Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt" được thực hiện nhằm nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc cảm biến SAW đến biên độ sóng phản xạ; xây dựng phương pháp tính toán góc pha của tín hiệu phản xạ; xây dựng thuật toán đọc thông tin phản hồi đồng thời từ các cảm biến thành phần trong hệ đa cảm biến SAW đường trễ phản xạ (Reflective Delay Lines-RDL) được mã hóa theo phương pháp tần số trực giao (Orthogonal Frequency Coding-OFC).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU HÀ NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG KHÔNG DÂY DẠNG SÓNG ÂM BỀ MẶT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU HÀ NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG KHÔNG DÂY DẠNG SÓNG ÂM BỀ MẶT Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS HOÀNG SĨ HỒNG 2. TS. CUNG THÀNH LONG Hà Nội - 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và TS. Cung Thành Long. Tất cả các tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Hoàng Sĩ Hồng TS. Cung Thành Long Nguyễn Thu Hà i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án: “Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt”, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn, những động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện của các thầy cô, các nhà khoa học trong các nhóm nghiên cứu Lý thuyết mạch, Đo lường, Điện tử và Vi xử lý thuộc khoa Tự động hóa. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành về sự quan tâm giúp đỡ đầy quý báu đó. Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên Lab Mandevices trường Điện-Điện tử, viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà nội đã góp ý, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian vừa qua. Được làm việc với hai thầy hướng dẫn là PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và TS. Cung Thành Long là một điều tuyệt vời. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, theo sát và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, bạn bè, đồng nghiệp nơi tôi công tác là bộ môn Điều khiển và Tự động hóa, khoa Điện, trường Đại học Công nghiệp Hà nội đã tạo điều kiện, hỗ trợ, động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ từ Viện Ứng dụng công nghệ và các cán bộ tham gia đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống giám sát tự động các điểm phát nhiệt trong các tủ kín sử dụng cảm biến sóng âm bề mặt" theo hợp đồng số 15/2021/HĐ–ĐTCB ngày 10/06/2021 đã giúp tôi trong quá trình thực hiện luận án này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ, gia đình đã luôn bên cạnh yêu thương, khích lệ và ủng hộ tôi trong suốt chặng đường học tập vừa qua. Nghiên cứu sinh ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 Chương 1. Tổng quan về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt 4 1.1 Đặt vấn đề 4 1.2 Tổng quan về cảm biến không dây 9 1.3 Cơ sở lý thuyết về sóng âm bề mặt 11 1.4 Cấu tạo và nguyên lý của cảm biến SAW đường trễ phản xạ 13 1.4.1 Cấu tạo 13 1.4.2 Nguyên lý hoạt động 15 1.5 Phương pháp mô phỏng SAW 18 1.6 Các phương pháp mã hóa cảm biến SAW RDL 20 1.6.1 Khái niệm đa truy nhập 20 1.6.2 Phương pháp mã hóa vị trí thời gian 22 1.6.3 Phương pháp mã hóa pha 24 1.6.4 Phương pháp mã hóa theo tần số trực giao 25 Kết luận chương 1 29 Chương 2. Xây dựng thuật toán đọc pha của tín hiệu phản hồi 30 2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng các tham số hình học đến sóng phản xạ trong cấu trúc cảm biến SAW RDL 30 2.1.1 Lựa chọn cấu trúc cơ sở 30 2.1.2 Lựa chọn các thông số cấu trúc 31 2.1.3 Các yêu cầu mô phỏng 36 2.1.4 Quá trình thực hiện và kết quả 38 2.1.4.1 Cấu trúc tổng thể và các thông số ban đầu 38 2.1.4.2 Trình tự thực hiện và kết quả 39 2.1.4.3 Đánh giá ảnh hưởng thời gian đặt điện áp tại IDT đến sóng phản xạ 44 2.1.4.4 Khảo sát ảnh hưởng số điện cực IDT 45 2.1.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của số thanh bộ phản xạ 48 iii
2.1.4.6 Ảnh hưởng tỉ số hóa kim của bộ phản xạ 51 2.1.4.7 Khảo sát vật liệu của bộ phản xạ 54 2.1.4.8 Ảnh hưởng độ dầy thanh phản xạ 57 2.2 Xây dựng thuật toán đọc pha 59 2.2.1 Xác định các đáp ứng của nút cảm biến SAW sử dụng mô phỏng FEM 60 2.2.2 Xây dựng thuật toán đọc pha cho bộ đọc sử dụng công cụ Matlab 64 Kết luận chương 2 70 Chương 3. Xây dựng thuật toán đọc đồng thời các tín hiệu phản xạ trong hệ đa cảm biến SAW OFC 72 3.1 Cơ sở lựa chọn cho bài toán 72 3.2 Bài toán thiết kế 73 3.3 Thuật toán ma trận nhận dạng các cảm biến 75 3.3.1 Hệ phương trình ma trận mối quan hệ giữa tín hiệu của từng cảm biến với tín hiệu chồng lấn 77 3.3.2 Đánh giá về số lượng các cảm biến SAW có thể nhận dạng được đồng thời và lựa chọn bộ mã cho các cảm biến. 79 3.3.3 Giải phương trình ma trận 82 3.4 Kết hợp hai công cụ phần mềm kiểm chứng thuật toán ma trận 84 3.4.1 Xây dựng bộ thông số mẫu ban đầu cho nút cảm biến SAW sử dụng FEM 85 3.4.2 Đọc tín hiệu từ đa cảm biến sử dụng công cụ Matlab. 