Tóm tắt 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:24

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
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: Tóm tắt 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 Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Hoàng Sĩ Hồng 2. TS. Cung Thành Long Phản biện 1: PGS.TS Thái Quang Vinh Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Quang Hoan Phản biện 3: TS. Võ Tá Hoàng Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
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 1
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 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 2
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. 3
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). Phƣơng 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: Chƣơng 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. Chƣơng 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 4
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. Chƣơng 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. 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 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 Cảm biến thụ động không dây SAW đƣờng trễ phản xạ Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của bộ cảm biến SAW RDL Hình 1.5 mô tả cấu trúc cơ bản của SAW RDL trong đó có hai khối chính là bộ đọc và đế cảm biến trên đó đặt IDT và các bộ phản xạ. Nguyên lý hoạt động như sau: Bộ đọc phát ra ra các xung thẩm vấn lan truyền tới anten của IDT. Các sóng này lan truyền đến các các bộ phản xạ và sau đó được phản xạ lại IDT. Khi IDT chịu tác động của các sóng cơ phản xạ lại, tạo ra dao động của các cặp điện cực có chu kỳ. Tại đây xảy ra hiệu ứng áp điện thuận, xuất hiện điện tích trên bề mặt đế áp điện (xuất hiện điện áp trên các cặp điện cực của IDT). Anten gửi xung hồi đáp mang thông tin trở lại bộ đọc nơi chúng được tính toán để xác định các giá trị đo của cảm biến. Bộ đọc phân tích biên độ, tần số, thời gian hoặc góc pha của tín hiệu phản xạ để nhận biết cảm biến thành phần trong hệ đa cảm biến hoặc tính toán giá trị về đại lượng đo của cảm biến. Gọi và là độ nhạy với sóng phản xạ trên vật liệu đế trong cùng điều kiện là như nhau và bằng . Độ trễ thời gian và 6
trễ pha giữa hai tín hiệu phản xạ mô trả trong công thức (1.9) và (1.10) τ τ2 1 τ 2 τ1 S y ,1 y (1.9) τ φ2 1 2 f τ2 1 2 f τ.S y ,1 y (1.10) Với ∆τ=τ2-τ1 và tích f. ∆τ là số bước sóng giữa hai bộ phản xạ. Để đo các đại lượng vật lý, bài toán quay đưa về đo thời gian trễ hoặc góc trễ pha của các tín hiệu phản xạ. Với nguyên lý của sóng âm bề mặt và các phần tử được mô tả ở trên, có thể kết hợp để tạo thành các cấu trúc trong các ứng dụng của SAW. Bộ đọc đánh giá sự dịch chuyển pha của các xung phản xạ, vị trí và cấu trúc của bộ phản xạ được tính toán tạo thành các bit của dữ liệu phản hồi theo phương pháp mã hóa và được điều chế bởi các phương pháp khác nhau như điều chế biên độ xung, điều chế vị trí xung hoặc điều chế