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无源无线传感器

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大家应该都做过静力试验吧？为了将试验的效果最优化，就算是很简单的构件，我们往往也会设多个传感器。当试验工况复杂起来的时候，安装的传感器的数量更是噌噌噌往上涨。由于一般使用的都是有线的传感器，实际操作的时候布线一般都十分复杂，有时候甚至还要专门的布线箱、布线盒来对传感器辅助进行布设。

图1 有线传感器布设

如果亲自布设过传感器的话，那大家应该会明白，要做好静力试验的前期准备工作可不是一个简单的事儿：不仅要确认每一个通道的传感器安装正确，确认每一个传感器都可以正常工作，还需要保证传感器的布线互相没有缠绕和干扰。如果一切正常还好，最要命的是出了点错，得一步步排查传感器本体是否脱落、传感器电缆是否短路或者断路、传感器与配电盒连接是否正常，一顿操作下去一个小时就过去了——这可是个体力活。

不难看出，传感器布设上的问题主要还是来源于有线的结构设计，这时候的传感器就像一个个需要插座的电器，安装费力而且排障困难。既然如此，我们是不是可以设计一个无线的传感器，来达到简化传感器布设的目的呢？

答案是肯定的，将电池加载在传感器上，可以达到无线传感的目的。传感器从一个个需要插座的电器变成了可以无线接打的手机，一下就简化了许多。

图2 无线充电的手机和无线工作的有源传感器

但是，正如手机一般，这种传感器不仅造价变得高昂了起来，而且犯上了所有的精密电器都有的通病——容易坏而且不好修。我们不禁想，是不是可以通过设计去掉电池，对传感器进行无线供电——就像手机的无线充电一样呢？

将天线和射频识别技术相结合，终于达到了目的。天线不仅可以无线进行供电（激励）和无线传递信号，其自身形变还与其电信号有关，因此，我们如果把结构上的监测量变化直接反应到天线本身的形变和结构变化上的话，那天线的信号也就会随着结构监测量的变化而改变——我们可以直接通过测量天线信号达到无源无线监测的目的。

图3 无源无线传感器的工作模式

虽然天线传感器可以达到无线传感的效果，但由于其采用的是自身形变来反映结构形变，天线本身是受力的。因此，需要对天线再次进行设计，使得天线自身尽量不受力。

图4 受力型传感器的缺点

目前，基于各种样式的天线，研究室提出了多种结构健康监测传感器，用于结构应变、结构位移、结构裂缝等多种参量的监测。针对受力式贴片天线的缺点，设计开发了多种无应力式的传感器，并初步测定了这些传感器的工作效果。

图5 项目组设计的单片受力式应变计模型图(左)及实物图(右)

图6 项目组设计的无应力的组合天线裂缝计模型图(左)及实物图(右)

图7 项目组设计的无应力的组合天线位移计模型图(左)及实物图(右)

图8 项目组设计的无应力的组合天线裂缝计模型图(左)及实物图(右)

图9 项目组设计的无应力的组合天线裂缝计模型图(左)及实物图(右)

在未来，无源无线传感器将具有更多用途：可以将其作为智能骨料在结构中内置，可以将其应用于超长线结构作为无源射频识别感知及分布式监测系统…

图10 结构健康检测传感器网络

图11 应用于超长线结构的无源射频识别感知及分布式监测系统

在进行新的应用时，便会有新的挑战：传感的距离如何扩大？环境对传感器的影响如何量化？传感器中天线的工作效率如何提升？诸如此类的问题层出不穷，我们还需要进行很多努力。尽管如此，无源无线传感器仍旧是目前传感研究的前沿之一。

参考文献：

[1] Xue S, Yi Z, Xie L, Wan G. Double-frequency passive deformation sensor based on two-layer patch antenna. Smart Structures and Systems. 2021; 6(27).
[2] Yi Z, Xue S, Xie L, Wan G. Detection of setting time in cement hydration using patch antenna sensor. Structural Control and Health Monitoring. 2021;e2855.

[3] Xue S, Xu K, Xie L, Wan G. Crack sensor based on patch antenna fed by capacitive microstrip lines. Smart Materials and Structures. 2019;28(8).
[4] Wan G, Li M, Yang Y, Xie L, Chen L. Patch-Antenna-Based Structural Strain Measurement Using Optimized Energy Detection Algorithm Applied on USRP. IEEE Internet of Things Journal. 2021;8(9):7476-84.
[5] Xue S, Yi Z, Xie L, Wan G, Ding T. A Passive Wireless Crack Sensor Based on Patch Antenna with Overlapping Sub-Patch. Sensors. 2019;19(19).
[6] Xue S, Zheng Z, Guan S, Xie L, Wan G, Wan C. A Capacitively-Fed Inverted-F Antenna for Displacement Detection in Structural Health Monitoring. Sensors. 2020;20(18).
[7] Xue S, Jiang K, Guan S, Xie L, Wan G, Wan C. Long-Range Displacement Meters Based on Chipped Circular Patch Antenna. Sensors. 2020;20(17).
[8] 薛松涛, 蒋灿, 谢丽宇*, 王世聪, 万国春. 基于矩形贴片天线的应变传感器的模拟与测试. 振动、测试与诊断. 2018, 38(1): 1-7.
[9] 薛松涛,徐康乾,谢丽宇,薛科,万国春.无源无线应变传感器的模拟与测试.结构工程师, 2020, 36(05): 113-121.
[10] 徐康乾, 谢丽宇, 薛松涛, 蒋灿, 万国春, 张建国. 大应变下贴片天线应变传感器的性能研究. 结构工程师, 2019, 35(01): 49-55.