一种基于贴片天线的无源无线倾斜监测装置
阅读说明：本技术 一种基于贴片天线的无源无线倾斜监测装置 (Passive wireless inclination monitoring device based on patch antenna ) 是由 谢丽宇 郑志泉 薛松涛 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于贴片天线的无源无线倾斜监测装置,包括标签和阅读器,标签包括固定组件和活动组件,活动组件包括第一介质板以及设置在第一介质板上的第一贴片,固定组件包括第二贴片、第二介质板、微带馈电线、芯片和地平面,第二贴片、微带馈电线和芯片依次连接,且设于第二介质板其中一侧表面上,地平面设于第二介质板另一侧表面上,第一贴片和第二贴片的形状为扇环形,第二贴片和第二介质板面对面同心设置,第一介质板绕第二贴片圆心转动设置在第二介质板上,标签竖直设置在被测物上。与现有技术相比,本发明实现了无线无源检测,结构简单,安装简便,受外界干扰小,使用寿命长,成本低,可准确定位。(The invention relates to a passive wireless inclination monitoring device based on a patch antenna, which comprises a tag and a reader, wherein the tag comprises a fixed component and a movable component, the movable component comprises a first dielectric plate and a first patch arranged on the first dielectric plate, the fixed component comprises a second patch, a second dielectric plate, a microstrip feed line, a chip and a ground plane, the second patch, the microstrip feed line and the chip are sequentially connected and arranged on one side surface of the second dielectric plate, the ground plane is arranged on the other side surface of the second dielectric plate, the first patch and the second patch are in fan-ring shapes, the second patch and the second dielectric plate are arranged in a face-to-face concentric mode, the first dielectric plate is rotatably arranged on the second dielectric plate around the circle center of the second patch, and the tag is vertically arranged on a measured object. Compared with the prior art, the wireless passive detection device has the advantages of wireless passive detection, simple structure, convenience in installation, small interference from the outside, long service life, low cost and capability of accurate positioning.)
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域，尤其是涉及一种基于贴片天线的无源无线倾斜监测装置。
背景技术
在结构健康监测领域，倾角是建筑健康监测的重要参数。目前常见的倾斜传感器可分为机械式、电子式和光纤式。
机械式倾斜传感器具有易于设计、成本低、性能可靠和测量数据直观等优点，但机械式倾斜传感器的使用范围有限，测量范围小，且与网络连接困难，难以实现实时监测。电子式传感器和光纤式传感器具有集成度高、精度高和易于连接网络的优点，能够实现建筑倾斜的远程和实时监测。但这电子式传感器和光纤式传感器都需要连接电线或者光纤来获得能量或者传输信号，测点较多时布线困难，另外在遭遇灾害时，线路易于受到破坏，导致传感器失效。