pha xung. Vật liệu đế áp điện sử dụng cho đế cảm biến có vai trò quan trọng bởi nó chịu tác động của các thông số vật lý của môi trường dẫn đến vận tốc lan truyền sóng âm bề mặt bị ảnh hưởng. Hình 1.12b Góc lệch pha của sóng phản xạ Trên Hình 1.12b mô tả góc lệch pha của hai sóng phản xạ tại trở lại IDT lệch pha một góc 1 và 2 tương ứng. Chẳng hạn, quan hệ giữa nhiệt độ cần đo T và độ trễ pha giữa đỉnh của phản xạ thứ nhất và phản xạ thứ 2 được tính theo công thức (1.11) [55] ; φ2 1(T ) φ2 1(Tref ). 1 TCD *(T Tref (1.11) Trong đó Tref là nhiệt độ tham chiếu, TCD là hệ số trễ nhiệt độ của vật liệu đế áp điện. 1.2. Phƣơng pháp mã hóa SAW theo tần số trực giao 7
Các tín hiệu phản xạ về bộ đọc có sự đa dạng ở cả tần số và thời gian khi triển khai mã hóa các cảm biến SAW trong hệ thống đa cảm biến [55]. Với một hàm thời gian cho trước , độ dài của 1 bit thời gian được định nghĩa là , thời gian của 1bit này sẽ được chia ra một số nguyên sóng: v (1.17) Với là số sóng thành phần trong 1 bit. Độ dài tín hiệu τc được chọn làm khung thời gian được xét trực giao trong phương trình (1.13) cho hệ cơ bản. Cho phép một khoảng thời gian trễ τD, do đó τc= t-τD thay lại các phương trình từ (1.12) đến (1.16) và mỗi sóng thành phần được định nghĩa là hcj (t) thì một bit được định nghĩa là tổng của J tín hiệu: J g bit t ω j hcj t jτ C (1.18) j 1 Các sóng liền kề nhau và không chồng lấn lên nhau về mặt thời gian, j là biên độ của bit và dạng hàm của sóng hcj(t-j∙τC) được định nghĩa ở (1.14) và (1.15). Trong một sóng có thể có nhiều tần số của sóng mang, tùy thuộc vào các hệ số. Giả sử có một tín hiệu thuộc cơ sở ở (1.14), các kết quả tương tự cũng có thể có được với (1.15). Do đó, ta có thể khái quát: M 2m 1 π t jτ C t jτ C hcj t jτ C b jm cos rect (1.19) m 1 τC τC Để tạo tín hiệu cần có, cho tất cả hệ số bjm=0 với mọi m trừ một giá trị m =Cj với 1≤ Cj≤ M. Do đó, ta có: 2C j 1 π t jτ C t jτ C hcj t jτ C b j cos rect (1.20) τC τC CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐỌC PHA CỦA TÍN HIỆU PHẢN HỒI Trong mạng cảm biến không dây thụ động SAW, bộ đọc thường sử dụng các hệ thống nhúng để xử lý tín hiệu nhận về từ cảm biến và tính toán thông tin đo. Tín hiệu gửi về bộ đọc của các cảm biến thành phần phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của các nút cảm biến có trong mạng. Các tín hiệu phản hồi trở lại bộ đọc của cảm biến thụ động 8
không dây có vai trò quan trọng trong việc xác định thông tin đo lường và nhận dạng, nếu biên độ các tín hiệu này lớn thì bộ đọc dễ dàng nhận biết tín hiệu và đọc chính xác hơn. Biên độ của các sóng phản xạ mà bộ đọc nhận về này, bên cạnh việc bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố như môi trường truyền sóng, anten thu phát ở cả hai phía còn phụ thuộc vào cấu trúc cảm biến, bao gồm vật liệu đế, vị trí tính chất của IDT và các bộ phản xạ gắn trên đế. Để có thể xây dựng được một nút trạm hoặc nút cảm biến hoàn thiện, việc lựa chọn được cấu trúc cảm biến thành phần phù hợp là một yêu cầu quan trọng. Do vậy nội