本发明属于结构健康监测领域，具体涉及一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器和监测系统。
背景技术：
1、土木工程结构具有使用周期长，使用环境复杂的特点，越来越多土木工程结构不可避免地会出现损伤积累，进一步导致使用性能劣化、耐久性降低、承载力下降等情况，从而形成巨大的安全隐患。因此，为了有效地监测结构在施工和运行过程中的健康状况，结构健康监测系统为土木工程结构提供了必要的保障和支持，传感器是结构健康监测系统的核心组成部分之一，承担着数据采集和监测的任务。
2、目前，常用的基于电阻式、振弦式、光纤式等利用电学特性或光学原理来监测结构性能参数的传感器，具有高精度、实时性和长期稳定性的特点。然而，这些传感器多只针对某一特定参数量进行监测，难以实现多个参数量的同时监测，限制了其在结构健康监测领域中的应用。而且，这些传感器通常需要有线连接，在应用时存在大量布线的问题，导致了大量人力物力和使用维护成本的投入。
技术实现思路
1、本发明提供一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器和监测系统，能够监测结构两个方向的形变和温度，且结构简单、成本低廉，解决了传统传感器只针对某一特定参数量进行监测，需要有线连接来传输信号和能量等问题。
2、本发明专利的技术方案如下：
3、本发明涉及一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器，包括主贴片天线，横向形变附加贴片，纵向形变附加贴片，射频芯片，垫高层，横向连接件和纵向连接件，所述垫高层底部与结构表面粘贴连接，上部与主贴片天线粘贴连接，所述横向连接件一端与结构表面粘贴连接，另一端与横向形变附加贴片固接，所述纵向连接件一端与结构表面粘贴连接，另一端与纵向形变附加贴片固接，所述横向形变附加贴片和纵向形变附加贴片与主贴片天线紧密接触，但不固接，可产生相对位移，所述射频芯片与主贴片天线焊接连接。
4、所述横向连接件与横向形变附加贴片刚性连接，并粘贴于主贴片天线横向方向附近结构表面，所述纵向连接件与纵向形变附加贴片刚性连接，并粘贴于主贴片天线纵向方向附近结构表面，所述两附加贴片的辐射贴片与主贴片天线的上辐射贴片紧密接触，可以相互错动发生相对位移，所述射频芯片焊接在主贴片天线上，所述垫高层下部粘贴于结构表面，且上部与主贴片天线粘贴连接。
5、进一步的，所述主贴片天线由上辐射贴片、介质基板、下辐射贴片和射频芯片构成，所述馈电线，温度对应枝节、横向形变对应枝节和纵向形变对应枝节为主贴片天线的上辐射贴片，射频芯片焊接在馈电线上，接地面为主贴片天线的下辐射贴片，所述横向形变对应枝节采用弯折设计，减少了主贴片天线1尺寸，接地面未全覆盖介质基板底部，不具有抗金属设计，故需要垫高层增加与结构表面的距离。
6、进一步的，所述横向形变附加贴片由横向形变附加贴片辐射贴片和横向形变附加贴片介质基板构成，所述横向形变附加贴片辐射贴片与主贴片天线的横向形变对应枝节紧密接触，所述横向形变附加贴片介质基板与横向连接件一端固接。
7、进一步的，所述纵向形变附加贴片由纵向形变附加贴片辐射贴片和纵向形变附加贴片介质基板构成，所述纵向形变附加贴片辐射贴片与主贴片天线的纵向形变对应枝节紧密接触，所述高频枝节附加贴片介质基板与纵向连接件一端固接。
8、进一步的，所述垫高层在结构表面与主贴片天线中间，材质为塑料或木材。
9、进一步的，所述横向、纵向形变附加贴片仅有一面有辐射贴片，且辐射贴片宽度与主贴片天线上对应枝节的宽度相等，所述辐射贴片通过电镀贴合于外接附加贴片一面。
10、进一步的，所述主贴片天线辐射贴片、横向形变附加贴片辐射贴片及纵向形变附加贴片辐射贴片材质均为铜，所述主贴片天线介质基板、横向形变附加贴片介质基板及纵向形变附加贴片介质基板材质均为fr4。
11、本发明提供一种利用上述一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器进行监测的方法，当结构表面发生形变时，与结构表面相连接的横向连接件及纵向连接件会发生横向及纵向变形：
12、横向变形带动横向形变附加贴片与主贴片天线之间发生横向相对位移，从而改变多频组合式天线对应枝节等效长度，引起多频组合式贴片天线其中一个谐振频率改变；
