Luận án Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt

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

iv

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

pdf159 trang | Chia sẻ: vietdoc2 | Ngày: 28/11/2023 | Lượt xem: 139 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ản xạ nhận được tại IDT, luận án thực hiện mô phỏng với số thanh của mỗi bộ phản xạ thay đổi từ 2 đến 20. Hình 2.20 là kết quả nhận được với tại IDT khi đặt điện áp có tần số 870MHz. Hình 2.21 (a), (b), (c) là trích xuất tại vị trí biên độ các sóng phản xạ lớn nhất. Hình 2.20 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi số thanh bộ phản xạ ở tần số 870MHz. Hình 2.21 cho thấy tại bộ phản xạ thứ nhất, khi số thanh trong mỗi bộ phản xạ là 20 thì biên độ sóng phản xạ thu được là lớn nhất, xấp xỉ với trường hợp N=10 và N=8 (a), tuy nhiên đến bộ phản xạ thứ hai thì trường hợp số thanh là 8 cho biên độ sóng phản xạ lớn nhất. Tại bộ thứ 2, biên độ lớn nhất khi N=8, tại bộ thứ 3, sóng phản với số thanh là 4 cho biên độ lớn nhất. Trường hợp số thanh là 20 thì sóng phản xạ giảm mạnh ở bộ phản xạ thứ 2 và thứ 3 so với bộ thứ nhất (b). Các sóng phản xạ này liên quan đến hệ số phản xạ trong cấu trúc lưới. Trong mô hình mạch tương đương Hình 2.22, hệ số phản xạ được tính là là [46]:     2 2 3 2 2 3 tan 2 tan e e e e R Rj N R R R Rj N R R                 (2.19) Với Re là trở kháng sóng, N là số thanh phản xạ, e là số sóng hữu ích, là hàm phụ thuộc tần số của các sóng tới và phản xạ tại các thanh. Khi lưới dài vô hạn thì xảy ra phản xạ Bragg, nghĩa là toàn bộ sóng tới sẽ phản xạ lại. Do đó khi mô phỏng, tăng số điện cực đến 20, biên độ sóng phản xạ có giá trị lớn tại bộ phản xạ thứ nhất. 49 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 Hình 2.22 Cấu trúc lưới hữu hạn và mạch tương đương [46]. Bảng 2.8 tổng hợp các giá trị biên độ điện áp lớn nhất của ba đỉnh phản xạ trong các trường hợp. (a) (b) (c) 50 Bảng 2.8 Tổng hợp các biên độ tín hiệu phản xạ lớn nhất ở tần số 870MHz. Thứ tự Số thanh phản xạ Phản xạ 1 (V) Phản xạ 2 (V) Phản xạ 3 (V) 1 2 0,0536 0,02005 0,02174 2 4 0,08189 0,05003 0,04075 3 6 0,119 0,04444 0,008114 4 8 0,1468 0,06734 0,01792 5 10 0,106 0,02855 0,02068 6 20 0,1291 0,01796 0,01063 Từ số liệu thống kê trong Bảng 2.8, thấy rằng khi số thanh trong các bộ phản xạ là 4 thì biên độ sóng phản xạ của ba bộ ít chênh lệch nhất, tuy rằng trong bộ thứ nhất và thứ hai thì biên bộ này không phải là lớn nhất. Trường hợp số thanh là 20 có sự suy giảm rõ rệt của sóng phản xạ tại ba bộ, điều này một phần do sự suy giảm vận tốc sóng lan truyền khi qua nhiều thanh phản xạ trên lưới hơn, bởi vì mỗi khi gặp thanh phản xạ, biên độ sóng sẽ bị suy giảm khi lan truyền tới các thanh tiếp theo. Với kết quả nhận được ở Hình 2.23 thấy rằng với các sóng lan truyền có biên độ nhỏ thì dạng sóng méo do ảnh hưởng của nhiều sóng lan truyền liên