发明内容
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贴片天线的无源无线倾斜监测装置，实现无线无源检测，结构简单，安装简便，受外界干扰小，使用寿命长，成本低，可准确定位。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于贴片天线的无源无线倾斜监测装置，用于测量被测物的倾斜度，包括标签和阅读器，所述的标签包括固定组件和活动组件，所述的活动组件包括第一介质板以及设置在第一介质板上的第一贴片，所述的固定组件包括第二贴片、第二介质板、微带馈电线、芯片和地平面，所述的第二贴片、微带馈电线和芯片依次连接，且设于第二介质板其中一侧表面上，所述的地平面设于第二介质板另一侧表面上，所述的第一贴片和第二贴片的形状为扇环形，所述的第二贴片和第二介质板面对面同心设置，所述的第一介质板绕第二贴片圆心转动设置在第二介质板上，所述的标签竖直设置在被测物上；
当第一贴片和第二贴片处于重叠状态时，第一贴片的环向长度和第二贴片的环向长度之和减去二者重叠部分的长度即为贴片天线的谐振长度，当第一贴片和第二贴片不再重叠时，所述的贴片天线的谐振长度为第二贴片的环向长度；
所述的阅读器以不同的频率向标签发射电磁波信号，当标签接收到的信号功率达到阈值时，所述的芯片即可被激活，激活芯片所需的阅读器最小发射频率与阅读器所发射信号频率有关，所述的第一贴片和第二贴片构成一个贴片天线，当阅读器以贴片天线的谐振频率发射信号时，激活芯片所需的发射功率最小，通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出标签中贴片天线的谐振频率；
所述的活动组件可自由旋转，在重力的作用下，其圆心与重心的连线始终保持竖直，因此被测物的倾斜会使得第一贴片和第二贴片发生相对旋转，重叠度发生变化，使得贴片天线的谐振长度发生变化，进而导致贴片天线的谐振频率发生漂移，所述的贴片天线的谐振频率的漂移量和倾斜角度大小在固定范围内有明确的关系，根据贴片天线谐振频率变化求得被测物的倾斜角度变化，实现对被测物的倾斜监控；
所述的倾斜监测装置可以感知倾角变化，可以同时可实现无线检测，所述的倾斜监测装置可通过电磁波激活，不需要额外的电源，实现无源检测，所述的芯片存储有贴片天线的标签编号和位置信息，所述的芯片被激活后，所述的标签中的贴片天线会产生电流，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，可以得到被测物的位置和倾斜状态信息；
所述的倾斜监测装置的结构简单，体积小，寿命长，安装简便，制作成本低。
进一步地，所述的第一贴片的内圆弧半径和外圆弧半径分别和第二贴片的内圆弧半径和外圆弧半径相同。
进一步地，所述的被测物的倾斜角度的计算公式为：
其中，Δθ为被测物的倾斜角度，c为真空中光速，ε为第二介质板的相对介电常数，L2为第一贴片的中线的环向长度，L4为第二贴片的中线的环向长度，L0为第一贴片和第二贴片的中线的初始环向重叠长度，R为第一贴片和第二贴片的中线的半径。
进一步地，所述的第二介质板为环形。
进一步地，所述的第二介质板和第二贴片同心设置。
进一步地，所述的第一介质板为扇形。
进一步地，所述的第一介质板和第一贴片同心设置，安装简便，同时保证第一贴片和第二贴片绕同一圆心相对转动。
进一步地，还包括销钉，所述的第一介质板的圆心端设有固定环，检测时所述的销钉穿过固定环，并插在被测物上，安装简便。
进一步地，所述的第一贴片、第二贴片、微带馈电线和地平面的材料为黄铜。
进一步地，所述的第一介质板和第二介质板的材料为RT5880。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明标签竖直设置在被测物上，第一贴片和第二贴片构成一个贴片天线，阅读器以不同的频率向标签发射电磁波信号，当标签接收到的信号功率达到阈值时，芯片即可被激活，被测物的倾斜会使得第一贴片和第二贴片发生相对旋转，使得贴片天线的谐振长度发生变化，进而导致贴片天线的谐振频率发生漂移，通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出标签中贴片天线的谐振频率，根据贴片天线谐振频率变化求得被测物的倾斜角度变化，实现对被测物的倾斜监控，本发明倾斜监测装置将被测物的倾斜角度信息转换为电磁波信号，不需要额外的电源，实现无线无源检测，结构简单，安装简便，受外界干扰小，使用寿命长，同时制作成本低，降低了倾斜监测的成本；