86 3.4.2.1 Hệ có một cảm biến và 3 bộ phản xạ. 87 3.4.2.2 Hệ có ba cảm biến và ba bộ phản xạ 90 3.4.2.3 Thuật toán chia khoảng và lọc nghiệm 93 3.4.3 Kiểm chứng thuật toán với phương pháp chia khoảng và lọc nghiệm cho hệ có 10 cảm biến và 4 bộ phản xạ. 98 Kết luận chương 3 105 Kết luận và hướng phát triển 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 PHỤ LỤC 115 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng Việt 1 2D 2 dimensional 2 chiều 2 3D 3 dimensional 3 chiều 3 ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số 4 ASK Amplitude Shift Keying Điều biên 5 BEM Boundary element method phương pháp phần tử biên 6 BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân 7 BW Bandwidth Độ rộng băng thông 8 CDMA Code-division multiple access Đa truy cập phân chia theo mã 9 COM Coupling of Modes Mô hình ghép cặp chế độ 10 DS/SS Direct Sequence Spread Trải phổ dãy trực tiếp Spectrum 11 FDS Frequency-domain sampling Phương pháp lấy mẫu miền tần số 12 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn 13 FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Furier nhanh 14 FH/SS Frequency Hopped Spread Trải phổ nhảy tần Spectrum 15 FM Frequency modulation Điều chế tần số 16 HF High Frequency Tần số cao 17 IDT Interdigitated Transducer Bộ chuyển đổi số 18 ID-tag Identification - tag Thẻ nhận dạng 19 IoT Internet of Things Internet kết nối vạn vật 20 LF Low Frequency Tần số thấp 21 MEMS Microelectromechanical Hệ thống vi cơ điện tử Systems 22 MFSK Multiple frequency-shift Điều biến tín hiệu keying 23 NA Network Analyzer Máy phân tích mạng 24 OFC Orthogonal Frequency Coding Mã hóa tần số trực giao 25 PLL Phase-Locked Loop Vòng khóa pha 26 PN Pseudo-Noise Dãy giả tạp 27 PSK Phase Shift Keying Điều pha 28 RDL Reflective Delay Line Đường trễ phản xạ v
29 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến 30 RFID Radio-frequency Thẻ nhận dạng tần số vô identification tuyến 31 SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt 32 SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu phát ra và tạp âm (nhiễu) 33 SPUDT Single-phase Unidirectional Bộ chuyển đổi số một hướng Interdigitated Transducer đơn pha 34 TDMA Time-division multiple access Đa truy cập phân chia thời gian cố định 35 TDS Time-domain sampling Phương pháp lấy mẫu miền thời gian 36 UDT unidirectional Interdigitated Bộ chuyển đổi số một hướng Transducer 37 UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao 38 VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp 39 WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây 2. Danh mục các ký hiệu STT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 1 a m Khoảng cách giữa các điện cực IDT 2 ak V Biên độ sóng phản xạ thứ k 3 amk V Biên độ sóng phản xạ thứ k của chíp thứ m 4 BeNc Ma trận quan hệ giữa tín hiệu chồng lấn là tín hiệu riêng từ cảm biến thành phần 5 CS F CS điện dung trên một đơn vị chiều dài của đế 6 CT F Điện dung của IDT 7 d m Độ rộng điện cực 8 dM m Bán kính vùng hỏi của bộ đọc 9 f0 Hz Tần số trung tâm (tần số cơ bản) 10 HNc Ma trận biên độ và độ trễ pha của các cảm biến thành phần. 11 Li m khoảng cách giữa IDT và các bộ phản xạ 12 lIDT m Chiều dài IDT vi
13 Nc Số tần số thành phần của các chip trên thẻ cảm biến 14 Nt Số thẻ cảm biến trong hệ 15 Np Số điện cực IDT 16 p m Chu kỳ điện cực 17 i độ Góc pha của các sóng phản xạ 18 v m/s Vận tốc lan truyền sóng âm bề mặt 19 YKN Ma trận tín hiệu chồng lấn tại bộ đọc 20 i s Thời gian trễ của sóng phản xạ 21 OFCm s Thời gian trễ từ sóng phản xạ đầu tiên của cảm biến thứ m đến bộ đọc 22 chip s Độ dài thời gian của một sóng phản xạ của một chip trên một thẻ cảm biến 23 M s Thời gian trễ của sóng phản xạ đầu tiên của một cảm biến cách bộ đọc một khoảng là dM 24 λ m Bước sóng 25 T N/m vec tơ ứng suất 26 S m2 /N Vec tơ biến dạng cơ 27 E V/m vec tơ cường độ điện trường 28 D C/m2 vec tơ dịch chuyển điện 29 [e] m/V ma trận áp điện 30  kg/m3 khối lượng riêng 31  s Hiệu thời gian trễ của các sóng phản xạ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hệ số tuyến tính của hiệu ứng vật lý trên vật liệu đế SAW[56]. 18 Bảng 2.1 So sánh đặc tính giữa SAW RDL và SAW cộng hưởng [81]. 31 Bảng 2.2 Tính chất của một số vật liệu áp điện [83]. 32 Bảng 2.3 Tính chất của một số vật liệu làm IDT [83]. 33 Bảng 2.4 Các thông số ban đầu dùng trong mô phỏng. 39 Bảng 2.5 Thông số vật liệu YZ-LiNbO3 dùng trong mô phỏng [83]. 40 Bảng 2.6 Các điều kiện biên. 41 Bảng 2.7 Tổng hợp các tham số cố định trong quá trình mô phỏng 42 Bảng 2.8 Tổng hợp các biên độ tín hiệu phản xạ lớn nhất ở tần số 870MHz. 50 Bảng 2.9 Tổng hợp các biên độ tín hiệu phản xạ lớn nhất tương ứng a/p ở tần số 870MHz. 53 Bảng 2.10 Thông số các vật liệu làm thanh phản xạ [92]. 55 Bảng 2.11 Các thông số cấu trúc trên mô hình xây dựng thuật toán đọc pha. 59 Bảng 2.12 Thông số cấu trúc trong mô phỏng FEM. 62 Bảng 2.13 So sánh kết quả giữa mô phỏng và lý thuyết về thời điểm nhận được biên độ sóng phản xạ lớn nhất của ba cấu trúc. 63 Bảng 2.14 Tổng hợp các kết quả từ mô phỏng FEM. 64 Bảng 2.15 Góc trễ pha của các tín hiệu phản xạ trong ba cấu trúc. 70 Bảng 3.1 Bộ mã hóa ứng với các cột trong ma trận 𝐵𝑒𝑁𝑐 với 𝑁𝑐 = 4. 82 Bảng 3.2 Các bộ mã hóa được chọn với 𝑁𝑐 = 4. 82 Bảng 3.3 Thông số cảm biến trong mô phỏng Ansys cho SAW OFC. 85 Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng trên Ansys. 86 Bảng 3.5 Bảng thông số thực hiện với Nc=3. 87 Bảng 3.6 Bảng mã hóa của các cảm biến với 𝑁𝑐 = 3 . 87 Bảng 3.7 Độ trễ của sóng phản xạ thứ k so với sóng đầu tiên. 88 Bảng 3.8 Giá trị ma trận 𝑌𝑁𝑐 sau khi giải phương trình. 89 Bảng 3.9 Thông số ban đầu cho ba cảm biến trong hệ. 91 Bảng 3.10 Giá trị ma trận 𝑌𝑁𝑐 với ba cảm biến. 91 Bảng 3.11 Kết quả nhận được khi giải phương trình (3.19). 