tục trên bề mặt đế và quãng đường lan truyền dài hơn làm cho sóng bị nhiễu loạn. Xét về độ ổn định biên độ của các sóng phản xạ thì trường hợp số thanh phản xạ bằng 4 cho thấy ít có sự chênh lệch giữa ba đỉnh của sóng phản xạ.Với các ứng dụng nhận dạng của SAW đường trễ phản xạ, việc suy giảm tín hiệu tại các bộ phản xạ phía sau là điều không mong muốn, và số bộ phản xạ có thể tăng lên nhiều hơn ba bộ. Ngoài ra, số thanh trong các bộ phản xạ lớn sẽ làm tăng kích thước và trọng lượng của cảm biến. Vì vậy, trong cấu trúc thực hiện cho các thuật toán ở nội dung tiếp theo luận án sử dụng các bộ phản xạ có 4 thanh. 51 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. 2.1.4.6 Ảnh hưởng tỉ số hóa kim của bộ phản xạ Tín hiệu đặt vào IDT là tín hiệu đơn tần, nên các thanh trong bộ phản xạ được đặt với khoảng cách giống như các điện cực IDT, là cách đều nhau là a với chu kỳ p, mặt cắt của hai thanh liền kề mô tả như Hình 2.4, tỉ số hóa kim được tính là a/p. Với kết quả mô phỏng ở trên, số điện cực IDT là 50, số thanh bộ phản xạ là 4, tỉ số a/p được thay đổi từ 0,3 đến 0,8, giữ nguyên chu kỳ p, thay đổi độ rộng của thanh phản xạ và thực hiện mô phỏng với hai tần số 870MHz và 125MHz. (a) (b) (c) 52 Hình 2.24 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi số tỉ số a/p ở tần số 870MHz. Hình 2.24 là kết quả điện áp đọc trên IDT khi thực hiện mô phỏng với tần số 870MHz. Quan hệ giữa điện áp lớn nhất ở bộ phản xạ đầu tiên theo tỉ số a/p được thể hiện trên Hình 2.25. Hình 2.25 Điện áp từ bộ phản xạ thứ nhất ở tần số 870MHz với các tỉ số a/p. Với đồ thị Hình 2.25, thấy rằng sóng phản xạ lớn nhất của bộ phản xạ 1 khi a/p = 0,6. Hình 2.26 và hình 2.27 trích xuất tại ba đỉnh sóng phản xạ tương ứng với hai tần số 870MHz và 125MHz, trong đó các biên độ các sóng phản xạ khi a/p là 0,5; 0,6; 0,7 gần xấp xỉ nhau, sự chênh lệch rõ rệt ở cả ba đỉnh của ba sóng phản xạ khi tỉ số này bằng 0,3; 0,4; 0,8. Bảng 2.9 chỉ trích xuất giá trị điện áp chi tiết tại vị trí có biên độ lớn nhất của ba đỉnh ứng với tỉ số 0,5; 0,6; 0,7 khi thực hiện ở tần số 870MHz. Từ giá trị trên Bảng 2.9 thấy rằng với tỉ số a/p = 0,6 thì sóng phản xạ của bộ phản xạ thứ nhất có biên độ lớn nhất, còn biên độ ứng với giá trị 0,5 và 0,7 gần xấp xỉ. Sóng hồi đáp từ bộ phản xạ thứ hai thì biên độ với tỉ số 0,6 và 0,5 gần như xấp xỉ nhau. Hồi đáp từ bộ phản xạ thứ ba với ba tỉ số 0,5; 0,6; 0,7 gần như tương đương. Điều này rất có lợi thế trong các ứng dụng nhận dạng và đo đa điểm của SAW RDL vì thuận lợi cho các hệ số khuếch đại tín hiệu phản hồi khi thiết kế mạch phần cứng cho bộ đọc. Ngoài ra, sử dụng tỉ số a/p = 0,5 giống cấu trúc của điện cực IDT nên thuận lợi trong quá trình quang khắc chế tạo điện cực. Do vậy tỉ số hóa kim a/p của bộ phản xạ chọn là 0,5 trong các nội dung tiếp theo. 53 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. Bảng 2.9 Tổng hợp các biên