種玉配，王其昂，張 誠，賀子良，熊炎林

(1.中鐵隧道局集團有限公司勘察設(shè)計研究院，廣東 廣州 511400； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；3.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 511400)

隨著各類大跨橋梁、隧道、超高層建筑的日益發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)安全性、耐久性方面的問題普遍突出。近些年部分大型土木結(jié)構(gòu)事故頻發(fā)，使人們意識結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的重要性以及必要性。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對重大土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別、可靠性評估及優(yōu)化設(shè)計已成為土木工程領(lǐng)域的研究熱點。其中傳感器系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器指的是可感知規(guī)定的被測量(如結(jié)構(gòu)響應(yīng))，并將其經(jīng)過一定的處理后，轉(zhuǎn)化為聲、光、電等可被傳輸和測量的信號的元器件。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測常用傳感器包括：加速度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器等。應(yīng)變傳感器是其中重要的一種，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對結(jié)構(gòu)易損構(gòu)件或部位開展應(yīng)變監(jiān)測,判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。應(yīng)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)局部響應(yīng)數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)損傷定位、疲勞損傷等方面有著重要的研究價值。

常用的應(yīng)變傳感器有電阻式應(yīng)變片[1-3]、振弦式應(yīng)變計[4-5]和布拉格光柵應(yīng)變傳感器[6-7]。電阻式應(yīng)變片可將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，但通常阻值變化較小不易測量，利用惠斯通電橋可將應(yīng)變片電阻值的變化，轉(zhuǎn)化為可被測量的電勢差；振弦式應(yīng)變計則是將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為容易測量的弦的共振頻率；布拉格光柵應(yīng)變傳感器的基本原理是將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為光波波長或中心頻率的變化。但在實際工程應(yīng)用中該類應(yīng)變傳感器存在較多弱點：傳感器需通過有線的方式相互連接以及采集傳輸數(shù)據(jù)，引線較多、作業(yè)復(fù)雜、數(shù)據(jù)采集設(shè)備價格昂貴。此外，如電阻式應(yīng)變片在應(yīng)變作用下的電阻變化通常較小，之后通過有線方式傳輸?shù)綌?shù)采系統(tǒng)，微弱阻值變化的傳輸對導(dǎo)線要求更高求并增加了成本。同時，過長導(dǎo)線傳輸弱電阻變化時易受噪聲影響，大大降低了信號的準(zhǔn)確性。

RFID在國外起步較早，其理論基礎(chǔ)誕生于20世紀(jì)40年代，目前已成為傳感技術(shù)一個熱點研究方向，該技術(shù)主要通過其無線傳輸以及標(biāo)簽幾何參數(shù)的變化與頻響函數(shù)之間的關(guān)系，開展數(shù)據(jù)信息傳遞。由于成本低、無源無線等優(yōu)勢，目前該技術(shù)在美國土木工程領(lǐng)域已初步投入到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。相比較，我國在該領(lǐng)域起步晚，隨著2006年以來國家政策的激勵，RFID傳感技術(shù)得到較快發(fā)展。該技術(shù)兼?zhèn)浠A(chǔ)科學(xué)與工程應(yīng)用的特性，該技術(shù)不僅能彌補傳統(tǒng)監(jiān)測方法布線復(fù)雜、高成本等缺點，且可較好克服其他無線傳感技術(shù)系統(tǒng)繁瑣、效率不高的缺點。盡管一些無線傳感技術(shù)嘗試改善傳統(tǒng)有線應(yīng)變傳感的缺點，但仍存在諸多不足，如信號采集過程中仍需外部供能，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生較大損傷，可能導(dǎo)致供能系統(tǒng)癱瘓，無法記錄結(jié)構(gòu)損傷過程應(yīng)變時程。在土木工程應(yīng)用中，為克服有線、有源應(yīng)變傳感器的缺點，基于無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)的應(yīng)變傳感技術(shù)應(yīng)運而生。宋國榮等[8]開發(fā)了一種無源無線基于RFID的微帶天線應(yīng)變傳感器，微帶天線作為RFID標(biāo)簽的天線接收能量并傳輸返回信號，通過天線諧振頻率和應(yīng)變的線性關(guān)系來測試應(yīng)變。黃程[9]設(shè)計了一款新型無源被動應(yīng)變傳感器，利用標(biāo)簽天線的尺寸形狀和諧振頻率之間的線性關(guān)系來測量應(yīng)變，大大提高了標(biāo)簽的最大讀取距離。何依依[10]設(shè)計了短路短結(jié)線饋電和H槽饋電兩種不同饋電方式的應(yīng)變傳感器，兩種傳感器都可以在金屬表面使用且具有60%多的傳遞效率，利用不同方向的應(yīng)變與天線諧振頻率的關(guān)系來實現(xiàn)測量應(yīng)變的目的。Rennane等[11]提出了一種新型無源超高頻RFID結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器，標(biāo)簽通過惠斯通電橋連接應(yīng)變片，輸出電壓和應(yīng)變呈線性關(guān)系，從而可以測得外界強迫力。Chakaravarthi等[12]提出了一種可多次重復(fù)使用的RFID金屬應(yīng)變測量傳感器，利用RFID接收到的信號強度RSSI和其對應(yīng)的頻率來測試應(yīng)變，該天線可反復(fù)測量金屬應(yīng)變，因此可以用在金屬結(jié)構(gòu)如鋼結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測之中。Jayawardana等[13]開發(fā)了一種可以同時測量加速度和應(yīng)變的集成標(biāo)簽天線傳感器，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有良好的應(yīng)用前景。利用RFID技術(shù)的非接觸式信息傳遞、射頻能量收集的特點，可實現(xiàn)應(yīng)變傳感器的無源、無線、低成本及耐久性好等技術(shù)優(yōu)勢。