dung chương 2 của luận án nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số hình học của cảm biến SAW đến biên độ của sóng phản xạ, trên cơ sở đó xây dựng một cấu trúc cảm biến thụ động phục vụ cho việc tính toán góc pha của tín hiệu phản hồi. Phạm vi nghiên cứu của luận án không đề cập đến anten và quá trình lan truyền sóng trong môi trường, giả định các tín hiệu nhận được từ IDT được truyền hoàn toàn tới bộ đọc. 2.1 Lựa chọn cấu trúc cơ sở Căn cứ vào bảng tính chất của một số vật liệu áp điện, chọn vật liệu LiNbO3 Y, Z để thực hiện vì có hệ số biến đổi điện cơ lớn, vận tốc lan truyền sóng bề mặt là 3480 m/s. Hình 1.8a Cấu trúc IDT hai hướng điện cực đơn. NCS lựa chọn cấu trúc IDT loại hai hướng, điện cực đơn với vật liệu là nhôm trong nghiên cứu như Hình 1.8a. Quan hệ giữa tần số trung tâm và bước sóng mô tả trên (2.1) v f0 (2.1) Bộ phản xạ có cấu trúc hở mạch, có độ rộng các thanh bằng độ rộng điện cực IDT và khoảng cách giữa các bộ phản xạ đều nhau để thực hiện trong các mô phỏng. Luận án sử dụng kết hợp hai công cụ phần mềm Ansys và Matlab để thực hiện mô phỏng hoàn chỉnh một cảm biến SAW thể hiện quá trình sóng và quá trình tính toán tín hiệu 9
nhận về của bộ đọc. Đầu tiên, mô phỏng cấu trúc SAW RDL trên Ansys, khảo sát lựa chọn các thông số cho cấu trúc trên một vật liệu đế, thay đổi các thông số để có được biên độ đầu ra của sóng phản xạ lớn, từ các giá trị tối ưu hẹp của cấu trúc mô phỏng. Sau đó, từ cơ sở các kết quả nhận được trong mô phỏng Ansys, xây dựng mô hình thực hiện thuật toán đọc pha trên Matlab. Để thực hiện, luận án thực hiện với các tần số 870MHz và tần số là 125MHz nằm trong hai dải UHF và VHF. Hai tần số trung tâm này liên quan đến độ rộng của điện cực IDT, các kết quả khảo sát là cơ sở dữ liệu về cấu trúc mô hình được sử dụng cho thuật toán đọc pha. 2.2. Các yêu cầu về mô phỏng Luận án sử dụng kết hợp hai công cụ phần mềm Ansys và Matlab để thực hiện mô phỏng hoàn chỉnh một cảm biến SAW thể hiện quá trình sóng và quá trình tính toán tín hiệu nhận về của bộ đọc. Đầu tiên, mô phỏng cấu trúc SAW RDL trên Ansys, khảo sát lựa chọn các thông số cho cấu trúc trên một vật liệu đế, thay đổi các thông số để có được biên độ đầu ra của sóng phản xạ lớn, từ các giá trị tối ưu hẹp của cấu trúc mô phỏng. Sau đó, từ cơ sở các kết quả nhận được trong mô phỏng Ansys, xây dựng mô hình thực hiện thuật toán đọc pha trên Matlab. Các vấn đề cần thực hiện trên mô phỏng trên Ansys bao gồm: - Khảo sát các thông số của mô hình cảm biến không dây thụ động SAW RDL với một IDT trên đó có quá trình nhận tín hiệu thẩm vấn từ bộ đọc và nhận đáp ứng từ các bộ phản xạ. - Đọc kết quả về tín hiệu phản hồi lại IDT sau mô phỏng, phân tích và sử dụng làm tín hiệu vào khi mô hình hóa quá trình đọc tín hiệu phản hồi từ cảm biến SAW đến bộ đọc để xây dựng thuật toán đọc pha, bỏ qua các quá trình lan truyền sóng và ảnh hưởng của anten. - Xét các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ đáp ứng của sóng phản xạ bao gồm: + Thời gian đặt tín hiệu vào IDT. + Số cặp điện cực IDT. + Số thanh của bộ phản xạ. + Tỉ số hóa kim của bộ phản xạ. + Vật liệu chế tạo bộ phản xạ. 10