91 Bảng 3.12 Giá trị giữa pha với tần số với bán kính của bộ đọc là 6m. 92 Bảng 3.13 Thứ tự giải phương trình ma trận với giá trị 𝑁𝑐 = 3. 93 Bảng 3.14 Vị trí ứng với khoảng cách, độ trễ và pha cho hệ 3 cảm biến. 94 Bảng 3.15 Bảng dữ liệu bổ sung cho mô phỏng với hệ 3 cảm biến. 94 Bảng 3.16 Dữ liệu cho trước của hệ 5 cảm biến. 95 Bảng 3.17 Giá trị ma trận 𝑌𝑁𝑐 cho hệ 5 cảm biến. 96 Bảng 3.18 Bảng thông số cho hệ có 4 bộ phản xạ. 99 Bảng 3.19 Thứ tự giải phương trình ma trận với giá trị 𝑁𝑐 = 4. 99 Bảng 3.20 Giá trị giữa pha với tần số với bán kính 6m và Nc=4. 101 Bảng 3.21 Thông số các khoảng chia theo tần số khi n=4. 101 Bảng 3.22 Vị trí ứng với khoảng cách, độ trễ và pha cho hệ 10 cảm biến. 102 Bảng 3.23 Số liệu các tín hiệu của cảm biến với 𝑁𝑐 = 4. 103 Bảng 3.24 Các giá trị của ma trận 𝑌𝑁𝑐 với 𝑁𝑐 = 4. 103 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ khối của cảm biến không dây 9 Hình 1.2 Sơ đồ của hệ thống cảm biến không dây tích cực 10 Hình 1.3 Sự lan truyền của sóng Rayleigh trong không gian [43] 12 Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của IDT 12 Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của bộ cảm biến SAW RDL 13 Hình 1.6 Phần tử cảm biến SAW RDL 13 Hình 1.7 Cấu trúc của IDT một hướng (a) UDT nhóm; (b) SPUDT [46] 14 Hình 1.8 Cấu trúc IDT hai hướng: điện cực đơn (a), điện cực kép (b) 14 Hình 1.9 Các cấu trúc bộ phản xạ của SAW RDL 15 Hình 1.10 Sơ đồ khối của bộ đọc [50]. 15 Hình 1.11 Điện trường phân cực trên các ngón tay IDT trong quá trình chuyển đổi cơ điện. 16 Hình 1.12 Tín hiệu thẩm vấn và tín hiệu phản xạ của SAW RDL (a); Góc trễ pha của tín hiệu phản xạ (b). 17 Hình 1.13 Chia nhỏ miền bài toán trong FEM [64] 19 Hình 1.14 Xấp xỉ trường chuyển vị bởi phần tử tuyến tính và phần tử bậc hai [64]. 19 Hình 1.15 Sơ đồ mô tả hệ đa cảm biến SAW. 22 Hình 1.16 Nguyên lý mã hóa theo vị trí thời gian của thẻ SAW [74]. 23 Hình 1.17 Thẻ SAW 14 mã (a) và đáp ứng thời gian trễ (b) [74]. 23 Hình 1.18 Mã hóa theo vị trí thời gian của SAW theo mã thập phân [54]. 24 Hình 1.19 Nguyên lý của mã hóa pha [74]. 24 Hình 1.20 Đáp ứng tần số của 3 và 4 hàm lấy mẫu trực giao với nhau [76]. 26 Hình 1.21 Hàm thời gian với 7 sóng có tần số khác nhau [76]. 27 Hình 1.22 Đáp ứng tần số của các bộ phản xạ cho một tag SAW gồm 7 bộ phản xạ [76]. 28 Hình 1.23. Cấu trúc cảm biến SAW OFC sử dụng hai dãy bộ phản xạ đặt hai bên của IDT [76]. 28 Hình 2.1 Cấu trúc SAW thụ động không dây; (a) SAW RDL, (b) SAW cộng hưởng. 31 Hình 2.2 Cấu trúc cơ sở của SAW RDL sử dụng cho mô phỏng FEM. 31 Hình 2.3 Các cấu trúc của IDT; (a) hai hướng điện cực đơn, (b) hai hướng điện cực kép, (c) một hướng SPUDT. 32 Hình 2.4 Mặt cắt ngang của hai điện cực IDT. 34 Hình 2.5 Mặt cắt 2 thanh phản xạ (a) và mô hình mạch tương đương (b)[46]. 35 Hình 2.6 Phản xạ tại một thanh của bộ phản xạ [46]. 36 Hình 2.7 Cấu trúc mô phỏng FEM;(a) hình chiếu đứng, (b) mặt cắt đứng. 38 Hình 2.8 Xây dựng mô hình trong Ansys; loại phần tử (a), tham số vật liệu (b). 40 Hình 2.9 Mô hình điện cực IDT trên đế áp điện. 41 Hình 2.10 Mô hình sau chia lưới, đặt điện áp và điều kiện biên. 41 Hình 2.11 Tạo hàm điện áp đặt vào IDT. 41 Hình 2.12 Mô hình sau khi hoàn thành quá trình giải. 42 Hình 2.13 Hình ảnh sóng cơ phản xạ từ 3 bộ phản xạ sau khi giải. 42 Hình 2.14 Biên độ điện áp đặt và sóng phản xạ tại IDT theo thời gian. 43 ix
Hình 2.15 Biên độ điện áp đặt và phản xạ trên IDT. 44 Hình 2.16 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b) và thứ ba (c) khi thay đổi thời gian đặt điện áp tại IDT. 45 Hình 2.17 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi số điện cực IDT ở tần số 870MHz. 46 Hình 2.18 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b) và thứ ba (c) ở tần số 870MHz khi thay đổi số điện cực IDT. 46 Hình 2.19 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b) và thứ ba (c) ở tần số 125MHz khi thay đổi số điện cực IDT. 47 Hình 2.20 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi số thanh bộ phản xạ ở tần số 870MHz. 48 Hình 2.21 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b), thứ 3 (c) khi thay đổi số thanh của bộ phản xạ ở tần số 870MHz. 49 Hình 2.22 Cấu trúc lưới hữu hạn và mạch tương đương [46]. 49 Hình 2.23 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b), thứ 3 (c) khi thay đổi số thanh phản xạ ở tần số 125MHz 51 Hình 2.24 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi số tỉ số a/p ở tần số 870MHz. 52 Hình 2.25 Điện áp từ bộ phản xạ thứ nhất ở tần số 870MHz với các tỉ số a/p. 52 Hình 2.26 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b), thứ 3 (c) khi thay đổi tỉ số a/p ở tần số 870MHz. 53 Hình 2.27 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b), thứ 3 (c) khi thay đổi tỉ số a/p ở tần số 125MHz. 54 Hình 2.28 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi vật liệu làm thanh phản xạ ở tần số 870MHz. 55 Hình 2.29 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b), thứ 3 (c) ở tần số 870MHz với các vật liệu của thanh phản xạ. 56 Hình 2.30 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b), thứ 3 (c) ở tần số 125MHz với các vật liệu của thanh phản xạ. 57 Hình 2.31 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi tỉ số h1/ ở tần số 870MHz. 58 Hình 2.32 Trích xuất đáp ứng trên bộ phản xạ thứ nhất (a), thứ hai (b), thứ 3 (c) khi thay đổi tỉ số h1/ ở tần số 870MHz. 58 Hình 2.33 Cấu trúc cơ sở của SAW trong mô phỏng FEM. 61 Hình 2.34 Đáp ứng tần số khi đặt xung đơn vị vào IDT. 62 Hình 2.35 Điện áp đầu ra của SAW1. 63 Hình 2.36 Sơ đồ thuật toán tính góc trễ pha trên Matlab/Simulink. 65 Hình 2.37 Sơ đồ mô tả của quá trình đọc tín hiệu hồi đáp từ cảm biến trên Matlab/Simulink. 66 Hình 2.38 Tín hiệu hồi đáp từ ba bộ phản xạ của SAW1. 66 Hình 2.39 Mô hình tính toán góc pha trên Matlab/Simulink 67 Hình 2.40 Tín hiệu vào của SAW1 (a) Tín hiệu vào khối lọc 1 và (b) Tín hiệu vào khối lọc 2. 67 Hình 2.41 Tín hiệu đầu ra của bộ lọc tương tự trong SAW1; (a) cùng pha, (b) vuông pha. 68 Hình 2.42 Đồ thị Ci của ba bộ phản xạ của SAW1. 69 x