1 RFID技術(shù)

RFID為非接觸式自動識別技術(shù)，通過射頻信號空間耦合開展無線、非接觸的數(shù)據(jù)傳輸。RFID硬件單元主要由標(biāo)簽、閱讀器、檢測電路以及中央處理單元等組成。其主要工作流程為：當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器產(chǎn)生的射頻電磁場后，電子標(biāo)簽的天線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽被激活，電子標(biāo)簽中的A/D轉(zhuǎn)換電路，將存儲在電子標(biāo)簽芯片中的信息，進(jìn)行編碼后，通過負(fù)載調(diào)制的方式，通過標(biāo)簽天線以特定頻率的射頻信號，向閱讀器發(fā)送存儲在標(biāo)簽芯片中的信息。閱讀器通過天線接受標(biāo)簽的射頻信號，將其解碼后，送至與之相連的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。射頻識別技術(shù)的優(yōu)點有：非接觸式識別、能耗低、使用壽命長、可重復(fù)使用、信息傳遞速度快、安全性好、成本低等。

1.1 RFID標(biāo)簽及RFID閱讀器

RFID系統(tǒng)的主要組成部分包括RFID標(biāo)簽與RFID閱讀器。RFID標(biāo)簽又稱應(yīng)答器；RFID閱讀器又稱讀寫器。RFID標(biāo)簽與閱讀器之間通過射頻信號的電磁耦合進(jìn)行信息和能量的傳遞。

通常，RFID標(biāo)簽與被識別對象粘貼在一起，每個RFID標(biāo)簽都有預(yù)先設(shè)定的標(biāo)簽號，以電子代碼的形式存儲于標(biāo)簽芯片中。RFID標(biāo)簽有3種能量供給方式，主動式、被動式和半被動式。主動式標(biāo)簽配備電池，被動式無外部電源(通過天線從電磁場吸收能量)，半被動標(biāo)簽部分依賴電池工作。根據(jù)工作頻率的不同，RFID標(biāo)簽可分為低頻(135 kHz)電子標(biāo)簽、高頻(13.56MHz)電子標(biāo)簽、超高頻(860～960MHz)電子標(biāo)簽和特高頻(2.45GHz～5.8GHz)電子標(biāo)簽。RFID標(biāo)簽的主要功能是存儲被識別對象的信息并發(fā)送到RFID閱讀器。對于可讀寫式RFID標(biāo)簽，除了存儲標(biāo)簽號的內(nèi)存之外，通常還有可供使用者寫入其他附加信息的附加內(nèi)存。