+ Độ dầy các thanh phản xạ. 2.3 Cấu trúc tổng thể và thông số ban đầu Luận án sử dụng cấu trúc mô phỏng với 3 bộ phản xạ loại hở mạch và IDT hai hướng như Hình 2.7 để mô phỏng FEM. (a) (b) Hình 2.7 Cấu trúc mô phỏng (a) hình chiếu đứng, (b) cấu trúc mô phỏng Trong phạm vi của luận án không nghiên cứu các vấn đề về anten, quá trình năng lượng và lan truyền sóng điện từ giữa anten gắn trên bộ đọc và anten gắn trên IDT không được đề cập, coi tín hiệu điện áp đặt vào IDT chính là tín hiệu thẩm vấn phát ra từ bộ đọc và được anten gắn trên IDT nhận được. Giả thiết xung điện áp nhận được tại IDT là u(t), có biên độ 2V, có tần số phát từ bộ đọc là 870MHz, biểu thức cụ thể như sau: 6 u (t ) 2cos(2 *870 *10 * t ) rect (t ) (2.8) Hình 2.13 Hình ảnh sóng cơ phản xạ từ 3 bộ phản xạ sau khi giải. Hình 2.13 mô tả sóng cơ phản xạ từ ba bộ phản xạ sau khi giải, trong đó 3 cụm sóng nhỏ là sóng tại vị trí các bộ phản xạ, cụm sóng lớn bên trái là sóng phản hồi trở lại IDT, cụm sóng lớn bên phải một phần sóng truyền qua các bộ phản xạ đến biên phải trong trường hợp này chúng không được xét đến. Hình 2.17 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi số điện cực IDT ở tần số 870MHz. 11
(a) (b) (c) 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. Kết quả điện áp đọc trên IDT khi thay đổi số điện cực IDT, mô phỏng cho tần số 870MHz được mô tả trong Hình 2.17. Kết quả mô phỏng Hình 2.18 cho thấy biên độ sóng phản xạ trong 3 bộ phản xạ tăng lên khi số lượng IDT tăng từ 20 lên 80. Điều này có thể gây ra bởi điện tích trên bề mặt đế áp điện vào tăng lên do sự gia tăng số lượng IDT. Về mặt lý thuyết, khi tăng số điện cực IDT thì công suất sóng tăng, tuy nhiên do việc lan truyền qua nhiều điện cực thì vận tốc lan truyền của sóng cũng bị suy giảm, do vậy khi số điện cực là 50 thì giá trị biên độ điện áp phản xạ lớn nhất, nhưng nếu tiếp tục tăng số điện cực lên thì biên độ sóng phản xạ giảm dần bởi lượng tăng của Cs nhỏ hơn so với giá trị suy giảm của vận tốc lan truyền sóng. Với tần số thấp hơn là 125MHz thì độ rộng điện cực tăng lên, tuy nhiên, kết quả cho thấy với số điện cực 50IDT cũng cho biên độ lớn nhất tại các đỉnh phản xạ, tương tự như trường hợp tần số 870MHz. Bảng 2.11 Các thông số cấu trúc trên mô hình xây dựng thuật toán đọc pha. Thông số Giá trị Thời gian đặt điện áp (ns) 30 Số điện cực IDT 50 Số thanh trên một bộ phản xạ 4 Tỉ số hóa kim a/p 0,5 Vật liệu làm thanh phản xạ Al Khảo sát với các trường hợp thay đổi độ dầy thanh phản xạ, tỉ số hóa kim, vật liệu làm thanh phản xạ- theo các bước như trên ta có 12