độ tín hiệu phản xạ lớn nhất tương ứng a/p ở tần số 870MHz. Thứ tự Tỉ số a/p Phản xạ 1 (V) Phản xạ 2 (V) Phản xạ 3 (V) 1 0,5 0,08193 0,08429 0,05551 2 0,6 0,09457 0,08363 0,05519 3 0,7 0,0811 0,07669 0,05724 Khi thực hiện ở tần số 125MHz, đường lan truyền sóng dài hơn, các sóng truyền và phản hồi liên tục, đồng thời số các phần các sóng bị tán xạ tăng dẫn đến tín hiệu nhận về méo hơn khi thực hiện ở tần số 870MHz. Tuy vậy, các đỉnh phản xạ của ba bộ trong trường hợp tỉ số a/p là 0,5; 0,6 và 0,7 cho kết quả tương đồng với trường hợp sử dụng tần số 870MHz. (a) (b) (c) 54 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. 2.1.4.7 Khảo sát vật liệu của bộ phản xạ Bảng 2.3 trình bày đặc tính của một số vật liệu làm IDT, ngoài yêu cầu về điện trở suất thấp, độ bám dính còn quan tâm đến tỷ trọng của vật liệu để đảm bảo ít ảnh hưởng đến trọng lượng tổng thể của cảm biến. Mặc dù Al là vật liệu phổ biến cho các thiết bị SAW nhưng nó không phải luôn là sự lựa chọn tối ưu khi thiết kế. Do vậy, việc đánh giá để tính chọn vật liệu phù hợp làm các thanh phản xạ mang lại lợi ích quan trọng khi thiết kế chế tạo cảm biến. Luận án sử dụng 4 vật liệu phổ (a) (b) (c) 55 biến là Al, Cu, Pt, Au để mô phỏng và quan sát đáp ứng đầu ra của trong cùng điều kiện. Bảng 2.10 mô tả các thông số vật liệu nhập khi thực hiện. Bảng 2.10 Thông số các vật liệu làm thanh phản xạ [92]. Vật liệu Thông số Al Cu Pt Au Khối lượng riêng (x103 kg/m3) 2,679 8,93 21,45 19,32 Young’s Modulus (GPa) 70,3 129,8 168 78 Hệ số Poisson 0,345 0,343 0,38 0,44 Điện trở khối (x10-8 Ωm) 3,55 2,23 10,5 2,88 Điện áp đọc trên IDT với 4 vật liệu làm thanh phản xạ được tổng hợp và mô tả trên Hình 2.28, ở tần số 870MHz. Các trích xuất tại các cụm sóng phản xạ mô tả trên Hình 2.29. 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. Từ các kết quả này thấy rằng biên độ sóng phản xạ tăng lên khi thay đổi vật liệu của bộ phản xạ từ Al sang Cu, Pt, Au. Theo [92], sự phản xạ của thanh phản xạ phụ thuộc chủ yếu vào khối lượng riêng của vật liệu vì khối lượng riêng của Au là 19200 (kg/m3), lớn hơn so với khối lượng riêng của Al là 2697 (kg/m3), khối lượng riêng của Cu là 8930 (kg/m3), tuy nhiên khối lượng riêng của Pt là 21450 (kg/m3) lớn hơn của Cu, như vậy có nghĩa là ngoài thông số về khối lượng riêng, độ phản xạ còn phụ thuộc và thông số khác, chẳng hạn như hệ số Poisson của Au (0,44) lớn hơn Pt (0,38). Hình 2.30 là kết quả trích xuất các đáp ứng khi thực hiện ở tần số 125MHz, cho kết quả khá tương đồng với tần số 870MHz. Trong 4 vật liệu khảo sát, tuy nhôm cho biên độ phản xạ thấp nhất nhưng có ưu điểm khối lượng riêng nhỏ hơn hẳn ba vật liệu còn lại, điều này là yếu tố quan trọng vì làm cho trọng lượng cảm biến giảm đáng kể bởi vì SAW thụ động không dây được dùng nhiều trong các lĩnh vực mà trọng lượng và kích thước là yêu cầu bắt buộc chẳng hạn như trong môi trường không gian vũ trụ như trên các cánh máy bay hoặc tên lửa. Với các ứng dụng thông thường, không đòi khắt khe về trọng lượng của cảm biến, người ta có thể sử dụng Au hoặc Pt tuy nhiên giá thành hai vật liệu này cũng là một vấn đề cần xem xét trong việc tối ưu giá thành cảm biến. 56 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. Ngoài ra, xét về độ bám dính khi quang khắc và ăn mòn kim loại thì nhôm có lợi thế hơn đồng thời giá thành và việc dễ dàng tìm kiếm trên thị trường. Đó là lý do các cảm biến SAW với điện cực và phản xạ nhôm đang được sử dụng phổ biến. Do đó trong các thiết kế sau, luận án sử dụng vật liệu nhôm cho các bộ phản xạ. (a) (b) (c) 57 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. 2.1.4.8 Ảnh hưởng độ dầy thanh phản xạ Khi tăng độ dầy các thanh của bộ phản xạ, thứ nhất là trọng lượng cảm biến sẽ tăng, thứ hai tỷ số h1/ trong đó h1 là độ dầy của điện cực IDT và thanh phản xạ (mô tả trên Hình 2.4) ảnh hưởng đến sự suy giảm của sóng lan truyền do có sự tán xạ sóng nên một phần sóng chuyển thành sóng khối. Khi độ dầy của thanh phản xạ lớn thì thời sóng phản xạ từ bộ thứ nhất sẽ tăng, đồng thời sóng truyền qua đến (a) (b) (c) 58 các thanh tiếp theo sẽ giảm. Luận án khảo sát với tỉ số h1/ thay đổi từ 1% đến 5%. Điện áp đầu ra khi thay đổi độ dầy thanh phản xạ được mô tả trên Hình 2.31. Hình 2.32 là trích xuất đáp ứng từ 3 bộ phản xạ ở tần số 870MHz. Hình 2.31 Điện áp đặt vào và tín hiệu hồi đáp khi thay đổi tỉ số h1/ ở tần số 870MHz. 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. Kết quả mô phỏng cho thấy biên độ của sóng phản xạ tăng khi chiều dày điện cực tương đối h1/ tăng từ 1% đến 5%. Kết quả tương tự như nghiên cứu trong báo cáo [93]. Khi tăng đều độ dầy các thanh phản xạ, như trích xuất biên độ điện áp của ba đỉnh phản xạ thấy rằng khi tỉ số h1/= 5% thì biên độ sóng hồi đáp của bộ phản xạ thứ 3 có giá trị tương đối lớn. Việc lựa chọn tỉ số h1/ cũng phụ thuộc vào ý đồ thiết kế, và có thể không giống nhau trong các công trình nghiên cứu. Ngoài việc tăng tỉ số h1/ dẫn đến tăng trọng lượng cảm biến nhưng biên độ sóng phản xạ lớn hơn thì việc tăng độ dầy thanh phản xạ trong bộ phản xạ thứ nhất sẽ dẫn đến (a) (b) (c) 59 một phần sóng tới truyền qua bộ phản xạ này đến các bộ phản xạ tiếp theo sẽ nhỏ và suy hao. Trong các ứng dụng nhận dạng hoặc đa cảm biến khi các bộ phản xạ đồng thời đóng vai trò mã hóa thì việc tính toán để biên độ các sóng hồi đáp từ các bộ phía sau cần đủ lớn để có thông tin gửi về bộ đọc liên quan đến độ dày lựa chọn. Luận án dừng lại ở việc thực hiện khảo sát kiểm chứng lại sự ảnh hưởng của độ dầy thanh phản xạ ở 870MHz, trong các nội dung trình bày tiếp theo, tỉ số h1/=5% được chọn để thực hiện. Từ các kết quả khảo sát và phân tích ở trên, Bảng 2.11 tổng hợp các giá trị thông số trên cấu trúc sử dụng thực hiện cho thuật toán đọc pha ở phần tiếp theo. 