RFID閱讀器借助天線通過射頻信號與標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可開展RFID標(biāo)簽信息的讀寫操作。RFID閱讀器還為無源標(biāo)簽功能，發(fā)射電磁波激活標(biāo)簽中檢測電路。此外，RFID閱讀器可與外部上位機系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與實時顯示。RFID閱讀器工作頻率分類與RFID標(biāo)簽一致。

1.2 負(fù)載調(diào)制：應(yīng)變信號的無線傳輸

負(fù)載調(diào)制是RFID電子標(biāo)簽向讀寫器傳輸應(yīng)變數(shù)據(jù)的主要方法[14]。負(fù)載調(diào)制的原理是：按照電子標(biāo)簽要向閱讀器發(fā)送的二進(jìn)制編碼的節(jié)拍，控制負(fù)載電阻或者電容的接入或斷開，從而使得標(biāo)簽載波的幅值(或相位、頻率)有規(guī)律地改變，通過電磁空間耦合，將這種變化傳遞給閱讀器。閱讀器天線接收到這種變化后，通過解調(diào)，將負(fù)載調(diào)制的信息還原為二進(jìn)制編碼，實現(xiàn)RFID標(biāo)簽向閱讀器的通信[15]。在RFID系統(tǒng)中，負(fù)載調(diào)制技術(shù)的方式主要有電阻負(fù)載調(diào)制和電容負(fù)載調(diào)制兩種[16-17]。

圖1給出了電阻負(fù)載調(diào)制的電路圖。在電阻負(fù)載調(diào)制中，與負(fù)載RL并聯(lián)的電阻Rmod稱為負(fù)載調(diào)制電阻。S表示開關(guān)，控制負(fù)載調(diào)制電阻是否接入電路中，開關(guān)S按照二進(jìn)制編碼的節(jié)拍接通或斷開。電阻負(fù)載調(diào)制是通過控制負(fù)載電阻的接入與否，調(diào)節(jié)電子標(biāo)簽的載波幅值，進(jìn)而將電子標(biāo)簽的信息傳遞給閱讀器。

圖2給出了電容負(fù)載調(diào)制的電路圖。在電容負(fù)載調(diào)制中，負(fù)載與電容并聯(lián)，代替了由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼控制的調(diào)制電阻。在電阻負(fù)載調(diào)制中，諧振狀態(tài)下電抗為零，載波只有二進(jìn)制編碼節(jié)拍的幅度改變。而在電容負(fù)載調(diào)制中，負(fù)載調(diào)制電阻變成電容后，電抗不為零，此時載波波形變化不僅存在幅值的改變，也存在相位的改變。

2 RFID應(yīng)變傳感器

經(jīng)過近些年的發(fā)展，RFID應(yīng)變傳感器種類較多。本文將從傳感器設(shè)計思路、傳感器工作頻段以及有無芯片三方面對RFID應(yīng)變傳感器研究進(jìn)展及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。

2.1 基于不同設(shè)計思路的RFID應(yīng)變傳感器分類

目前基于RFID技術(shù)的應(yīng)變傳感器研發(fā)主要有2種技術(shù)方案：(1)第一種是基于RFID標(biāo)簽天線的應(yīng)變傳感技術(shù)。該思路直接通過RFID標(biāo)簽天線開展應(yīng)變測量，其工作原理為，當(dāng)RFID標(biāo)簽系統(tǒng)的微帶天線產(chǎn)生一定應(yīng)變時，其電學(xué)信號將發(fā)生改變，最常用的為標(biāo)簽的諧振頻率，通過RFID閱讀器捕捉該變化，反演出應(yīng)變數(shù)據(jù)；(2)第二種是基于RFID標(biāo)簽與傳統(tǒng)應(yīng)變傳感單元相結(jié)合的應(yīng)變傳感技術(shù)。該思路則是將RFID標(biāo)簽與傳統(tǒng)成熟的應(yīng)變傳感單元相連接，使其兼容工作，傳感單元感知的應(yīng)變響應(yīng)存儲在標(biāo)簽芯片中，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再利用天線無線射頻傳輸至閱讀器，最終通過數(shù)據(jù)處理獲取應(yīng)變信號。