Hình 3.1 Mô hình một hệ đa cảm biến [98]. 73 Hình 3.2 Sơ đồ vị trí của SAW trong hệ đa cảm biến. 74 Hình 3.3 Sơ đồ một thẻ SAW OFC 5 chip. 74 Hình 3.4 Các tín hiệu do các thẻ cảm biến gửi về bộ đọc (a) và tín hiệu chồng lấn tại bộ đọc (b). 75 Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán tạo ma trận 𝐵 gồm các bộ mã cho thẻ cảm biến [34]. 81 Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán giải phương trình phức (3.19) [34]. 83 Hình 3.7 Tín hiệu chồng lấn tại bộ đọc. 88 Hình 3.8 Dạng tín hiệu thành phần trên đồ thị biên/tần (a), và đồ thì pha/tần (b) trong khung thời gian thứ nhất [20ns, 100ns]. 89 Hình 3.9 Xác nhận của cảm biến trong vùng hỏi của bộ đọc. 90 Hình 3.10 Các giá trị thu được sau khi giải từ tín hiệu chồng lấn; biên độ (a), thời gian trễ (b). 90 Hình 3.11 Dạng tín hiệu chồng lấn trên miền tần số; biên độ (a), pha (b). 92 Hình 3.12 Các thẻ cảm biến được chọn trong mô phỏng hệ 3 cảm biến. 95 Hình 3.13 Các kết quả thu được sau khi mô phỏng; biên độ (a), thời gian trễ (b). 95 Hình 3.14 Các thẻ cảm biến được chọn trong mô phỏng hệ 5 cảm biến. 96 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn dạng sóng của tín hiệu chồng lấn của 5 cảm biến; 97 Hình 3.16 Kết quả các giá trị của thẻ cảm biến sau giải hệ phương trình ma trận; (a) biên độ, (b) thời gian trễ. 98 Hình 3.17 Tín hiệu chồng lấn của 10 tín hiệu phản hồi tại bộ đọc với Nc=4; (a) biên độ, (b) pha. 104 Hình 3.18 Các cảm biến có mặt trong vùng hỏi của thiết bị đọc với N c=4. 104 Hình 3.19 Kết quả biên độ của các thẻ cảm biến sau giải hệ phương trình ma trận với Nc=4. 105 Hình 3.20 Kết quả góc pha của các thẻ cảm biến sau giải hệ phương trình ma trận với Nc=4. 105 Hình 0.1 Thông số SAW RDL trên mask chế tạo thử nghiệm 139 Hình 0.2 Một số công đoạn chế tạo cảm biến tại viện ITIMs 140 Hình 0.3 Các sản phẩm SAW thu được sau khi chế tạo 141 Hình 0.4 Kiểm tra tín hiệu cảm biến trên máy đo VNA tại Lab ManDevices 141 Hình 0.5 Kết quả Hình ảnh đo S11 trên cảm biến SAW bằng máy đo NA: miền tần số (a), miền thời gian (b) 142 Hình 0.6 Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng cho cảm biến 143 Hình 0.7 Mô hình ba cổng của IDT 144 Hình 0.8 Sơ đồ tương đương trở kháng SAW. 144 Hình 0.9 Mô phỏng mạch phối hợp trở kháng (a) và biểu đồ Smith chart trên ADS. 145 Hình 0.10 Mạch phối hợp trở kháng (a) và kết nối mạch phối hợp trở kháng với cảm biến (b) 145 Hình 0.11 Kết quả trước (a) và sau khi cảm biến nối mạch trở kháng (b) 146 xi
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Sự ra đời của các cảm biến không dây, về cơ bản là một sự chuyển đổi công nghệ lớn trong những thập kỷ qua. Với các ưu điểm nổi trội như không cần hệ thống dây cấp nguồn, mềm dẻo, linh hoạt trong việc cấu hình lắp đặt, dễ dàng mở rộng quy mô hệ thống theo thời gian bằng việc bổ sung thêm các cảm biến và bộ đọc mới với vai trò là các nút, tạo thành mạng cảm biến, đáp ứng được yêu cầu “Internet vạn vật” (Internet of Things-IoT). Các mạng cảm biến không dây này cho phép kết nối trực tiếp qua mạng dữ liệu di động Wi-fi, 3G hoặc 4G dẫn đến việc truy cập, giám sát thông số hệ thống rất thuận lợi [1-2]. Xét về vấn đề tài chính để đầu tư và duy trì, phát triển hệ thống thì việc sử dụng cảm biến không dây cũng mang lại nhiều lợi thế, tuy rằng chi phí ban đầu có thể cao hơn so với cảm biến có dây nhưng khi có yêu cầu về dịch chuyển hay sửa đổi nào trong tương lai sẽ có chi phí thấp hơn [3-4]. Các cảm biến và mạng cảm biến nối dây có thể vẫn đáp ứng được yêu cầu về độ tin cậy và ổn định cho các hệ thống điều khiển, tuy nhiên công nghệ không dây hứa hẹn chi phí lắp đặt thấp hơn so với các cảm biến có dây bởi hạn chế được kỹ thuật nối cáp. Xu thế trong việc sử dụng các cảm biến không dây hiện nay hướng về loại tự cấp nguồn, nghĩa là chúng sử dụng các nguồn năng lượng thu được từ môi trường xung quanh để hoạt động. Những thay đổi nhỏ từ môi trường như chuyển động, áp suất, ánh sáng, nhiệt độ, độ rung hoặc sử dụng các sóng tần số vô tuyến (Radio Frequency-RF) để cấp nguồn cho cảm biến giúp chúng hầu như không cần bảo trì [5]. Cảm biến loại này là sự lựa chọn hợp lý cho nhiều ứng dụng công nghiệp, cảm biến và thiết bị thu thập, xử lý dữ liệu phải đặt trong môi trường khắc nghiệt và khó khăn trong việc đi dây, chẳng hạn như trong các cấu trúc bê tông lớn, hoặc được gắn làm thẻ nhận dạng trong các sản phẩm hàng hóa. Các lĩnh vực như vận tải quân sự và dân dụng, sản xuất, y sinh và an ninh tuy có các đặc thù riêng biệt về môi trường, phạm vi hoạt động của thiết bị nhưng đều có yêu cầu về đo lường và giám sát các thông số trong hệ thống. Chính vì vậy nên nhu cầu về các cảm biến có kích thước nhỏ, thông minh, tin cậy có khả năng giám sát nhiều thông số của môi trường, vật lý, hóa học và sinh học ngày càng gia