bảng tổng hợp các thông số cấu trúc hình học của SAW RDL cho biên độ sóng phản xạ trở lại IDT là lớn nhất, như trong Bảng 2.11. Các giá trị này sẽ được sủ dụng cho cấu trúc cảm biến trong thuật toán đọc pha ở phần sau. 2.4 Xây dựng thuật toán đọc pha Với mục tiêu xây dựng thuật toán đọc, cần thiết xây dựng một số cảm biến có những thay đổi thể hiện sự tác động của các thông số vật lý của môi trường đo lên cấu trúc cảm biến. Như vậy, yêu cầu một kịch bản làm rõ sự tương quan giữa giá trị tăng của thời gian trễ bằng cách hoặc là thay đổi khoảng cách giữa bộ đọc và cảm biến, hoặc thay đổi khoảng cách giữa IDT và các bộ phản xạ trên cảm biến, thông qua phép đo góc trễ pha. Với tần số 870MHz ở dải UHF thì việc chế tạo cảm biến với công nghệ trong nước là khó khả thi bởi vì công nghệ trong nước hiện nay mới đáp ứng được các tần số thấp hơn. Được sự góp ý về tính khả thi và thuận lợi, có thể hướng tới thực hiện chế tạo thực nghiệm trong các nghiên cứu tiếp theo của viện ITIMS nên luận án sử dụng tần số trung tâm là 100MHz thuộc dải tần số VHF cho 3 cấu trúc thực hiện trên Ansys để xây dựng thuật toán đọc pha của tín hiệu phản hồi trên SAW đường trễ phản xạ. Đầu tiên, cần xác định các đáp ứng của nút cảm biến SAW sử dụng mô phỏng FEM. Hình 2.37 Sơ đồ khối của thiết bị đọc tín hiệu của cảm biến SAW trên Matlab/Simulink Từ các kết quả nhận được trong mô phỏng FEM, NCS xây dựng mô hình bộ đọc trên Matlab. Hình 2.37 mô tả sơ đồ quá trình đọc tín hiệu phản hồi của bộ đọc trên Matlab/Simulink. Trong cảm biến dòng trễ SAW RDL một cổng, tại IDT không thể lập mô hình chỉ với một cổng bởi vì tại đó vừa xảy ra quá trình nhận xung thẩm vấn, vừa truyền sóng phản xạ trở lại, do vậy SAW được mô tả như một hệ 13
thống hai cổng trên Matlab, bao gồm đầu vào và đầu ra. Mô hình tính toán góc pha trên Matlab như Hình 2.38. Hình 2.38 Mô hình tính toán góc pha trên Matlab/Simulink Hình 2.40 Tín hiệu vào của SAW1 (a) Tín hiệu vào khối lọc 1 và (b) Tín hiệu vào khối lọc 2 Đồ thị của SIm và SQm tương ứng trên Hình 2.40a và Hình 2.40b. Tính toán với các hàm cùng pha và vuông pha ta nhận được tín hiệu vào từ của SAW1 với : SIm (τi ) Ci cos ωτi (2.30) SQm τi Ci sin ωτi (2.31) sin(φi ) SQm SQm (2.32) tan(φi ) φi tan 1 ( ) cos(φi ) SIm SIm Ta có Ci 2 SIm i 2 SQmi (2.33) Theo Chirstian Gruber, góc trễ pha được tính từ (2.32). Tuy nhiên từ đồ thị tín hiệu ra từ hai bộ lọc, SIm và SQm cho thấy tồn tại vấn đề nhập nhằng pha của góc i nằm trong khoảng từ 0 đến . Luận án sử dụng hiệu của các góc pha tín hiệu phản hồi. Chính vì lý do này nên cấu trúc SAW luận án thực hiện để khảo sát sử dụng ít nhất ba bộ 14
phản xạ. Giả thiết bộ đọc nhận được các giá trị phản hồi về từ cảm biến, như kết quả nhận được từ mô phỏng Ansys, chi tiết trên Bảng 2.14. luận án đưa việc tính góc trễ pha về việc tính hiệu góc pha theo thuật toán tính góc i như sau: sin φ3 - φ2 - φ2 - φ1 sin φ3 - φ2 *cos φ2 - φ1 - cos φ3 - φ2 *sin φ2 - φ1 2 sin(φ3 ) * cos(φ 2 ) * cos(φ1 ) - cos(φ3 ) *sin(φ 2 ) * cos(φ 2 ) * cos(φ1 ) = 2 sin(φ3 ) * cos(φ 2 ) *sin(φ 2 ) *sin(φ1 ) - cos(φ3 ) * sin(φ 2 ) *sin(φ1 ) 2 cos(φ3 ) *cos(φ 2 ) *sin(φ 2 ) *cos(φ1 ) sin(φ3 ) * sin(φ 2 ) *cos(φ1 ) - 2 -cos(φ3 ) * cos(φ 2 ) *sin(φ1 ) - sin(φ3 ) *sin(φ 2 ) *cos(φ2 ) *sin(φ1 ) (2.34) Từ đồ thị của Ci với quan hệ trong (2.33) ta tính được sin và cos theo (2.30) và (2.31), vì sử dụng hiệu trễ pha của