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 2.2 Xây dựng thuật toán đọc pha Để thiết kế tối ưu hóa một cảm biến cho ứng dụng cụ thể đòi hỏi một quá trình lâu dài, bao gồm cả thời gian và chi phí tài chính. Việc mô phỏng mô hình cấu trúc ngoài tác dụng giảm số lần thử nghiệm, cải thiện năng suất sản xuất thiết bị còn để tối ưu hóa đặc tính cảm biến mang lại hiệu quả hơn trong quá trình nghiên cứu và chế tạo. Các mô phỏng cảm biến SAW đã được thực hiện trước đây bởi nhiều tác giả [61],[94], tuy nhiên việc mô phỏng anten và thiết bị đọc rất phức tạp. Đối với cảm biến SAW thụ động không dây tín hiệu gửi đi từ bộ đọc tới cảm biến và tín hiệu phản hồi trở về có độ trễ pha, cần xác định góc trễ pha của hai tín hiệu này để xác định thông tin đo lường. Một số nghiên cứu đã đề cập đến việc mô phỏng phương pháp tính góc trễ pha sử dụng công cụ Matlab/Simulink [26], trong đó giao tiếp một-một giữa cảm biến và bộ đọc đã được thực hiện. Giới hạn phương pháp của tác giả là dữ liệu nhập vào mô hình được lấy ngẫu nhiên, hoặc triệt tiêu tham số trong phương trình tính toán, trong khi thực tế các biên độ và thời gian trễ của tín hiệu phản hồi trở lại ảnh hưởng rất nhiều bởi cấu trúc cảm biến. Như vậy các công bố trước đó chưa thể hiện rõ ràng sự logic về mặt cấu trúc cảm biến và thời gian trễ tín hiệu phản xạ, điều này cũng giới hạn việc thể hiện thông tin đo. Tác giả Christian Gruber cùng các cộng sự cũng đã đưa ra một phương pháp tính tan ( là góc trễ pha giữa tín hiệu thẩm vấn và tín hiệu phản xạ), và mô phỏng đúng trong trường hợp góc  nhỏ hơn 2, công bố chưa kiểm chứng tính đúng đắn khi góc trễ này lớn hơn 2. Với thử nghiệm kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy khi góc trễ pha này lớn hơn 2 thì phương pháp cho kết quá chưa chính xác. Đây cũng là một hạn chế còn tồn tại của phương pháp, hay tác giả mới giải quyết bài toán đọc pha trong phạm vi hẹp, chưa thể hiện rõ nét và chưa mô tả được mối liên hệ giữa hai khối cảm biến và bộ đọc trong hệ. Mô phỏng cấu trúc cảm biến SAW trên từ FEM sử dụng Ansys sau đó nhập kết quả nhận được sang mô hình trên Matlab/Simulink hỗ trợ hữu ích trong việc thiết thực cảm biến SAW sau này. Việc 60 kết hợp hai phần mềm Ansys và Matlab/Simulink cho góc nhìn hoàn chỉnh về cảm biến SAW hiện chưa được thực hiện trên thế giới. 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. Để thực hiện việc kiểm chứng này, luận án xây dựng 3 cảm biến trong đó cho thời gian trễ  thay đổi và mô phỏng trên Ansys. Các kết quả nhận được từ mô phỏng này được nhập vào mô hình tính toán góc trễ pha tương ứng trên Matlab/Simulink. Mục 2.1, luận án đã mô phỏng và đánh giá một số thông số cấu trúc cảm biến cho sóng phản xạ có biên độ lớn nhất, có nghĩa là đã giải quyết bài toán tối ưu hẹp. Các kết luận và giá trị thông số cấu trúc thực hiện được sử dụng cho mô hình cảm biến dùng xây dựng thuật toán đọc pha. Nghiên cứu và mô phỏng thuật toán đọc pha mong muốn hướng tới có thể chế tạo thử nghiệm cảm biến, các mô phỏng mục 2.1 sử dụng tần số là 870MHz và 125MHz, kết quả cho thấy các thông số ảnh hưởng tới biên độ tín hiệu phản hồi về IDT là tương đồng. 