tăng [6]. Việc nghiên cứu, thiết kế, cải thiện đặc tính các cảm biến không dây có kích thước nhỏ, hiệu quả về chi phí và đáng tin cậy đặt ra những thách thức lớn đối với cộng đồng khoa học. Cảm biến sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave-SAW) là một trong các cảm biến không dây được phát triển nhanh chóng trong thời gian gần đây và trở thành một trong các giải pháp khả thi cho các ứng dụng đo lường và nhận dạng [7]. Điều thú vị là SAW có khả năng ứng dụng với cả hai vai trò là thẻ nhận dạng, thẻ cảm biến hoặc đảm nhiệm cả hai, như vậy dữ liệu từ các thẻ SAW gửi về bộ đọc chứa cả thông tin đo và mã nhận dạng. Các cảm biến và thẻ nhận dạng dựa trên SAW mang lại nhiều lợi thế. Với khả năng hoạt động không dây, chúng đã được sử dụng để giám sát các bộ phận chuyển động và quay hoặc trong các vị trí khó khăn trong việc thay thế pin [8]. Bên cạnh đó, SAW còn đáp ứng được các yêu cầu khắt khe tại những nơi có điều kiện môi trường khắc nghiệt chẳng hạn nơi có nhiệt độ cao, áp suất lớn hoặc không gian ngoài vũ trụ nơi tồn tại các bức xạ ion hóa [9-11]. Các thiết bị SAW hiện nay đã được chế tạo thành vô số sản phẩm và ứng dụng trong các lĩnh vực đa dạng như hệ thống vi cơ điện tử (Micro Electro Mechanical Systems- MEMS), hệ thống viễn 1
thông, cảm biến hóa học và công nghệ sinh học [12-16]. Trong khi sự phát triển của cảm biến SAW được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng về giám sát môi trường thì sự phát triển của bộ lọc SAW được thúc đẩy bởi sự phát triển bùng nổ của ngành công nghiệp viễn thông. Trong các ứng dụng mạng cảm biến, SAW là những ứng cử viên đặc biệt, đầy hứa hẹn do chi phí thấp và độ bền cao. Để thị trường sản phẩm ngày càng được mở rộng, các đặc tính của SAW cùng độ chính xác, độ tin cậy và phạm vi ứng dụng đã không ngừng được nghiên cứu và cải thiện. Bên cạnh các ứng dụng trong hệ thu thập giám sát nhiều thông số đo trong một hệ đo độc lập, phần tử SAW cũng chính là một nút khi tham gia vào hệ thống mạng cảm biến. Khi đó, một bộ đọc giao tiếp với nhiều cảm biến thành phần sẽ có vai trò là một nút trong mạng và mỗi nút mạng phải thực hiện tốt vai trò cung cấp thông tin tin cậy có nghĩa là bộ đọc phải xác định được chính xác tín hiệu mang thông tin phản hồi trở lại bộ đọc là của cảm biến nào trong hệ. Khi các cảm biến SAW trong hệ được đặt trong cùng một trường quan sát thẩm vấn của bộ đọc sẽ xảy ra hiện tượng chồng lấn các tín hiệu đồng thời phản hồi từ các thẻ SAW trở lại bộ đọc, điều này có thể gây nên sai lệch khi đánh giá thông tin hoặc nhận dạng các thẻ cảm biến. Do vậy, yêu cầu nghiên cứu các phương pháp để bộ đọc có thể đọc chính xác thông tin từ các cảm biến SAW thành phần là cấp thiết. Quá trình trao đổi thông tin và giao tiếp mạng với các hệ thống cảm biến khác cơ bản sử dụng hệ thống thu phát RF với các dải tần tương đối rộng, có thể từ vài chục MHz đến 2.5GHz. Vì thế, các cảm biến SAW cần được thiết kế về cấu trúc phần cứng kết hợp với thuật toán phần mềm đáp ứng được dải tần số làm việc việc sao cho có thể tham gia vào các nút mạng để giao tiếp truyền thông. Các nghiên cứu thực hiện theo hướng giải quyết đọc tín hiệu trong hệ đa cảm biến SAW đã được khá nhiều tác giả đề cập, tuy nhiên tồn tại hạn chế về thời gian truy vấn và tần số hoạt động khá thấp khi tham gia hệ thống mạng cảm biến thường sử dụng tín hiệu RF trong hệ thống thu phát tần số vô tuyến hiện nay. Vì vậy, việc nghiên cứu đảm bảo khả năng thích ứng của SAW với hệ thống có tần số cao hơn, việc tiến tới bao phủ được các băng tần thường được sử dụng trong thực tế cũng là một thách thức cần được nghiên cứu trong đó thuật toán phần mềm là một trong các hướng giải quyết vấn đề này. Để đánh giá thông tin đo lường từ các tín hiệu gửi về bộ đọc trong cảm biến không dây có thể sử dụng độ trễ thời gian hoặc độ trễ pha. Thông thường, phép đo pha hay được dùng thay cho phép đo thời gian trễ vì nó cung cấp độ phân giải cao hơn ở tần số sóng mang. Khi thực hiện phép đo pha thì nhập nhằng pha chính là một trong các vấn đề cần được quan tâm để đảm bảo tính chính xác trong việc đánh giá thông tin nhận được. Bên cạnh các giải pháp về thuật toán, trong cấu trúc phần cứng của cảm biến thụ động không dây SAW, biên độ và tần số của các sóng phản xạ liên quan đến phạm vi hoạt động của cảm biến. Biên độ sóng phản xạ lớn thì bộ đọc dễ dàng nhận biết dù hệ thống có tồn tại nhiễu.Với một cấu hình cảm biến, khoảng cách giữa bộ đọc và cảm biến càng lớn thì càng thuận tiện cho việc lắp đặt thiết bị đo lường và giám sát hệ thống. Tuy nhiên, các yếu tố liên quan đến hình thái, cấu trúc của cảm biến ảnh hưởng đến biên độ sóng phản xạ dường như chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. 2
