摘 要：為實(shí)現(xiàn)無(wú)線檢測(cè)金屬結(jié)構(gòu)裂紋的寬度和深度，設(shè)計(jì)了一款無(wú)芯片射頻識(shí)別（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＦＩＤ） 金屬裂紋傳感器。該設(shè)計(jì)采用開(kāi)口環(huán)諧振器（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，ＳＲＲ）、電耦合ＬＣ 諧振器（ＥＬＣ 諧振器） 作為主要傳感單元，在２ ～ ４． ５ ＧＨｚ 的工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙諧振。利用雙諧振頻率ｆ１ 和ｆ２ 在裂紋寬度和深度檢測(cè)中的差異性，獲得金屬裂紋的寬度和深度信息。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，增大裂紋寬度時(shí)，諧振頻率ｆ１ 和ｆ２ 同時(shí)減小，增大裂紋深度時(shí)，ｆ２減小而ｆ１ 幾乎不變。在實(shí)際測(cè)量中，ｆ１ 對(duì)寬度檢測(cè)的靈敏度達(dá)到８２． ５ ＭＨｚ ／ ｍｍ，２ ｍｍ 樣本的相對(duì)誤差在３％ 以內(nèi)。ｆ２ 對(duì)深度檢測(cè)的靈敏度達(dá)到５０ ＭＨｚ ／ ｍｍ，１ ｍｍ 和３ ｍｍ 樣本的相對(duì)誤差分別在２０％ 和６． ７％ 以內(nèi)，驗(yàn)證了傳感器檢測(cè)毫米級(jí)裂紋寬度和深度的可行性。

關(guān)鍵詞：無(wú)芯片射頻識(shí)別；金屬裂紋；開(kāi)口環(huán)諧振器；電耦合ＬＣ 諧振器

中圖分類號(hào)：ＴＰ２１２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號(hào)：１００３－３１０６（２０２４）１２－２９５９－０６

０ 引言

金屬材料受到惡劣環(huán)境的影響會(huì)產(chǎn)生裂紋，可能造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)變得尤為重要［１］。國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬裂紋檢測(cè)主要采用無(wú)損檢測(cè)（ＮｏｎＤｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ，ＮＤＴ）技術(shù)，包括渦流檢測(cè)［２］、超聲波檢測(cè)［３］、磁粉檢測(cè)［４］和微波檢測(cè)［５－６］。但上述幾種檢測(cè)方法的成本高、操作復(fù)雜耗費(fèi)人力。使用微波傳感器檢測(cè)裂紋傳統(tǒng)上是用有線的方式測(cè)量，通過(guò)相位［７］、幅值［８］和諧振頻率［９－１０］的變化反映金屬裂紋的變化。

近年來(lái)為了提高檢測(cè)的靈活性，使傳感器具有無(wú)線無(wú)源等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)芯片射頻識(shí)別（Ｒａｄｉｏ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＦＩＤ）技術(shù)逐漸被應(yīng)用到材料無(wú)損檢測(cè)中。文獻(xiàn)［１１］提出了無(wú)芯片ＲＦＩＤ 的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器。使用時(shí)域反射（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ ，ＴＤＲ）技術(shù)，使得超寬帶天線系統(tǒng)能夠精確定位結(jié)構(gòu)裂紋，但對(duì)于裂紋尺寸的計(jì)算尚未完善。文獻(xiàn)［１２－１３］將單個(gè)圓形貼片天線標(biāo)簽（Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｐａｔｃｈ Ａｎｔｅｎｎａ，ＣＭＰＡ）作為主要傳感單元，使用線極化波激勵(lì)標(biāo)簽，研究諧振頻率與寬度之間的關(guān)系。為提高傳感器可靠性，文獻(xiàn)［１４］在圓形貼片對(duì)角邊緣增加２ 個(gè)矩形缺口實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換，通過(guò)裂紋對(duì)電流路徑的影響，使諧振頻率發(fā)生偏移，從而獲得裂紋的寬度和深度信息。由于背景噪聲會(huì)干擾可用信號(hào)的采集，文獻(xiàn)［１５］采用了主成分分析法應(yīng)用于無(wú)芯片ＲＦＩＤ 傳感器標(biāo)簽領(lǐng)域，對(duì)金屬缺陷實(shí)現(xiàn)多參數(shù)估計(jì)。