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. 2.2.1 Xác định các đáp ứng của nút cảm biến SAW sử dụng mô phỏng FEM Với các kết quả khảo sát mô phỏng ở trên, rõ ràng sóng phản xạ trở lại IDT bị ảnh hưởng bởi số điện cực IDT, vật liệu thanh phản xạ, thời gian đặt tín hiệu đặt như thống kê trên Bảng 2.11. Kết quả thực hiện trên các cảm biến được sử dụng đối sánh góc pha tính được trong các kịch bản khác nhau. Để thực hiện điều này, luận án sử dụng ba cảm biến là SAW1, SAW2 và SAW3 có cấu trúc hình học giống nhau và được chọn theo cấu trúc tổng thể với thông số cơ sở thu được thống kê trong Bảng 2.11, nhưng các khoảng cách từ IDT tới các bộ phản xạ và giữa các bộ phản xạ thay đổi. Để xét đáp ứng tín hiệu trên IDT trong cả ba trường hợp, cần mô phỏng SAW1, SAW2, SAW3 trên Ansys kiểm chứng về tín hiệu phản xạ, đồng thời làm kết quả đối sánh lại trong các trường hợp tính góc pha tiếp theo. Hình 2.33 là mặt cắt của cấu trúc cảm biến cơ sở, với các thông số chi tiết của ba cảm biến SAW1, SAW2, SAW3 cho trong Bảng 2.12. Trong cảm biến sử dụng sóng âm bề mặt, hiệu ứng áp điện mạnh thường đạt được bằng cách sử dụng các góc cắt tinh thể của vật liệu đế. Khi mô phỏng, góc cắt được thể hiện bởi các hệ số của trận áp điện nhập vào, các hệ số này cho cụ thể giá trị vận tốc lan truyền của sóng bề mặt. Tinh thể LiNbO3 khi không có bất kỳ góc cắt định hướng nào thì vận tốc lan truyền sóng Rayleigh là 3480m/s, trong khi tinh thể LiNbO3 cắt 1280 YX có vận tốc là 3979m/s. Cảm biến SAW RDL sử dụng trên cơ sở sóng Rayleigh, tuy nhiên ở các điều kiện nhất định, sóng lan truyền trên bề mặt đế áp điện bị ảnh hưởng bởi các sóng khác như sóng ngang Shear, sóng Lamb (loại sóng này có thể lan truyền với vận tốc từ 800m/s đến 6000m/s), sóng 61 Love [52]. Chính bởi sự ảnh hưởng các sóng này nên trong các nghiên cứu của các tác giả trước, vận tốc lan truyền sóng nằm trong giới hạn quanh một giá trị lý thuyết [44], [95]. Với lý thuyết sóng âm của B.A. Auld [96] và các thông số ma trận đàn hồi trong Bảng 2.5, có thể tính giá trị vận tốc sóng âm là: 66 cv   (m/s) (2.20) c66: hệ số của ma trận đàn hồi;  : khối lượng riêng của vật liệu đế 11 1266 2 c cc  (2.21) Các giá trị của cij trong Bảng 2.5 thay lại phương trình (2.20) và (2.21) tính được vận tốc lan truyền sóng lý thuyết là 3994 m/s. Với tần số trung tâm là 100 MHz thì bước sóng  là 39,94m. Để tăng biên độ sóng phản xạ từ bộ phản xạ thứ hai và thứ ba, chọn độ dày của các thanh trong tấm phản xạ đầu tiên bằng độ dày của điện cực IDT và độ dày của các thanh trong hai bộ phản xạ còn lại lớn hơn so với bộ thứ nhất. Như kết quả khảo sát mục 2.1, tỷ số h1/ của điện cực IDT và bộ phản