Mục tiêu Trước những vấn đề thực tế hiện nay của cảm biến SAW thụ động không dây và các vấn đề đang còn bỏ ngỏ ở trên, mục tiêu của luận án bao gồm:  Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc cảm biến SAW đến biên độ sóng phản xạ.  Xây dựng phương pháp tính toán góc pha của tín hiệu phản xạ.  Xây dựng thuật toán đọc thông tin phản hồi đồng thời từ các cảm biến thành phần trong hệ đa cảm biến SAW đường trễ phản xạ (Reflective Delay Lines-RDL) được mã hóa theo phương pháp tần số trực giao (Orthogonal Frequency Coding- OFC). Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm, từ tổng quan đến chi tiết, phân tích, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã được công bố. Đóng góp chính của luận án Luận án có hai đóng góp chính trong việc nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt là: 1) Luận án đề xuất một phương pháp mới tính góc trễ pha của tín hiệu phản xạ so với tín hiệu thẩm vấn của cảm biến, bao phủ được cho cả trường hợp khi góc trễ pha lớn hơn 2. 2) Luận án nghiên cứu, đề xuất thuật toán nhận dạng và đọc đồng thời các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến thành phần trong hệ đa cảm biến được mã hóa bằng phương pháp tần số trực giao với tần số hoạt động của cảm biến đạt 500MHz. Bố cục của luận án Luận án bao gồm phần “Mở đầu” trình bày lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án và ba chương chính với nội dung như sau: Chương 1 (Tổng quan về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt): đặt vấn đề, giới thiệu, phân tích về vai trò, vị trí của các cảm biến không dây nói chung và ưu điểm của cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt SAW. Các lý thuyết tổng quát về SAW RDL, phương mã hóa tần số trực giao cho SAW và các vấn đề liên quan được trình bày chi tiết. Chương 2 (Xây dựng thuật toán đọc pha của tín hiệu phản hồi): nghiên cứu các ảnh hưởng của tham số hình học đến cấu trúc cảm biến thụ động không dây SAW RDL trong cấu trúc sử dụng cho thuật toán đọc pha của tín hiệu phản hồi, trong đó việc lựa chọn, so sánh về vật liệu và thông số hình học của cảm biến đã được trình bày và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng công cụ Ansys. Từ đó đưa ra cấu trúc SAW RDL sử dụng để xây dựng thuật toán đọc pha của tín hiệu phản hồi trên Matlab/Simulink cùng với các kết quả công bố trong quá trình thực hiện. Chương 3 (Xây dựng thuật toán đọc đồng thời các tín hiệu phản xạ trong hệ đa cảm biến SAW OFC): phân tích, khảo sát, chứng minh và xây dựng kịch bản mô phỏng thử nghiệm thuật toán đọc đồng thời các tín hiệu phản hồi từ hệ đa cảm biến SAW RDL được mã hóa theo phương pháp OFC. Phần kết luận trình bày tóm tắt các đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo. 3
Chương 1. Tổng quan về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt Chương 1 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt SAW. Phân tích, tổng hợp và nhận định về các hướng nghiên cứu đã được công bố về các vấn đề trong bài toán đọc các tín hiệu phản hồi trở lại bộ đọc trong hệ đa cảm biến SAW đường trễ phản xạ từ đó đưa ra các định hướng nghiên cứu chính của luận án. Các cơ sở lý thuyết về phương pháp mô phỏng, phương pháp mã hóa của cảm biến SAW RDL cũng được giới thiệu chi tiết trong chương. 1.1 Đặt vấn đề Cảm biến sóng âm bề mặt SAW là một trong những cảm biến hiện nay đáp ứng được các yêu cầu khắt khe hiện nay trong hệ thống, chúng mang lại nhiều lợi thế bởi khả năng hoạt động không dây hay có thể hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt. Trong các nghiên cứu của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa kỳ (National Aeronautics and Space Administration-NASA) [10-11], cảm biến SAW đã được sử dụng thay thế cho các cảm biến nối dây truyền thống nhằm giảm trọng lượng của thiết bị với mục đích thu thập các thông tin bên ngoài trái đất hoặc theo dõi, chăm sóc sức khỏe các phi hành gia. SAW cũng có mặt trong hệ thống tầu điện ngầm tại thành phố Munich của Đức để giám sát nhiệt độ và ứng suất trên các đường ray hoặc dùng chế tạo các bộ lọc trên hệ thống rada của Nga. Cảm biến SAW cũng được dùng đo nhiệt độ lớn trong các trạm biến áp, trên các đường dây truyền tải điện năng[17-18]. Với vận tốc lan truyền của sóng âm bề mặt trên đế áp điện xung quanh mức (35).103(m/s), nhỏ hơn xấp xỉ 105 lần so với vận tốc của sóng điện từ là khoảng 3.108(m/s) nên cảm biến SAW có kích thước nhỏ hơn nhiều so với cảm biến điện từ, đây cũng là một ưu điểm nổi trội của dòng cảm biến SAW. Trong hệ thống sử dụng cảm biến thụ động không dây SAW, yêu cầu cả cảm biến và bộ đọc không dây. Bộ đọc là thiết bị phát ra các xung thẩm vấn gửi tới cảm biến và nhận lại các xung phản hồi trở lại từ cảm biến sau đó xử lý để có các thông tin đo lường. Việc phát xung thẩm vấn sau đó nhận lại xung phản xạ của SAW đặt ra nhiều thách thức liên quan đến các thiết kế phần cứng của cảm biến cũng như cấu trúc và thuật toán phần mềm của bộ đọc. Hai thiết kế cơ sở được sử dụng nhiều nhất là SAW đường trễ phản xạ và SAW cộng hưởng, trong đó các nghiên cứu về cảm biến sóng âm bề mặt thụ động không dây loại đường trễ phản xạ hiện nay đang tập trung vào các vấn đề bao gồm: - Tín hiệu phản xạ từ cảm biến trở lại bộ đọc: đây là một tham số quan trọng trong việc xác định thông tin đo lường, tín hiệu này có thể có lẫn các tạp âm từ các nhiễu gây bởi các yếu tố của môi trường hoặc từ chính các cảm biến khác trong hệ đa cảm biến, gây khó khăn trong việc đọc chính xác tín hiệu phản xạ. Biên độ và tần số của các sóng phản hồi này có thể liên quan đến phạm vi hoạt động của cảm biến, nếu biên độ tín hiệu lớn thì bộ đọc dễ dàng nhận biết dù hệ thống có tồn tại nhiễu. Để đo tín hiệu phản xạ này, người ta dùng phương pháp đo thời gian trễ của sóng phản xạ so với sóng thẩm vấn phát ra từ bộ đọc hoặc đo góc trễ pha của hai tín hiệu [19]. - Nhận biết tín hiệu phản xạ của từng cảm biến trở lại trong điều kiện có nhiều cảm biến SAW được đặt trong một trường quan sát của một anten thẩm vấn duy nhất 4