các bộ phản xạ nên góc trễ pha sẽ nhỏ trong giới hạn 0-2. Thực hiện với 3 cấu trúc SAW1, SAW2 và SAW3 cho kết quả phù hợp. Kết luận chƣơng 2 Chương 2 đã phân tích, so sánh mô phỏng trên phần mềm Ansys các thông số liên quan đến cấu trúc hình học của cảm biến thụ động không dây SAW RDL như số lượng điện cực IDT, khoảng cách giữa IDT và các bộ phản xạ, vật liệu thanh phản xạ, tỉ số hóa kim, thời gian đặt điện áp. Phạm vi mô phỏng thay đổi các thông số hình học thực hiện trên cùng một cấu trúc cơ sở để nhận được tín hiệu phản xạ có biên độ là lớn nhất. Ở cả hai tần số 870MHz và 125MHz thì các phân tích kết quả thực hiện đã chỉ ra các thông số sử dụng cho các cấu trúc ở nội dung tiếp theo gồm 50 điện cực IDT, 4 thanh phản xạ trên mỗi bộ, tỉ số hóa kim a/p = 0,5 và vật liệu sử dụng cho thanh phản xạ là Al. Thời gian đặt điện áp tại IDT là 30ns. Trên cơ sở các kết quả thu được này, luận án xây dựng một cấu trúc cảm biến cho thuật toán đọc pha của tín hiệu phản hồi gồm ba bộ phản xạ để có hiệu góc trễ pha của hai cặp tín hiệu phản xạ và sử dụng kết hợp hai công cụ phần mềm Ansys và Matlab để mô phỏng hoàn chỉnh quá trình nhận tín hiệu phản hồi và tính toán ra góc trễ pha. Trong đó, các kết quả mô phỏng cảm biến trên Ansys làm thông số đầu cho mô hình tính toán góc trễ pha trên Matlab. Việc áp kết hợp hai công cụ mô phỏng là Ansys và Matlab cho góc nhìn hoàn chỉnh về cảm biến 15
SAW và có thể hỗ trợ việc thiết kế cảm biến SAW sau này. Luận án cũng đã đưa ra được phương pháp tính góc trễ pha. Việc sử dụng hiệu các góc trễ pha đảm bảo được rằng trong giới hạn 2, thuật toán kiểm chứng trên ba cấu trúc SAW1, SAW2, SAW3 với các thông số mô phỏng trên Ansys và kết quả được dùng trong mô hình tính góc pha cho kết quả là phù hợp. Các kết quả khảo sát về thông số cấu trúc cảm biến cũng được dùng là cơ sở để xây dựng mô hình mô phỏng trong việc đọc tín hiệu phản xạ từ hệ đa cảm biến ở chương tiếp theo. CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐỌC ĐỒNG THỜI TÍN HIỆU PHẢN XẠ TRONG HỆ ĐA CẢM BIẾN SAW OFC Chương này phân tích 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 mã hóa theo phương pháp OFC. 3.1 Bài toán thiết kế Các cảm biến thụ động không dây SAW đường trễ phản xạ được mã hóa theo phương pháp OFC (sau đây gọi tắt là SAW OFC). Hệ đa cảm biến bao gồm m thẻ cảm biến từ SAW1 đến SAWm. Hình 3.3 mô tả sơ đồ nguyên lý của một thẻ SAW OFC với 5 bộ phản xạ (mỗi bộ phản xạ được gọi là một chip) tương ứng với 5 tần số f1, f2, f3, f4, f5. Hình 3.3 Sơ đồ một thẻ SAW OFC 5 chip. Trên cơ sở các phân tích như trên, yêu cầu đặt ra cho bài toán đọc tín hiệu phản xạ trong hệ đa cảm biến SAW RDL như sau: - Nhận biết các thẻ SAW có trong vùng đọc của bộ đọc. - Tính biên độ và pha của các tín hiệu do cảm biến gửi về bộ đọc từ tín hiệu chồng lấn ở bộ đọc bằng phương pháp giải ma trận. - Xây dựng thuật toán thực hiện yêu cầu khi góc pha lớn hơn 2. 16
