一种基于射频调制的应变监测装置及方法与流程

本申请涉及结构健康监测领域，特别是涉及一种基于射频调制的应变监测装置及方法。

背景技术：

1、大型长跨度工程结构（如桥梁、输电塔、长线管道、大型坝体等）在长期服役过程中，其关键部位的应力应变状态是评估结构安全性和服役寿命的重要指标。因此，对该类结构进行长期、稳定的应变监测具有重要的工程意义。

2、目前的应变检测传感器多采用有线布线方式，依赖电缆进行信号传输和供电。然而，对于跨度达数百米乃至数公里的超长结构，有线布设不仅施工难度大、成本高昂，且线缆本身易受地形、阻隔结构和环境侵蚀影响，长期服役可靠性差。为解决布线难题，部分方案尝试采用近距离蓝牙或短距离物联网传输方式，但此类无线方案的传输距离通常仅为数米至数十米，且需要长期供电，仍无法满足大型长跨度工程的远距离布设要求。

3、在无源无线应变测量方面，现有技术主要基于近场电磁耦合或传统无源rfid原理。其中，近场电磁耦合方式依赖线圈间的互感作用，其有效测量距离仅限于厘米级，仅适用于极近距离的传感场景；传统超高频远距离无源rfid应变传感采用收发同频的后向散射通信方式，收发信号同频导致发射机的强载波信号极易淹没微弱的回波信号，系统抗干扰能力差，且反射信号随距离增加呈四次方衰减，有效测量距离通常仅10米以内。上述局限性使得现有技术难以兼顾“无源无线”与“远距离高精度监测”的双重需求，制约了其在大型工程分布式长期监测中的应用。因此，亟需一种能够实现百米级以上无源无线应变监测的技术方案。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种基于射频调制的应变监测装置及方法，可提升应变监测距离并保证微应变级高精度与长期稳定性，同时降低施工维护成本。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种基于射频调制的应变监测装置，包括：

4、无线电射频发射模块，用于向外发射射频电磁波，同时采集混频电磁波，并根据所述射频电磁波及所述混频电磁波确定机械结构监测位置处的应变信息；

5、射频应力传感器模块，用于接收所述射频电磁波，基于所述射频电磁波将机械结构监测位置处的应变转换为振荡频率偏移电信号，得到携带应变信息的混频电磁波，并向外发射所述混频电磁波。

6、在一实施方式中，所述射频应力传感器模块包括：无线取电单元、振荡传感单元及无线混频单元；所述无线取电单元用于接收所述射频电磁波，并产生电源为所述振荡传感单元供电；在所述无线混频单元有源时，所述无线取电单元还用于为所述无线混频单元供电；所述振荡传感单元固定在机械结构的监测位置处，所述振荡传感单元用于在所述监测位置处发生形变时，将监测位置处的应变转换为振荡频率偏移电信号；所述无线混频单元用于所述振荡频率偏移电信号与所述射频电磁波进行混频，得到携带应变信息的混频电磁波，并向外发射所述混频电磁波。

7、在一实施方式中，所述无线取电单元包括依次连接的第一接收天线、阻抗匹配网络及整流电路；所述第一接收天线接收所述射频电磁波后，经所述阻抗匹配网络传输至所述整流电路，由所述整流电路将电磁交流电整流为直流电，为所述振荡传感单元供电，并在所述无线混频单元有源时为所述无线混频单元供电。

8、在一实施方式中，所述第一接收天线的接收频率与所述无线电射频发射模块的发射频率相同。

9、在一实施方式中，所述无线取电单元还包括滤波平滑电路；所述滤波平滑电路连接于所述整流电路的输出端，用于对整流后的直流电进行滤波平滑处理。

10、在一实施方式中，所述振荡传感单元将所述无线取电单元产生的电源加载到谐振器件上，产生窄频振荡，当所述监测位置处发生形变时，所述谐振器件因受力而发生振荡频率偏移，以得到振荡频率偏移电信号。