đồng thời gửi tín hiệu trở lại bộ đọc. Khi đó, xảy ra hiện tượng chồng lấn tín hiệu tại bộ đọc. Trên thế giới, một số công bố đã nghiên cứu về tín hiệu phản xạ và xét sự ảnh hưởng của độ dầy điện cực của bộ chuyển đổi (Interdigitated Transducer-IDT) và tỉ số hóa kim của cảm biến đến sóng hồi đáp [20-21] cho cả cấu trúc SAW đường trễ hai cổng và một cổng. Các thông số hình học của bộ phản xạ cũng đã được khảo sát trong [20], trong đó tác giả phân tích ảnh hưởng của hệ số phản xạ và vận tốc lan truyền sóng bề mặt trên vật liệu LiNbO3 YX-1280, LiNbO3 YX-640 và LiTaO3. Điện cực IDT và các thanh phản xạ dùng vật liệu nhôm, độ dày thanh phản xạ được thay đổi thể hiện trong tỉ số h/ có giá trị từ 2% đến 8%. Với ba thông số vật liệu sử dụng để mô phỏng, thì hệ số phản xạ tăng mạnh với LiNbO3 YX-1280 đạt tới 20% khi độ dày thanh phản xạ đảm bảo tỉ số h/=8%. Kết quả nghiên cứu của công bố khi mô phỏng với cấu trúc SAW một cổng cũng chỉ ra sự thay đổi của hệ số phản xạ khi cố định h/=5% và tỉ số hóa kim thay đổi từ 0,4 đến 0,6 trong đó giá trị a/p = 0,5 là giá trị được lựa chọn. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp ghép cặp chế độ (Coupling of Modes-COM) để mô phỏng SAW, tuy nhiên chưa kiểm soát chính xác độ rộng điện cực IDT, đồng thời chi tiết về thông số kích thước của mô hình chưa được tác giả công bố. Trong [21], tác giả cũng đã khảo sát biên độ tín hiệu phản xạ khi sử dụng IDT có cấu trúc một hướng (Single-phase Unidirectional Interdigitated Transducer-SPUDT) với mục đích giảm tổn hao tín hiệu phản xạ, giảm kích thước cảm biến. Vật liệu nhôm cũng được tác giả sử dụng với đế là LiNbO3, để tăng biên độ sóng phản xạ, tác giả tăng số thanh phản xạ hoặc tăng chiều rộng của chúng. Kết quả của nghiên cứu cho thấy biên độ sóng phản xạ đầu tiên giảm 50% so với tín hiệu đặt vào, biên độ tín hiệu phản xạ thứ hai thấp hơn so với tín hiệu thứ nhất. Ở đây, các thông số cấu trúc mô phỏng tác giả đã công bố chi tiết, tuy nhiên bài báo mới sử dụng một cặp điện cực cho IDT, với hai bộ phản xạ và khảo sát thay đổi khoảng cách từ IDT với bộ phản xạ tìm giá trị tối ưu ở phạm vi hẹp, chưa xét đầy đủ sự ảnh hưởng của các thông số còn lại trong cấu trúc cảm biến. Cả hai nghiên cứu [20] và [21] đã khảo sát một số yếu tố cấu trúc cảm biến tuy nhiên các kết này chưa cho thấy rõ ràng về ảnh hưởng của tín hiệu đầu vào hay các tham số hình học như số lượng điện cực IDT, vật liệu thanh phản xạ, tỉ số hóa kim… đến tín hiệu phản xạ như thế nào trong cảm biến thụ động không dây SAW. Bên cạnh các nghiên cứu về cấu trúc của cảm biến SAW, các phương pháp xử lý tín hiệu phản hồi trở lại bộ đọc, bao gồm phần cứng và các thuật toán đánh giá, trích xuất thông tin về độ trễ thời gian và độ trễ pha của tín hiệu phản hồi trở lại bộ đọc cũng là một vấn đề được các tác giả quan tâm đề cập trong các công bố. Để đọc xung phản hồi trở lại bộ đọc, Lurz. F và các cộng sự nghiên cứu thiết kế thử nghiệm bộ đọc và dùng máy phân tích mạng và tính toán trên phần mềm Matlab [22]. Phương pháp tính toán độ trễ pha giữa sóng phản xạ và tín hiệu thẩm vấn của SAW cũng đã được khá nhiều nghiên cứu thực hiện [23-26]. Trong quá trình tính độ trễ pha xảy ra vấn đề nhập nhằng pha nếu góc trễ pha là lớn hơn 2. Khi đó một giá trị lượng giác đo được tương ứng với nhiều giá trị góc pha, như vậy khó có thể xác định chính xác giá trị của đại lượng đo. Vấn đề này đã được một số tác giả đã đề xuất phương án giải quyết. 5
Ở công bố [23], trong phép đo nhiệt độ bằng cảm biến SAW không dây, tác giả đề xuất tạo ra các khe thời gian giữa các xung phản xạ với tỉ lệ chênh lệch nhất định, sau đó ước tính thô nhiệt độ từ việc đánh giá độ chênh lệch thời gian trễ của từng cặp bộ phản xạ từ đó xác định góc pha tuyệt đối. Bài báo sử dụng độ trễ pha của các tín hiệu phản hồi là 2-1 và 3-1 (2-1 nhận được từ hai bộ phản xạ 1, 2 và 3-1 nhận được từ hai bộ phản xạ 1, 3) kết hợp với thời gian trễ giữa 3-1 và 2-1 (3-1 và 2-1 tương ứng là thời gian trễ giữa hai bộ phản xạ 1, 3 và 1, 2) bằng cách tạo ra một khe thời gian cho đảm bảo hệ số tỉ lệ. Giải pháp này của S. Schuster và các cộng sự làm xuất hiện hệ số không đảm bảo của của phương pháp, hệ số này tăng sẽ làm giảm tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (Signalto noise ratio-SNR) dẫn đến giảm độ tin cậy trong kết quả tính góc trễ pha. Ngoài ra, để thoả mãn điều kiện của phương pháp thì cần có yêu cầu chính xác về vị trí của bộ phản xạ trên đế áp điện, vấn đề này cũng chưa được tác giả đề cập trong bài báo. Trong công bố [24], tác giả Leonhard Reindl thực hiện bài toán đo nhiệt độ bằng cách đo sự chênh lệch thời gian trễ của các tín hiệu phản hồi từ các bộ phản xạ sử dụng giới hạn Cramer-Rao (Cramer Rao lower bound-CRLB). Thuật toán bổ sung một độ lệch pha tham chiếu ref vào tín hiệu phản xạ trở lại bộ đọc và ước tính thời gian trễ của phản xạ dựa trên ước tính pha. Vấn đề nhập nhằng pha được tác giả đề cập trên cơ sở kế thừa từ công bố [23], đồng thời sử dụng hai thông số là sai số bình phương trung bình và phương sai ở cận dưới Cramer-Rao, thực hiện bằng phép biến đổi Furie rời rạc. Hạn chế của thuật toán mà tác giả đề xuất trong quá trình thực hiện là cần ước tính hệ số trễ nhiệt độ (Temperature Coefficients of the Delay-TCD), các số liệu thống kê để ước tính nhiệt độ nhận được với giả thiết là SNR cố định (thực tế SNR có thể thay đổi phụ thuộc vào vật liệu đế). Việc ước tính hệ số