第一種基于RFID標(biāo)簽天線的應(yīng)變傳感器設(shè)計思路為：將RFID標(biāo)簽的天線設(shè)計為應(yīng)變測量單元，標(biāo)簽天線的形變導(dǎo)致其單元屬性發(fā)生變化。目前，矩形貼片是比較理想的天線結(jié)構(gòu)形式，其主要優(yōu)勢為：結(jié)構(gòu)簡單，易制作；頻帶窄，易獲取諧振頻率；且諧振頻率對貼片寬度不敏感。缺點是：要求閱讀器具有濾波降噪、掃頻等功能[18]。部分學(xué)者研究了其他形狀的貼片天線，如Daliri等[19]設(shè)計了一種喇叭天線RFID應(yīng)變計，研究了天線諧振頻率的幅度與天線角度之間的關(guān)系。耿濤等[20]開發(fā)了帶過孔的同軸饋電的RFID微帶貼片天線應(yīng)變傳感器，探究了測距與天線諧振頻率的相互影響，通過實驗確定傳感器諧振頻率偏移率與應(yīng)變關(guān)系的靈敏度為-0.8652，并確定6cm為最理想的無線傳輸距離(如圖3)。Yi等[21]開發(fā)了一種基于折疊貼片天線的低成本無源射頻識別傳感器，用于測量金屬表面的應(yīng)變。Matheus等[22]開發(fā)了一種基于倒F形天線的RFID無線應(yīng)變傳感器，利用有限元建模開展性能優(yōu)化設(shè)計，2.0 mm厚的鋁板上粘貼應(yīng)變片，通過靜載荷試驗進(jìn)行實驗驗證(如圖4)。無論何種天線結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)RFID貼片天線附著在結(jié)構(gòu)上，并產(chǎn)生一定應(yīng)變時，應(yīng)變信號經(jīng)過放大濾波后，借助內(nèi)嵌微處理器進(jìn)行信號提取,最終以無線射頻信號方式傳輸。放大電路通常由儀表放大器組成，其放大倍數(shù)主要取決于其中的增益電阻；在濾波電路方面，常用的是2階巴特沃思低通濾波，截止頻率可根據(jù)土木結(jié)構(gòu)響應(yīng)的信號分析確定，通常響應(yīng)數(shù)據(jù)屬于低頻信號，如一般情況取100 Hz可滿足大多數(shù)土木結(jié)構(gòu)要求，最終根據(jù)濾波帶寬與電阻電容元件進(jìn)行濾波電路設(shè)計[23]。

第二種基于RFID標(biāo)簽與傳統(tǒng)應(yīng)變傳感單元相結(jié)合的應(yīng)變傳感器設(shè)計思路為：將RFID標(biāo)簽與傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器(如電阻式應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計)相結(jié)合，可賦予RFID標(biāo)簽應(yīng)變感知能力，同時借助RFID標(biāo)簽的射頻傳輸能力實現(xiàn)應(yīng)變信號的無線傳輸。邵建新等[24]將傳感標(biāo)簽與電阻應(yīng)變片相結(jié)合開發(fā)RFID應(yīng)變無線傳感器，以碳纖維復(fù)合材料板為試件，在萬能材料試驗機上開展彎曲力學(xué)測試，驗證了所開發(fā)傳感器的適用性及精度。類似，喻言等[25]開發(fā)了基于電阻應(yīng)變片的RIFD應(yīng)變觸感器，并設(shè)計了由電橋電路、前端放大電路、參考電壓驅(qū)動電路、濾波電路構(gòu)成的應(yīng)變信號調(diào)理電路，協(xié)助RFID微處理器的數(shù)據(jù)處理；利用設(shè)計的傳感器標(biāo)簽和讀寫器，在通用匹配試驗機上構(gòu)建了結(jié)構(gòu)應(yīng)變無線監(jiān)測系統(tǒng)。日本Taiheiyo水泥公司[26]將電纜應(yīng)變計與RFID標(biāo)簽組合，開發(fā)了用于測量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變的RFID型應(yīng)變計傳感器。本文作者課題組開發(fā)了一種基于RFID技術(shù)和惠斯通電橋的無線應(yīng)變傳感器(如圖5所示)；所設(shè)計的惠斯通電橋包含溫度補償應(yīng)變片，以及粘貼在待測結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變測量應(yīng)變片；RFID標(biāo)簽與惠斯通電橋連接，采集輸出電壓并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絉FID閱讀器；閱讀器將惠斯通電橋輸出電壓傳輸給上位機，根據(jù)輸出電壓，計算應(yīng)變；在實驗室中與傳統(tǒng)的動靜態(tài)應(yīng)變測試儀測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)相對比，兩者應(yīng)變測試結(jié)果一致性較好，誤差約為50～90微應(yīng)變，驗證了所提設(shè)計傳感器的可靠性，可用于橋隧工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測中。