xạ thứ nhất là 0,05 nên độ dầy điện cực IDT và các thanh của bộ phản xạ thứ nhất là 2m, tỷ số h2/ =0,1 trong đó h2 là độ dầy của các thanh trong bộ phản xạ thứ hai và thứ ba là h2 = 4m. Để tín hiệu không bị suy hao, chọn khoảng cách từ IDT đến các bộ phản xạ không quá lớn. Do bước sóng  lớn nên trong cấu trúc SAW1 chọn khoảng cách từ IDT đến bộ phản xạ thứ nhất xấp xỉ 20 và khoảng cách giữa các bộ phản xạ là xấp xỉ 10. Hình 2.33 Cấu trúc cơ sở của SAW trong mô phỏng FEM. Ba cấu trúc SAW1, SAW2, SAW3 được sử dụng để mô phỏng có khoảng cách giữa IDT và các bộ phản xạ thay đổi. Chi tiết các thông số trong ba cấu trúc được chỉ ra trong Bảng 2.12. Để kiểm tra vận tốc lan truyền sóng bề mặt khi mô phỏng, ta đặt một xung đơn vị vào IDT và đọc điện áp của tín hiệu lan truyền tới bộ phản xạ thứ nhất sau đó thực hiện một phép biến đổi Fourier nhanh FFT nhận được đáp ứng tần số là f= 102,4MHz như mô tả trên Hình 2.34. Với tần số f = 102,4MHz thì vận tốc lan truyền là 3702,72m/s khi giữ nguyên độ rộng điện cực, thời gian đặt điện áp lên IDT là 30ns. Biểu thức điện áp đặt là u(t)= 2∗ cos(2π ∗ 102,4 ∗ 10଺ ∗ t)rect(t − 30 ∗ 10ିଽ)V. Khoảng cách từ biên phải đến bộ phản xạ và khoảng cách từ biên trái tới IDT được tính toán để tránh các sóng phản xạ nhận được khi sóng lan truyền tới biên vì chỉ quan tâm đến các sóng hồi đáp từ các bộ phản xạ. Thời gian giải là 2s đảm bảo thời gian để nhận được phản hồi của các bộ phản xạ. 62 Bảng 2.12 Thông số cấu trúc trong mô phỏng FEM. Thông số SAW1 SAW2 SAW3 Độ dài đế, Le (m) 5394 5463,6 5533,2 Số ngón tay IDT, N 50 50 50 Bước sóng,  (m) 39,94 39,94 39,94 Khoảng cách IDT và phản xạ 1, a2 (m) 870 939,6 1009,2 Khoảng cách giữa các bộ phản xạ, a3 (m) 452,4 522 591,6 Khoảng cách từ IDT tới biên trái, a1 (m) 1740 1740 1740 Khoảng cách từ phản xạ 3 tới biên phải, b2 (m) 1740 1740 1740 Độ dầy điện cực IDT và thanh phản xạ 1, h1 (m) 2 2 2 Độ dầy của thanh bộ phản xạ 2 và 3, h2 (m) 3,99 3,99 3,99 Hình 2.34 Đáp ứng tần số khi đặt xung đơn vị vào IDT. Kết quả mô phỏng FEM trên Ansys cho cấu trúc thứ nhất được chỉ ra Hình 2.35 gồm biên độ của sóng đầu vào trên IDT và các sóng phản xạ từ gương phản xạ thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Các sóng phản xạ này đạt biên độ lớn nhất tại các thời điểm τ1, τ2 và τ3 và có độ dài lần lượt là l1, l2 và l3. Biên độ lớn nhất của xung phản hồi từ phản xạ thứ nhất, thứ hai và thứ ba là 0,05604V; 0,02687V và 0,01811V tại các thời điểm τ1 = 0,487μs; τ2 = 0,806μs và τ3 = 1,132μs tương ứng. Thời điểm IDT nhận được sóng phản xạ theo tính toán lý thuyết là τ11, τ21 và τ31, trong đó: τ11 = (Le/2 + 2a2) /v=0,5157μs. τ21 = (Le/2 + (a2 + a3 + 7d)*2) /v=0,798μs. τ31 = (Le /2 + (a2 + 2a3 + 14d)*2) /v = 1,054μs. Với Le là độ dài của IDT, Le = (4N-1)*d (μm). Thời điểm nhận điện áp phản xạ lớn nhất trong mô phỏng gần đúng với giá trị trong lý thuyết, thời gian nhận được trong mô phỏng nhỏ hơn so với tính toán trên lý thuyết do vận tốc lan truyền sóng giảm dần trong quá trình lan truyền [97]. 