13、纵向变形带动纵向形变附加贴片与主贴片天线之间发生纵向相对位移，从而改变多频组合式天线与之对应枝节等效长度，引起多频组合式贴片天线的另一个谐振频率改变，通过监测对应枝节谐振频率的改变，实现对结构双向形变的监测。
14、进一步的，所述传感器具有三个谐振频率，且分别对应天线的三个枝节，横向、纵向形变附加贴片的移动仅改变与之相对应枝节的谐振频率，而不影响其他枝节所对应的谐振频率，因此传感器的两个枝节通过附加贴片的移动影响两个谐振频率，用来监测结构的双向应变，余下的一个枝节由于没有外接附加贴片，故影响该枝节谐振频率的因素为温度，通过测量温度对应枝节的谐振频率，可以实现结构表面温度的监测。
15、进一步的，当结构发生双向形变及温度变化时，利用三个谐振频率来进行监测和解耦，通过其中一个谐振频率来监测温度，并通过温度补偿来修正另外两个谐振频率，来实现对结构双向形变的准确监测。
16、本发明提供一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变和温度监测系统，包括上述基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器、阅读器和应用软件系统。
17、进一步的，所述阅读器包括射频信号收发模块、控制模块和调制解调模块，所述射频信号收发模块用于发射和接收射频信号，调制解调模块用于对接收的射频信号进行解调处理，控制模块用于调制电磁波信号发射不同频率的射频信号。
18、进一步的，所述应用软件系统由控制模块、数据处理模块和数据存储模块构成，所述阅读器与传感器之间通过电磁波信号进行信号无线传输，所述阅读器与应用软件系统连接，进行数据传输。所述数据处理模块用于处理射频信号得到组合式贴片天线谐振频率的偏移量，所述数据储存模块用于储存收发和处理后的射频信号，所述控制模块用于控制阅读器收发信号的频率区间。
19、该监测系统工作时，所述阅读器发射问询信号激活射频芯片，并接收芯片发射回的射频信号传输给相连接的应用软件系统，应用软件系统对射频信号进行处理分析，得到组合式贴片天线传感器的三个谐振频率，从而获取温度变化及对应外接附加贴片的变形量，实现结构双向形变及温度的监测。
20、当射频芯片接收到问询信号被激活后，所述传感器发射包含天线编号和天线电学特性的电磁波信号，所属阅读器接收该信号并传输至应用软件系统，应用软件系统对信号进行处理可以获取传感器的位置定位和测量参数。
21、本发明相对于现有技术，具有如下有益技术效果：
22、1、本发明设计的形变及温度传感器中主贴片天线采用分支结构，可以根据需要对枝节的尺寸和位置进行灵活调整，从而实现对多个频段的覆盖。这种设计灵活性使得传感器在应对多样化和复杂化的设计需求时更具优势，所设计的传感器尺寸小，灵敏度高。
23、2、本发明中的形变及温度传感器，未外接附加贴片的枝节的谐振频率仅受温度影响，有外接附加贴片的枝节除温度影响外，还受外接附加贴片变形量的影响，且外接附加贴片的移动仅影响天线对应枝节谐振频率的变化，通过监测传感器三个谐振频率的偏移量，可以实现结构双向形变及温度的同步监测。
24、3、本发明中形变及温度传感器结构简单，成本低廉，且通过阅读器为射频芯片提供能量，同时监测系统间通过电磁波信号进行信息传输，实现传感器无线无源监测，无需布线的同时提高了传感器节点布置的灵活性，大大降低了监测系统的成本并提高了系统的适用性。
25、4、本发明中传感器采用组合式贴片天线形式，通过附加贴片的移动来实现结构形变的监测，传感器本身不受到应力的作用，可以避免在结构形变监测中存在变形传递效率损耗和粘贴强度不足的问题，提高了结构形变监测的准确度。