圖5 基于RFID技術(shù)和惠斯通電橋的無線應(yīng)變傳感器及其測量結(jié)果Fig.5Wireless strain sensor based on RFID technology and Wheatstone bridge with its measurement results

2.2 基于工作頻段的RFID應(yīng)變傳感器分類

根據(jù)RFID技術(shù)電磁波的工作頻率進(jìn)行分類，主要分為低頻、高頻、特高頻與超高頻等不同種類。Moss等[27]開發(fā)了一種125 kHz的低頻RFID無線應(yīng)變傳感器，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括RFID貼片元件和一個全橋或四分之一橋電阻應(yīng)變測量單元，前者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與無線發(fā)送，后者負(fù)責(zé)應(yīng)變信號感知。美國Phase IV工程公司[28]開發(fā)了一種超高頻RFID應(yīng)變傳感器(圖6)，由電阻應(yīng)變計、溫度補償板、天線、惠斯通電橋組成。通常RFID閱讀器與標(biāo)簽的識別距離隨著工作頻率的增加而變大：低頻RFID標(biāo)簽無線傳輸距離較近(小于10cm)，而超高頻與特高頻RFID技術(shù)傳輸距離可達(dá)幾十米，但能耗較高，通常設(shè)計為主動式或半主動式，備有外部電源(不同頻段RFID應(yīng)變傳感器無線數(shù)據(jù)傳輸范圍具體見表1)。

圖6 超高頻RFID應(yīng)變傳感器[28]Fig.6 UHF RFID strain sensor

表1 RFID應(yīng)變傳感器無線數(shù)據(jù)傳輸范圍Table1 Wireless data transmission ranges for RFID strain sensors

而為了解決傳輸距離與能源消耗這一矛盾，俞凱航等[29]進(jìn)行了高頻RFID閱讀器天線改良設(shè)計研究(如圖7)，提高無線射頻功率傳輸效率。研究表明功率傳輸效率與讀寫器天線線圈和標(biāo)簽天線線圈之間的耦合系數(shù)正相關(guān)。閱讀器天線的品質(zhì)因子(品質(zhì)因子越高表示天線的輻射效率越高)與天線的輻射效率成正相關(guān)。閱讀器天線在實際使用中各匝線圈會產(chǎn)生等效電容，降低其輻射能力。在實際傳感器設(shè)計過程，可以通過適當(dāng)增大閱讀器天線線圈尺寸或增加線圈匝數(shù)提升自感，增強耦合系數(shù)，進(jìn)而提升讀寫器天線輻射磁場的能力，以較低頻率獲取較遠(yuǎn)傳輸距離。

圖7 分布式天線模型及其表面磁場分布[29]Fig.7 Distributed antenna model and its surface magnetic field distribution

2.3 基于有無芯片的RFID應(yīng)變傳感器分類

在該類情況下，RFID應(yīng)變傳感器可分為有芯片[30-32]與無芯片[33-34]兩大類。有芯片RFID應(yīng)變傳感器通常包含調(diào)制電路，可開展一定數(shù)據(jù)處理、進(jìn)行信號調(diào)制，能較好區(qū)分標(biāo)簽反射信號與環(huán)境反射信號之間區(qū)別，因此該類傳感器抗環(huán)境干擾強、測量精度高、魯棒性較好，更適用于工程應(yīng)用場景。但其芯片成本相對較高，且將芯片鑲嵌到標(biāo)簽電路上制造工藝復(fù)雜繁瑣。因而研究者嘗試移除標(biāo)簽中硅芯片，探索無芯片RFID技術(shù)，突破傳統(tǒng)RFID技術(shù)局限，并在國內(nèi)外引起廣泛研究。無芯片RFID系統(tǒng)無數(shù)字芯片，故對應(yīng)的數(shù)字通信轉(zhuǎn)化協(xié)議也無需搭建，大大簡化了系統(tǒng)通信設(shè)計。無芯片RFID借助雷達(dá)通信數(shù)據(jù)傳輸原理，將標(biāo)簽所含信息加載于電磁信號中。其功能與條形碼類似，但具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域與商用市場。具體優(yōu)勢包含：無光環(huán)境可識別、成本更低、易于大規(guī)模生產(chǎn)、綠色環(huán)保。