TCD của tác giả bài báo cũng bỏ qua thành phần sóng bậc cao của tín hiệu nên có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Vấn đề tồn tại là vị trí của bộ phản xạ trong [23] cũng chưa được tác giả làm rõ. Christian Gruber và các cộng sự đã phân tích một nguyên tắc gửi xung thẩm vấn và đọc tín hiệu phản hồi của bộ đọc [26], với giả thiết cảm biến có ba bộ phản xạ. Tác giả mô hình hóa quá trình đọc tín hiệu phản hồi về bộ đọc sử dụng các hàm trên Matlab và mô phỏng, tính được tan (với  là góc trễ pha của các xung phản xạ). Tuy nhiên, các giá trị dữ liệu đầu vào cho mô hình trên Matlab được tác giả lấy ngẫu nhiên, đồng thời vấn đề nhập nhằng pha khi góc trễ pha lớn hơn 2 chưa được giải quyết, ảnh hưởng của vị trí các bộ phản xạ đến tín hiệu hồi đáp cũng chưa được xem xét. Hệ thống đo lường và nhận dạng đa cảm biến SAW cũng được nhiều tác giả quan tâm với hướng nghiên cứu về giải quyết bài toán truy cập đường truyền có nghĩa là hướng đến nhu cầu trao đổi thông tin giữa các nút cảm biến trong hệ thống. Cơ chế hỏi/đáp lần lượt từ bộ đọc đến các cảm biến thành phần, sử dụng các phương pháp mã hóa khác nhau cho các cảm biến SAW như đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access-CDMA), điều chế pha nhị phân (Binary Phase Shift Keying -BPSK), phương pháp mã hóa tần số trực giao OFC hoặc kết hợp giữa phương pháp OFC với một nhiễu giả cũng đã được đề cập [27-29]. Hiện nay, phương pháp truy cập đồng thời các cảm biến SAW trong hệ là một thách thức cần nghiên cứu làm rõ. Với cơ chế hỏi đồng thời các cảm biến của bộ đọc, tồn tại tình huống xung đột tín hiệu hay chồng lấn tín hiệu phản hồi từ các thẻ cảm biến tại bộ đọc dẫn đến việc giải 6
mã thẻ không chính xác như vậy các thông tin đo bị sai lệch. Việc xử lý tình huống chồng lấn tín hiệu tại bộ đọc là một vấn đề đã được quan tâm bàn luận trong nhiều nghiên cứu. Trong báo cáo [30] của A. Sorokin cùng các cộng sự, một hệ đo nhiệt độ dùng sáu cảm biến SAW được công bố. Ở nghiên cứu này, SAW được thiết kế với vai trò vừa là cảm biến vừa là thẻ nhận dạng, trong đó mỗi thẻ dùng ba bộ phản xạ cho mục đích đo nhiệt độ và một số thanh phản xạ khác cho yêu cầu nhận dạng. Tác giả sử dụng kết hợp hai phương pháp mã hóa là OFC và mã hóa vị trí thời gian xung. Với mỗi thẻ cảm biến, các thanh phản xạ đảm nhiệm vai trò mã nhận dạng được đặt ở các khe thời gian giống nhau về vị trí nhưng khác nhau về tần số trung tâm, như vậy độ trễ thời gian của chúng trong các cảm biến là tương tự nhau. Mô hình xung đột tín hiệu tại bộ đọc được xây dựng ma trận thời gian-tần số của từng thẻ cảm biến, các phần tử của ma trận này chính là các bit nhị phân với các giá trị “1” hoặc “0” biểu thị một vị trí nhất định. Nghiên cứu sử dụng các khoảng thời gian và tần số xung tại thời điểm xảy ra chồng lấn để xây dựng ma trận thời gian-tần số, sau đó dịch chuyển ma trận trong miền thời gian với một bước xác định để tách tín hiệu. Tác giả sử dụng ma trận tần số-thời gian như vậy nhằm tránh xảy ra tình huống nhập nhằng pha, tuy nhiên bài báo mới thử nghiệm với sáu cảm biến chia hai trường hợp đặt vị trí các bộ phản xạ, như vậy có thể chủ động tránh xung đột tín hiệu. Thực tế, số lượng cảm biến trong hệ thường lớn hơn, việc tránh không xảy ra xung đột không giải quyết được triệt để vấn đề chồng lấn tín hiệu. Ngoài ra, việc sử dụng các bộ phản xạ với hai chức năng riêng biệt trên một thẻ dẫn đến việc tăng kích thước và trọng lượng của cảm biến, làm hạn chế các ưu điểm nổi trội của SAW so với các loại cảm biến không dây khác. Tác giả chưa đưa ra phân tích và dự kiến cho trường hợp số cảm biến nhiều hơn, công bố cũng chưa chỉ rõ thuật toán cụ thể nhằm giải ma trận đã xây dựng. Công bố [31] cũng đã phân tích hạn chế xung đột tín hiệu phản hồi lại bộ đọc của các thẻ nhận dạng SAW trong ứng dụng gán mã cho các sản phẩm trong môi trường công nghiệp. Các thẻ SAW sử dụng một thanh phản xạ đặt trong các khe thời gian, mã nhận dạng thẻ được xác định bởi khoảng thời gian giữa các xung phản hồi về bộ đọc. Với phương pháp mã hóa tần số-thời gian, tác giả dùng phương pháp lọc tần số để tách các tín hiệu phản hồi theo thuật toán Neyman-Pearson (cho phép xác định mức phát hiện cảnh bảo sai cần thiết). Tại bộ đọc tác giả sử dụng thêm các mạch dò, trong đó tổ hợp các bit nhận được từ các bộ dò này cho phép xác định sự có mặt hay không có mặt của thẻ SAW trong vùng hỏi của bộ đọc. Để xác định kết quả nhận dạng thẻ của các máy dò, sử dụng toán tính các xác suất bao gồm: xác suất nhận dạng đúng thẻ, xác suất nhận dạng sai thẻ và xác suất không thể xác định mã của thẻ. So với công bố [30], tác giả đã đánh giá được sự có mặt hay không của thẻ nhận dạng trong vùng hỏi của bộ đọc. Số lượng thanh phản xạ dùng để mã hóa ít hơn nên kích thước thẻ nhỏ hơn, tuy nhiên phạm vi của thẻ SAW được xét chỉ dùng cho mục đích nhận dạng nên việc phân tích, đánh giá tín hiệu mang thông tin chỉ dừng lại ở việc đọc tổ hợp các bit trong các khe thời gian. Nghiên cứu [32], giải quyết vấn đề nhập nhằng pha khi dùng bốn cảm biến SAW đo nhiệt độ bằng cách trên mỗi cảm biến đặt thêm một bộ phản xạ gần IDT nhất để xác định số lần quay pha, bộ này cho thời gian trễ ngắn nhất trên một cảm biến, bộ phản xạ ở vị trí xa nhất cho thông tin về nhiệt độ và có thể dùng một hoặc hai bộ phản xạ khác để tạo đỉnh xung phản xạ làm giá trị tham chiếu cho phép đo vi sai. Tác giả 7