11、在一实施方式中，所述无线混频单元包括依次连接的第二接收天线、混频电路及发射天线；所述第二接收天线用于接收所述无线电射频发射模块发射的射频电磁波；所述混频电路用于将所述振荡频率偏移电信号与所述射频电磁波进行混频，得到携带应变信息的混频电磁波；所述发射天线用于向外发射所述混频电磁波。

12、在一实施方式中，所述第二接收天线的接收频率与所述无线电射频发射模块的发射频率相同。

13、在一实施方式中，所述无线取电单元收到的射频电磁波的频率为f0，所述振荡传感单元产生的振荡频率偏移电信号的频率为f1，所述混频电磁波的频率为f0-f1和/或f0+f1；所述发射天线发射的频率为f0-f1和/或f0+f1。

14、第二方面，本申请提供了一种基于射频调制的应变监测方法，包括：

15、通过无线电射频发射模块向外发射射频电磁波；

16、通过射频应力传感器模块接收所述射频电磁波，基于所述射频电磁波将机械结构监测位置处的应变转换为振荡频率偏移电信号，得到携带应变信息的混频电磁波，并向外发射所述混频电磁波；

17、通过无线电射频发射模块采集所述混频电磁波，并根据所述射频电磁波及所述混频电磁波确定机械结构监测位置处的应变信息。

18、根据本申请提供的具体实施例，本申请具有了以下技术效果：通过将结构应变映射为石英晶体频率偏移量，并利用无源混频生成混频信号，该混频信号为低频窄带波，绕射穿透能力强，且频率远离发射机高频载波，有效避开了同频强信号干扰，使得无源监测距离从传统方案的数米至数十米大幅提升至数百米乃至公里级，完全满足大型长跨度工程的远距离布设需求。并且在测量精度与长期可靠性方面，本申请摒弃了传统易受干扰的幅度型测量，转而采用频率型测量，应变信息完全体现在谐振器件的频率偏移量上，不受信号衰减、环境遮挡及外部电磁干扰的影响，能够在微应变级别下实现精准识别，保证了长期服役过程中的高重复性与稳定性。最后，在系统功耗与工程适用性上，传感端无需内置电池、无需有源芯片及复杂控制电路，完全依靠空间射频能量取电和无源混频实现无源工作，真正做到了全节点免布线、免维护，可长期预埋于结构内部或部署于高空野外，大幅降低了全生命周期的施工与运维成本，尤其适用于桥梁、大坝、输电塔和长线管道等跨度大、布设分散的工程监测场景。

1.一种基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述射频应力传感器模块包括：无线取电单元、振荡传感单元及无线混频单元；

3.根据权利要求2所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述无线取电单元包括依次连接的第一接收天线、阻抗匹配网络及整流电路；

4.根据权利要求3所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述第一接收天线的接收频率与所述无线电射频发射模块的发射频率相同。

5.根据权利要求3所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述无线取电单元还包括滤波平滑电路；所述滤波平滑电路连接于所述整流电路的输出端，用于对整流后的直流电进行滤波平滑处理。

6.根据权利要求2所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述振荡传感单元将所述无线取电单元产生的电源加载到谐振器件上，产生窄频振荡，当所述监测位置处发生形变时，所述谐振器件因受力而发生振荡频率偏移，以得到振荡频率偏移电信号。

7.根据权利要求2所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述无线混频单元包括依次连接的第二接收天线、混频电路及发射天线；

8.根据权利要求7所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述第二接收天线的接收频率与所述无线电射频发射模块的发射频率相同。

9.根据权利要求7所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述无线取电单元收到的射频电磁波的频率为f0，所述振荡传感单元产生的振荡频率偏移电信号的频率为f1，所述混频电磁波的频率为f0-f1和/或f0+f1；所述发射天线发射的频率为f0-f1和/或f0+f1。

10.一种基于射频调制的应变监测方法，应用权利要求1-9中任一项所述的基于射频调制的应变监测装置，其特征在于，所述方法包括：