Wireless passive RFID-based sensor for crack detection

• Autorzy: Lisowski M. , Uhl T.

Warianty tytułu

PL

Bezprzewodowy, pasywny czujnik uszkodzeń powierzchni oparty na technologii RFID

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the concept of an unpowered, wireless sensor based on RFID technology for detection of cracks in ceramic parts, plates and equipment. The main objectives of this work were to develop as cheap as possible, quantitative sensor without any power source, that would be also extremely simple and have possibly long lifecycle (theoretical infinite). This type of sensor could be used in Structural Health Monitoring, in tasks connected with crack detection in concrete structures and another tasks related to detection of damages in any ceramic parts (bulletproof vest plates, ceramic bearing, insulator in power engineering). Below we present the first stage of investigations (concept of sensor, choosing the way to design and calculate inductance of planar coil, simulation of the operating principle, making prototypes that check manufacturing possibilities).

PL

W artykule zaprezentowana została koncepcja bezprzewodowego czujnika opartego na technologii RFID, służącego do wykrywania uszkodzeń w elementach ceramicznych. Głównym celem pracy było zaprojektowanie możliwie taniego czujnika nie posiadającego własnego źródła zasilania, prostej zasadzie działania i jak najdłuższym cyklu życia (teoretycznie nieskończonym). Koncepcja czujnika opiera się na stworzeniu obwodu rezonansowego składającego się z cewki planarnej, nadrukowanej bezpośrednio na elemencie ceramicznym oraz kondensatora będącego integralną częścią chipu RFID. Pojawiające się uszkodzenie, przerywa ścieżki cewki, co prowadzi do braku sygnału zwrotnego w czytniku dostrojonym do określonej częstotliwości. Taki rodzaj czujnika mógłby być używany w zadaniach związanych z monitoringiem stanu konstrukcji oraz diagnostyką maszyn, w przypadku wykrywania uszkodzeń struktur betonowych (specjalne próbne płytki ceramiczne umieszczone bezpośrednio na/w konstrukcji) oraz innych zadaniach związanych z wykrywaniem uszkodzeń w dowolnych elementach ceramicznych (płytki używane w kamizelkach kuloodpornych, łożyska ceramiczne, izolatory używane w energetyce). Dużą zaletą czujnika jest fakt, że nie musi on być widoczny, może znajdować się w miejscach trudno dostępnych. W poniższym referacie zaprezentowane zostały rezultaty pierwszych badań nad czujnikiem tego typu (koncepcja projektowa czujnika, wybór sposobu zaprojektowania i obliczeń cewki planarnej, symulacja zasady działania, wykonanie wstępnych prototypów ukazujących możliwości produkcyjne takiego czujnika).

Słowa kluczowe

EN

wireless sensor; RFID; planar coil designing; SHM; concrete structure; ceramic crack detection

PL

czujnik bezprzewodowy; RFID; projektowanie cewki planarnej; SHM; konstrukcje betonowe; wykrywanie uszkodzeń ceramiki

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 58, nr 8
• Strony: 724--727
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Lisowski M.

autor

Uhl T.