1.一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器，其特征在于，包括主贴片天线(1)，横向形变附加贴片(2)，纵向形变附加贴片(3)，射频芯片(4)，垫高层(5)，横向连接件(6)和纵向连接件(7)，所述垫高层(5)底部与结构表面(8)粘贴连接，上部与主贴片天线(1)粘贴连接，所述横向连接件(6)一端与结构表面(8)粘贴连接，另一端与横向形变附加贴片(2)固接，所述纵向连接件(7)一端与结构表面(8)粘贴连接，另一端与纵向形变附加贴片(3)固接，所述横向形变附加贴片(2)和纵向形变附加贴片(3)与主贴片天线(1)紧密接触，但不固接，可产生相对位移，所述射频芯片(4)与主贴片天线(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器，其特征在于，主贴片天线由上辐射贴片、介质基板(105)、下辐射贴片和射频芯片(4)构成，所述馈电线(101)，温度对应枝节(102)、横向形变对应枝节(103)和纵向形变对应枝节(104)为主贴片天线(1)的上辐射贴片，射频芯片(4)焊接在馈电线(101)上，接地面(106)为主贴片天线(1)的下辐射贴片，所述横向形变对应枝节(103)采用弯折设计。
3.根据权利要求1所述的一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器，其特征在于，所述横向形变附加贴片(2)由横向形变附加贴片辐射贴片(201)和横向形变附加贴片介质基板(202)构成，所述横向形变附加贴片辐射贴片(201)与主贴片天线(1)的横向形变对应枝节(103)紧密接触，所述横向形变附加贴片介质基板(202)与横向连接件(6)一端固接。
4.根据权利要求1所述的一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器，其特征在于，所述纵向形变附加贴片(3)由纵向形变附加贴片辐射贴片(301)和纵向形变附加贴片介质基板(302)构成，所述纵向形变附加贴片辐射贴片(301)与主贴片天线(1)的纵向形变对应枝节(104)紧密接触，所述纵向形变附加贴片介质基板(302)与纵向连接件(7)一端固接。
5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器进行监测的方法，其特征在于，当结构表面发生形变时，与结构表面相连接的横向连接件(6)及纵向连接件(7)会发生横向及纵向变形：
6.根据权利要求5所述的监测的方法，其特征在于，所述传感器具有三个谐振频率，且分别对应天线的三个枝节，横向、纵向形变附加贴片的移动仅改变与之相对应枝节的谐振频率，而不影响其他枝节所对应的谐振频率，因此传感器的两个枝节通过附加贴片的移动影响两个谐振频率，用来监测结构的双向应变，余下的一个枝节由于没有外接附加贴片，故影响该枝节谐振频率的因素为温度，通过测量温度对应枝节的谐振频率，可以实现结构表面温度的监测。
7.根据权利要求5所述的监测的方法，其特征在于，当结构发生双向形变及温度变化时，利用三个谐振频率来进行监测和解耦，通过其中一个谐振频率来监测温度，并通过温度补偿来修正另外两个谐振频率，来实现对结构双向形变的准确监测。当测量到的三个枝节的谐振频率变化分别为δf102、δf103和δf104，与温度变化δt、横向形变和纵向形变之间的对应关系为：δt＝k102温δf102、δl横＝k103形(δf103-δt/k103温)、δl纵＝k104形(δf104-δt/k104温)；其中k102温、k103温及k104温分别为安装前标定得到的温度对应枝节(102)、横向形变对应枝节(103)和纵向形变对应枝节(104)的谐振频率变化与温度变化的对应关系，k103形与k104形为安装前标定得到的横向形变对应枝节(103)和纵向形变对应枝节(104)的谐振频率变化与形变的对应关系，通过对应公式可以实现对结构温度和双向形变的同步监测。
8.一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变和温度监测系统，其特征在于，包括上述权利要求1-4中任一项所述的基于多频组合式贴片天线结构双向形变及温度传感器、阅读器(9)和应用软件系统(10)。
9.根据权利要求8所述的一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变和温度监测系统，其特征在于，所述阅读器(9)由射频信号收发模块、控制模块和调制解调模块构成。
10.根据权利要求8所述的一种基于多频组合式贴片天线结构双向形变和温度监测系统，其特征在于，所述应用软件系统(10)由控制模块、数据处理模块和数据存储模块构成，所述阅读器(9)与传感器之间通过电磁波信号进行信号无线传输，所述阅读器(9)与应用软件系统(10)连接，进行数据传输。