- Tần số trung tâm của hệ lớn hơn 12,5MHz. - Mô phỏng kiểm chứng thuật toán thực hiện. Các giả thiết và thông số cụ thể - Hệ gồm Nt các cảm biến thành phần nằm trong vùng đọc của có bán kính dM(m). - Mỗi thẻ cảm biến SAW OFC có Nc bộ phản xạ tương ứng với Nc tần số. - Tất cả các phản xạ đều đến bộ đọc. - Tần số của chip thứ k trên tag thứ m là fchipmk=n*f0. -Các tín hiệu phản xạ lại từ các cảm biến điều là các tín hiệu OFC lý tưởng. Giả sử tất cả các tín hiệu phản xạ đều gửi được trở lại bộ đọc thì tín hiệu chồng lấn nhận được tại bộ đọc sẽ có dạng là: Nt hMOFC t hOFCm t m 1 (3.2) Nt NC t τ p0 k τOFCm 1 amk rect exp j 2 f chipmk t - τ p0 k - τOFCm m 1k 1 chip 2 NC Nt t τ p0 k τOFCm 1 amk rect exp j 2 f chipmk t - τ p0 k - τOFCm k 1m 1 τchip 2 Ta xét trong khung thời gian [ ], tín hiệu chống lấn lý tưởng được mô hình hóa như sau: t τ p0 k τ M 1 hMOFC (t )rect τchip τ M 2 (3.3) t τ p0 k τM 1 NC rect . a . exp j 2 f chipmk (t τ p0 k τOFCm ) τchip τM 2 m 1 mk NC t τ p0 k τM 1 .rect . exp j 2 0 (t τ p0 k τOFCFkn ) n 1 kn τchip τM 2 với là biên độ của tín hiệu chồng lấn với các tần số trung tâm của sóng phản xạ thứ k đều là trong khung thời gian [ ], và là trễ pha giả do sự chồng lấn các tín hiệu phản hồi lên nhau và sự lựa chọn khung thời gian. 17
3.2 Thuật toán ma trận nhận dạng các cảm biến Kế thừa trên cơ sở thuật toán ma trận của Weifeng Liu, luận án thực hiện với các kịch bản khác nhau, với số các bộ phản xạ trên đế cảm biến. Để có thông số giá trị biên độ sóng phản xạ ban đầu nhập vào làm đối sánh cho kết quả sau khi chạy thuật toán trên phần mềm Matlab trên cấu trúc cơ sở đã thực hiện ở chương 2, với các giá trị của IDT, bộ phản xạ cho biên độ sóng phản xạ lớn nhất trong khảo sát. Đầu tiên luận án mô phỏng bộ số liệu của cảm biến SAW OFC trên phần mềm Ansys trong đó ba bộ phản xạ được dùng để mã hóa cảm biến, độ rộng các thanh phản xạ được tính toán theo tần số sử dụng là f1, f2, f3 tương ứng là 125MHz, 250MHz và 375MHz lớn hơn tần số 12,5MHz. Biên độ sóng phản xạ thu được từ mô phỏng Ansys được sử dụng làm dữ liệu ban đầu để đối sánh với các kết quả mô phỏng trên Matlab. Phương pháp kết hợp hai công cụ phần mềm cho kết quả thực hiện có tính logic và thuyết phục cao hơn. Luận án tập trung vào việc xác định, nhận dạng các thẻ cảm biến SAW RDL được mã hóa bởi phương pháp tần số trực giao OFC với các kịch bản khác nhau, bỏ qua việc đo lường thông tin đại lượng vật lý. Các tín hiệu chồng lấn nhận được ở bộ đọc do các tín hiệu phản hồi từ các chip trên cảm biến có cùng tần số gây ra. 3.3 Kết quả thực hiện Giá trị nhận được từ mô phỏng Ansys được làm dữ liệu đầu vào cho ma trận biên độ và pha. Từ thông tin nhập vào ma trận thuật toán, xác định được cảm biến hiện tại trong vùng hỏi của bộ đọc. Sau khi giải phương trình ma trận được kết quả biên độ và pha của từng tín hiệu phản xạ từ các thẻ cảm biến, kết quả như trên Hình 3.8. Hình 3.8 Dạng tín hiệu thành phần trên đồ thị; (a) biên/tần, (b) pha/tần trong khung thời gian thứ nhất [20ns, 100ns]. Với các giá trị thu được từ tín hiệu chồng lấn, từ thuật toán xét các cảm biến tương ứng, xác định được biên độ và thời gian trễ của 18