结构平面安装传感器位置两个方向尺寸的变化，进而实现对结构平面双向应变的监测。
其中，控制模块用于控制监测传感系统阅读器，并向传感器发射不同频率的调制电磁波信号。传感器通过微带线5与射频识别芯片4相连，当传感器接收到的信号功率达到阈值时，射频识别芯片4即可被激活工作。
传感器中的射频识别芯片4被激活后，传感器中的天线会产生电流并发射出带有标签编号和位置信息的电磁波信号，该信号被阅读器接收并处理后可以得到传感器的位置信息等，当阅读器扫描范围布置多个传感器时，阅读器可以根据各传感器的编码，标记各处结构平面的双向应变值。
激活传感器芯片所需的阅读器6最小信号发射频率与阅读器所发射电磁波信号的频率有关，当阅读器以贴片天线的横向和纵向谐振频率发射信号时，激活传感器芯片所需的发射功率会出现明显的降低。
数字处理模块通过寻找使传感器芯片激活时信号发射功率达到最小值的阅读器电磁波发射频率，即可确定出贴片天线传感器中天线的横向和纵向谐振频率。
当结构表面发生横向或纵向应变时，偏心馈电贴片天线传感器上辐射贴片相应方向的尺寸也会发生变化，从而使传感器相应方向的谐振频率偏移。通过该监测传感系统可以确定横向和纵向谐振频率偏移量，进而得出结构表面两个方向的应变值，实现对结构平面双向应变的监测。
本发明采用了微带线偏心馈电的方式。射频识别芯片与辐射贴片通过微带馈电线相连，微带馈电线并不处于辐射贴片的中心线处，而是偏离一定的距离，以激发辐射贴片两个方向的谐振模式。
本发明利用了双频贴片天线的谐振特性。其中辐射贴片的横向对应一个谐振模式，纵向对应另一个谐振模式，辐射贴片横向的尺寸变化会引起横向谐振频率的改变，纵向的尺寸变化会引起纵向谐振频率的改变。
本发明建立了平面双向应变与贴片天线两个方向谐振频率之间的对应关系。通过贴片天线横向和纵向谐振频率的偏移量表征结构平面产生的横向和纵向应变，实现单一传感器对结构平面不同方向应变的监测。
本发明是一种无源无线的传感器。无源是指本发明不需要通过预装电池或者电线进行能量输入，而是通过接收发射天线的电磁波进行能量输入；无线是指本发明不需要额外的线路进行数据传输。具体表现为，当结构产生平面应变时，偏心馈电的贴片天线双向谐振频率发生改变，通过阅读器可以无源无线获取天线谐振频率的改变，进而实现对结构平面双向应变的监测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
1.一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器，用于采集结构双向应变，其特征在于，包括基板(1)、设置于基板(1)下表面的下辐射贴片(2)以及分别设置于基板(1)上表面的上辐射贴片(3)、射频识别芯片(4)和微带线(5)，所述的射频识别芯片(4)通过微带线(5)与上辐射贴片(3)连接，所述的微带线(5)与上辐射贴片(3)连接的点设置于偏离上辐射贴片(3)中心线的位置，用于激发上辐射贴片(3)的横向谐振模式和纵向谐振模式，所述的横向谐振模式的谐振频率为上辐射贴片(3)的横向谐振频率，所述的纵向谐振模式的谐振频率为上辐射贴片(3)的纵向谐振频率；
使用时，该传感器粘贴于结构表面，当结构表面发生形变时，该传感器与结构会发生协同变形，所述的上辐射贴片(3)发生横向形变和/或纵向形变，其中，所述的横向形变引起横向谐振频率的改变，所述的纵向形变引起纵向谐振频率的改变，实现对结构双向应变的采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器，其特征在于，所述的下辐射贴片(2)完全覆盖基板(1)的下表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器，其特征在于，所述的下辐射贴片(2)和上辐射贴片(3)分别通过电镀贴合于基板(1)上，所述的射频识别芯片(4)通过焊接设置于基板(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器，其特征在于，所述的射频识别芯片(4)通过导电胶或焊接与微带线(5)连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器，其特征在于，所述的下辐射贴片(2)、上辐射贴片(3)、微带线(5)的材质均为铜，所述的基板(1)采用rt5880介质板。
6.一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测系统，其特征在于，包括相互通信连接的传感器和阅读器(6)，所述的传感器为如权利要求1-5任一项所述的基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测传感器；
该系统工作时，所述的阅读器(6)发射电磁波信号激活传感器的射频识别芯片(4)，分别检测上辐射贴片(3)横向谐振频率和纵向谐振频率，获取结构表面两个方向的应变值，实现对结构平面双向应变的监测。
7.根据权利要求6所述的一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测系统，其特征在于，所述的阅读器(6)包括相互连接的无线收发模块、控制模块、调制解调模块和数字处理模块，所述的无线收发模块和调制解调模块用于发射电磁波信号并检测上辐射贴片(3)横向谐振频率和纵向谐振频率，所述的数字处理模块用于确定横向谐振频率和纵向谐振频率的偏移量，并根据预设的谐振频率与结构应变关系，计算出结构表面两个方向的应变值。
8.根据权利要求6所述的一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测系统，其特征在于，所述的阅读器(6)检测横向谐振频率和纵向谐振频率时，首先发射不同频率的调制电磁波信号激活射频识别芯片(4)，并寻找在能够激活射频识别芯片(4)的情况下，信号发射功率达到最小值时阅读器(6)发射的调制电磁波信号的频率，最终确定上辐射贴片(3)横向谐振频率和纵向谐振频率。
9.根据权利要求6所述的一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测系统，其特征在于，当射频识别芯片(4)被激活后，所述的上辐射贴片(3)产生电流并发射出电磁波信号，所述的阅读器(6)接收并处理该电磁波信号，获取传感器采集的信息。
10.根据权利要求9所述的一种基于偏心馈电贴片天线的结构双向应变监测系统，其特征在于，所述的上辐射贴片(3)发射出的电磁波信号包含标签编号和位置信息，所述的阅读器(6)接收并处理该电磁波信号后，能够获取传感器的位置定位。
技术总结