63 Hình 2.35 Điện áp đầu ra của SAW1. Mô phỏng tương tự cho cấu trúc SAW2 và SAW3. Bảng 2.13 so sánh kết quả tại các thời điểm nhận được biên độ điện áp phản xạ lớn nhất giữa mô phỏng và tính toán lý thuyết với kết quả mô phỏng trong ba cấu trúc.Với kết quả thể hiện trong Bảng 2.13, sự khác biệt về thời gian để đạt đến biên độ lớn nhất của sóng đáp ứng giữa mô phỏng và lý thuyết tại bộ phản xạ thứ ba trong cả ba cấu trúc là phù hợp vì sóng truyền từ IDT đến bộ phản xạ thứ ba yếu hơn, và vận tốc của sóng giảm dần. 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. Thông số SAW1 SAW2 SAW3 a2 (m) 870 939,6 1009,2 a3 (m) 452,4 522 591,6 1(s) 0,487 0,526 0,596 11(s) 0,5157 0,5533 0,5909 2 (s) 0,806 0,8928 1,04 21 (s) 0,798 0,8732 0,9942 3 (s) 1,132 1,268 1,475 31 (s) 1,0542 1,1673 1,2813 Sự khác nhau về khoảng cách của ba cấu trúc được mô phỏng này mô tả sự thay đổi của cấu trúc vật liệu trong phép đo các đại lượng vật lý với khoảng cách giữa IDT và bộ phản xạ đầu tiên, và khoảng cách giữa các bộ phản xạ, trong cấu trúc thứ nhất là nhỏ nhất, tương ứng trong cấu trúc thứ ba là lớn nhất. Thời gian nhận biên độ lớn nhất thống kê trên Bảng 2.13 cho thấy kết quả mô phỏng nhận được phản ánh đúng với cấu trúc thực hiện trong cả ba đỉnh sóng phản xạ của ba bộ. Các thời gian trễ  nhận được tăng từ cấu trúc SAW1, SAW2, SAW 3 tương ứng. Các giá trị gồm biên độ lớn nhất (Gaini) và độ dài sóng phản xạ (li) từ mô phỏng Ansys cho các cấu trúc SAWi được thống kê trong Bảng 2.14. 64 Bảng 2.14 Tổng hợp các kết quả từ mô phỏng FEM. Thông số SAW1 SAW2 SAW3 Gain1 (V) 0,05604 0,05569 0,05708 Gain2 (V) 0,02687 0,009257 0,03264 Gain3 (V) 0,01811 0,03811 0,05088 1 (s) 0,487 0,526 0,596 2 (s) 0,806 0,8928 1,04 3 (s) 1,132 1,268 1,475 l1 (s) 0,236 0,25 0,2112 l2 (s) 0,02236 0,13 0,1369 l3 (s) 0,126 0,065 0,175 2.2.2 Xây dựng thuật toán đọc pha cho bộ đọc sử dụng công cụ Matlab Lý thuyết đã chứng minh góc trễ pha của tín hiệu phản hồi so với tín hiệu thẩm vấn chứa thông tin của đại lượng đo như mô tả trong công thức (1.10). Luận án xây dựng mô hình tính toán của bộ đọc trên công cụ Matlab/Simulink cho việc đọc và tính góc trễ pha giữa tín hiệu phản xạ với tín hiệu thẩm vấn. Giả thiết kết quả trên mô phỏng Ansys được đưa đến anten của bộ đọc hoàn toàn, bỏ qua các vấn đề suy hao tín trong quá trình lan truyền sóng và suy hao tín hiệu tại đầu thu/phát của anten. Hình 2.36 mô tả sơ đồ khối của thuật toán tính góc trễ pha. Các kết quả mô phỏng cho các cấu trúc SAW1, SAW2, SAW3 trên Ansys được nhập vào khối chức

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_ve_cam_bien_thu_dong_khong_day_dang_song.pdf
  • pdfThong tin dua len trang Web.pdf
  • pdfTOM TAT LUAN AN_ NGUYEN THU HA.pdf
  • pdfTrich yeu Luan an.pdf
Tài liệu liên quan