無芯片RFID轉(zhuǎn)化為傳感器的技術(shù)潛力大，近些年發(fā)展了基于無芯片RFID的結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器[35-37]，無芯片標(biāo)簽主要利用材料的電磁特性，設(shè)計不同導(dǎo)體形式實現(xiàn)特定的電磁特性。該類傳感器可直接將感應(yīng)到的應(yīng)變信息編碼到標(biāo)簽反向散射信號中，RFID閱讀器獲取反射信號后，通過數(shù)據(jù)處理提取應(yīng)變信息特征參數(shù)，計算得到應(yīng)變數(shù)據(jù)。無芯片RFID應(yīng)變傳感器無需電子設(shè)備，故可在高溫環(huán)境中使用，如可監(jiān)測火災(zāi)環(huán)境下結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)。

此外，無芯片RFID應(yīng)變傳感器在印刷性、可打印性方面比傳統(tǒng)RFID應(yīng)變傳感器有較大優(yōu)勢，因此在無芯片RFID技術(shù)基礎(chǔ)上，衍生出可伸縮、可打印的RFID應(yīng)變傳感器[38-39]。比如基于LC諧振的無芯片RFID傳感器，可使用天線借助LC電路振蕩過程編碼應(yīng)變信息；利用導(dǎo)電材料可將基于LC諧振的無芯片RFID傳感器直接打印到柔性、可拉伸的傳感器亞層[38](如圖8)，由于LC諧振電路的幾何特性的調(diào)節(jié)，具有諧振頻率的可控性，測量因子(頻移/應(yīng)變)>為0.5，最大應(yīng)變極限>為20%。抑或直接印刷基于銀納米顆粒和多壁碳納米管復(fù)合材料的高伸縮RFID應(yīng)變傳感器[39](如圖9)，此類傳感器可用于可伸縮的工程結(jié)構(gòu)或電子設(shè)備中，通過實驗獲取了該RFID應(yīng)變傳感器標(biāo)簽的測量因子(頻移/應(yīng)變)為0.51。

3 結(jié)論

將RFID技術(shù)引入應(yīng)變傳感器的研發(fā)中，可實現(xiàn)無源、無線應(yīng)變測量。RFID應(yīng)變傳感器避免了傳統(tǒng)監(jiān)測中的大規(guī)模繁瑣布線工作，操作過程簡單，可提高監(jiān)測效率；成本低，經(jīng)濟性好；通過RFID電路優(yōu)化、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)保障其監(jiān)測精度，可滿足大多數(shù)土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測精度要求。目前，國內(nèi)外學(xué)者在基于RFID標(biāo)簽天線的應(yīng)變傳感技術(shù)與基于RFID標(biāo)簽與傳統(tǒng)應(yīng)變傳感單元相結(jié)合的應(yīng)變傳感技術(shù)兩種傳感器設(shè)計方法進(jìn)行了大量的研究；前者通過標(biāo)簽電學(xué)信號的改變反演出應(yīng)變數(shù)據(jù)，后者借助RFID標(biāo)簽實現(xiàn)應(yīng)變信號的無線傳輸。從RFID應(yīng)變傳感器工作頻段考慮，低頻RFID傳感器無線傳輸距離較近，而超高頻與特高頻RFID技術(shù)傳輸距離可達(dá)幾十米，但能耗較高，常需外部電源，仍需開發(fā)純被動式、無源高頻RFID應(yīng)變傳感器，比如利用整流天線技術(shù)或其他能量收集方法獲取環(huán)境中能量，實現(xiàn)高頻遠(yuǎn)距離的無線應(yīng)變傳輸。從有無芯片考慮，無芯片RFID應(yīng)變傳感器無需電子設(shè)備，故可在極端環(huán)境下運作如在高溫火災(zāi)環(huán)境中使用。未來仍需研究可打印式的無芯片RFID應(yīng)變傳感器，完善低成本、高產(chǎn)量、高集成度的傳感器制造技術(shù)。