(2)本发明芯片存储有贴片天线的标签编号和位置信息，芯片被激活后，标签中的贴片天线会产生电流，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，可以得到被测物的位置和倾斜状态信息；
(3)本发明第二介质板为环形，第二介质板和第二贴片同心设置，第一介质板为扇形，第一介质板和第一贴片同心设置，安装简便，同时保证第一贴片和第二贴片绕同一圆心相对转动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为标签的结构示意图；
图3为固定组件的结构示意图；
图4为第二介质板的结构示意图；
图5为地平面的位置示意图；
图6为活动组件的结构示意图；
图7为第一介质板的结构示意图；
图中标号说明：
1.标签，2.被测物，3.阅读器，4.第一介质板，5.第一贴片，6.第二贴片，7.第二介质板，8.微带馈电线，9.芯片，10.固定环，11.销钉，12.地平面。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于贴片天线的无源无线倾斜监测装置，用于测量被测物2的倾斜度，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，包括标签1和阅读器3，标签1包括固定组件和活动组件，活动组件包括第一介质板4以及设置在第一介质板4上的第一贴片5，固定组件包括第二贴片6、第二介质板7、微带馈电线8、芯片9和地平面12，第二贴片6、微带馈电线8和芯片9依次连接，且设于第二介质板7其中一侧表面上，地平面12设于第二介质板7另一侧表面上，第一贴片5和第二贴片6的形状为扇环形，第二贴片6和第二介质板7面对面同心设置，第一介质板4绕第二贴片6圆心转动设置在第二介质板7上，标签1竖直设置在被测物2上；
阅读器3以不同的频率向标签1发射电磁波信号，当标签1接收到的信号功率达到阈值时，芯片9即可被激活，激活芯片9所需的阅读器最小发射频率与阅读器所发射信号频率有关，第一贴片5和第二贴片6构成一个贴片天线，当阅读器以贴片天线的谐振频率发射信号时，激活芯片9所需的发射功率最小，通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出标签1中贴片天线的谐振频率；
活动组件可自由旋转，在重力的作用下，其圆心与重心的连线始终保持竖直，因此被测物2的倾斜会使得第一贴片5和第二贴片6发生相对旋转，重叠度发生变化，使得贴片天线的谐振长度发生变化，进而导致贴片天线的谐振频率发生漂移，贴片天线的谐振频率的漂移量和倾斜角度大小在固定范围内有明确的关系，根据贴片天线谐振频率变化求得被测物的倾斜角度变化，实现对被测物的倾斜监控；
倾斜监测装置可以感知倾角变化，可以同时可实现无线检测，倾斜监测装置可通过电磁波激活，不需要额外的电源，实现无源检测，芯片存储有贴片天线的ID和位置信息，芯片被激活后，标签中的贴片天线会产生电流，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，可以得到被测物的位置和倾斜状态信息；
倾斜监测装置的结构简单，制作成本低。
第一贴片5的内圆弧半径和外圆弧半径分别和第二贴片6的内圆弧半径和外圆弧半径相同。
被测物2的倾斜角度的计算公式为：
其中，Δθ为被测物2的倾斜角度，c为真空中光速，ε为第二介质板7的相对介电常数，L2为第一贴片5的中线的环向长度，L4为第二贴片6的中线的环向长度，L0为完成安装时第一贴片5和第二贴片6的中线的初始环向重叠长度，R为第一贴片5和第二贴片6的中线的半径。
第二介质板7为环形，第二介质板7和第二贴片6同心设置，第一介质板4为扇形，第一介质板4和第一贴片5同心设置，安装简便，同时保证第一贴片5和第二贴片6绕同一圆心相对转动。
倾斜监测装置还包括销钉11，第一介质板4的圆心端设有固定环10，检测时销钉11穿过固定环10，并插在被测物2上，安装简便。
第一贴片5、第二贴片6、微带馈电线8和地平面12的材料为黄铜，第一介质板4和第二介质板7的材料为RT5880。
本实施例提出了一种基于贴片天线的无源无线倾斜监测装置，第一贴片5和第二贴片6构成一个贴片天线，被测物2的倾斜会引起贴片天线的谐振频率发生漂移，阅读器3通过检测谐振频率发生漂移，计算被测物2的倾斜角度改变量，实现无线无源监测，倾斜监测装置结构简单，安装简便，受外界干扰小，使用寿命长，同时制作成本低，降低了倾斜监测的成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
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