• AGH University if Science and Technology, Department of Robotics and Mechatronics Cracow, Mickiewicza Av. 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Kurata N., Spencer B. F., Ruiz-Sandoval M.: Risk Monitoring of Buildings Using Wireless Sensor Network, in Struct. Control Health Monit. 2005; 12:315-327.
• [2] Puccinelli D., Haenggi M.: Wireless Sensor Networks Applications and Challenges of Ubiquitous Sensing, in Circuits and Systems Magazine, IEEE, 2005.
• [3] Lewis F. L.: Wireless Sensor Networks, in Smart Environments: Technologies, Protocols, and Applications ed. D. J. Cook and S. K. Das, John Wiley, New York, 2004.
• [4] Philipose M., Smith J. R., Jiang B., Mamishev A., Sumit Roy, Sundara-Rajan K.: Battery-Free Wireless Identification and Sensing, in Pervasive Computing, IEEE , Jan. - March 2005.
• [5] Finkenzeller K.: RFID Handbook, John Wiley & Sons Ltd, 2003, pp. 29.
• [6] Bhattacharyya R., Floerkemeier C., Sarma S.: Low-Cost, Ubiquitous RFID-Tag-Antenna-Based Sensing, in Proceedings of the IEEE , Sept. 2010.
• [7] Bhattacharyya R., Floerkemeier C., Sarma S.: Towards Tag Antenna Based Sensing - An RFID Displacement Sensor, in 2009 IEEE International Conference on RFID, April 2009.
• [8] Pasupathy P., Zhuzhou M., Neikirk D. P., Wood S. L.: Unpowered Resonant Wireless Sensor Nets for Structural Health Monitoring, in Sensors, 2008 IEEE.
• [9] Andringa M. M., Neikirk D. P., Dickerson N. P., Wood S. L.: Unpowered Wireless Corrosion Sensor for Steel Reinforced Concrete, in Sensors, 2005 IEEE.
• [10] Andringa M. M: Unpowered Wireless Sensors for Structural Health Monitoring, Dissertation in UT Electronic Theses and Dissertations, 2006.
• [11] Sample A. P., Yeager D. J., Powledge P. S., Mamishev A. V., Smith J. R.: Design of an RFID-Based Battery-Free Programmable Sensing Platform, in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , Nov. 2008.
• [12] Joshua R. Smith, Alanson P. Sample, Pauline S. Powledge, Sumit Roy and Alexander Mamishev: A Wirelessly-Powered Platform for Sensing and Computation, Ubicomp 2006.
• [13] Philipose M., Smith J. R., Jiang, B., Mamishev A., Sumit Roy, Sundara-Rajan K.: Battery-Free Wireless Identification and Sensing, in Pervasive Computing, IEEE, Jan. - March 2005.
• [14] Palmer C., Gutterman A., Argenna G., Inclan V. and Zyuzin A.: Wireless, Batteryless Distributed Strain Sensing for Structural Health Monitoring.
• [15] Rudie Oldenzijl, Gregory Gaitens and Douglass Dixon: Conduct Radio Frequencies with Inks, in Radio Frequency Identification Fundamentals and Applications Design Methods and Solutions, edited by: Cristina Turcu, InTech, February 2010.
• [16] Steven K. Volkman, Yunan Pei, David Redinger, Shong Yin and Vivek Subramanian: Ink-jetted Silver/Copper conductors for printed RFID applications, in Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 814 © 2004 Materials Research Society.
• [17] Nikitin P. V., Lam S., Rao K. V. S.: Low Cost Silver Ink RFID Tag Antennas, in Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005 IEEE.
• [18] Douglas Brooks: Skin effect, in Printed Circuit Design and Manufacturing, UP Media, in December, 2009, UltraCAD Design, Inc.
• [19] Leung S. Y. Y., Lam D. C. C.: Geometric and Compaction Dependence of Printed Polymer-Based RFID Tag Antenna Performance, in IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, April 2008.
• [20] Kuhn W. B., Ibrahim N. M.: Analysis of current crowding effects in multiturn spiral inductors, in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Jan 2001.
• [21] Kawabe K., Koyama H., Shirae K.: Planar inductor, in IEEE Transactions on Magnetics, Sep. 1984.
• [22] Salleh S., Salleh K., Hashim M. F., Majid Z. A.: Design and analysis of 13.56MHz RFID antenna based on modified wheeler equation: A practical approach, in 2010 Intl Conf on Electronic Devices, Systems and Applications (ICEDSA).
• [23] AN2972 Application note - Designing an antenna for the M24LR64-R dual interface I2C/RFID device, © 2009 STMicroelectronics.
• [24] microID® 13.56 MHz RFID System Design Guide, DS21299E, © 2004 Microchip Technology Inc.
• [25] http://www.eres.alpha.pl/elektronika/articles.php?article_id=18 Cewki i dławiki.
• [26] AC/DC Module- Model Library, ver. October 2007, © COPYRIGHT 1994-2007 by COMSOL AB.
• [27] Koprowski Jan: Elektrodynamika falowa, © Wydawnictwa AGH, Kraków 2009, ISSN 0239-6114.
• [28] RFID Transponder operating at 13.56 MHz, © 2012 CST AG - http://www.cst.com