Tóm tắt: Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.

Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt.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 KHƠNG DÂY DẠNG SĨNG ÂM BỀ MẶT Ngành Mã số : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa : 9520216 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023 Cơng trình hồn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Hoàng Sĩ Hồng 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 bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Sự đời cảm biến không dây, chuyển đổi công nghệ lớn thập kỷ qua Với ưu điểm trội không cần hệ thống dây cấp nguồn, mềm dẻo, linh hoạt việc cấu hình lắp đặt, dễ dàng mở rộng quy mô hệ thống theo thời gian việc bổ sung thêm cảm biến đọc với vai trò nút, tạo thành mạng cảm biến, đáp ứng yêu cầu “Internet vạn vật” (Internet of Things-IoT) Các mạng cảm biến không dây cho phép kết nối trực tiếp qua mạng liệu di động Wi-fi, 3G 4G dẫn đến việc truy cập, giám sát thông số hệ thống thuận lợi [1-2] Xét vấn đề tài để đầu tư trì, phát triển hệ thống việc sử dụng cảm biến khơng dây mang lại nhiều lợi thế, chi phí ban đầu cao so với cảm biến có dây có yêu cầu dịch chuyển hay sửa đổi tương lai có chi phí thấp [3-4] Các cảm biến mạng cảm biến nối dây đáp ứng yêu cầu độ tin cậy ổn định cho hệ thống điều khiển, nhiên công nghệ không dây hứa hẹn chi phí lắp đặt thấp so với cảm biến có dây hạn chế kỹ thuật nối cáp Xu việc sử dụng cảm biến không dây hướng loại tự cấp nguồn, nghĩa chúng sử dụng nguồn lượng thu từ môi trường xung quanh để hoạt động Những thay đổi nhỏ từ môi trường chuyển động, áp suất, ánh sáng, nhiệt độ, độ rung sử dụng sóng tần số vơ tuyến (Radio Frequency-RF) để cấp nguồn cho cảm biến giúp chúng không cần bảo trì [5] Cảm biến loại lựa chọn hợp lý cho nhiều ứng dụng công nghiệp, cảm biến thiết bị thu thập, xử lý liệu phải đặt mơi trường khắc nghiệt khó khăn việc dây, chẳng hạn cấu trúc bê tông lớn, gắn làm thẻ nhận dạng sản phẩm hàng hóa Các lĩnh vực vận tải quân dân dụng, sản xuất, y sinh an ninh có đặc thù riêng biệt môi trường, phạm vi hoạt động thiết bị có yêu cầu đo lường giám sát thông số hệ thống Chính nên nhu cầu cảm biến có kích thước nhỏ, thơng minh, tin cậy có khả giám sát nhiều thông số môi trường, vật lý, hóa học sinh học ngày gia tăng [6] Việc nghiên cứu, thiết kế, cải thiện đặc tính cảm biến khơng dây có kích thước nhỏ, hiệu chi phí đáng tin cậy đặt thách thức lớn cộng đồng khoa học Cảm biến sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave-SAW) cảm biến không dây phát triển nhanh chóng thời gian gần trở thành giải pháp khả thi cho ứng dụng đo lường nhận dạng [7] Điều thú vị SAW có khả ứng dụng với hai vai trò thẻ nhận dạng, thẻ cảm biến đảm nhiệm hai, liệu từ thẻ SAW gửi đọc chứa thông tin đo mã nhận dạng Các cảm biến thẻ nhận dạng dựa SAW mang lại nhiều lợi Với khả hoạt động không dây, chúng sử dụng để giám sát phận chuyển động quay vị trí khó khăn việc thay pin [8] Bên cạnh đó, SAW đáp ứng yêu cầu khắt khe nơi có điều kiện mơi trường khắc nghiệt chẳng hạn nơi có nhiệt độ cao, áp suất lớn khơng gian ngồi vũ trụ nơi tồn xạ ion hóa [9-11] Các thiết bị SAW chế tạo thành vô số sản phẩm ứng dụng lĩnh vực đa dạng hệ thống vi điện tử (Micro Electro Mechanical Systems- MEMS), hệ thống viễn thơng, cảm biến hóa học cơng nghệ sinh học [12-16] Trong phát triển cảm biến SAW thúc đẩy nhu cầu ngày tăng giám sát mơi trường phát triển lọc SAW thúc đẩy phát triển bùng nổ ngành công nghiệp viễn thông Trong ứng dụng mạng cảm biến, SAW ứng cử viên đặc biệt, đầy hứa hẹn chi phí thấp độ bền cao Để thị trường sản phẩm ngày mở rộng, đặc tính SAW độ xác, độ tin cậy phạm vi ứng dụng không ngừng nghiên cứu cải thiện Bên cạnh ứng dụng hệ thu thập giám sát nhiều thông số đo hệ đo độc lập, phần tử SAW nút tham gia vào hệ thống mạng cảm biến Khi đó, đọc giao tiếp với nhiều cảm biến thành phần có vai trị nút mạng nút mạng phải thực tốt vai trị cung cấp thơng tin tin cậy có nghĩa đọc phải xác định xác tín hiệu mang thông tin phản hồi trở lại đọc cảm biến hệ Khi cảm biến SAW hệ đặt trường quan sát thẩm vấn đọc xảy tượng chồng lấn tín hiệu đồng thời phản hồi từ thẻ SAW trở lại đọc, điều gây nên sai lệch đánh giá thông tin nhận dạng thẻ cảm biến Do vậy, yêu cầu nghiên cứu phương pháp để đọc đọc xác thơng tin từ cảm biến SAW thành phần cấp thiết Quá trình trao đổi thơng tin giao tiếp mạng với hệ thống cảm biến khác sử dụng hệ thống thu phát RF với dải tần tương đối rộng, từ vài chục MHz đến 2,5GHz Vì thế, cảm biến SAW cần thiết kế cấu trúc phần cứng kết hợp với thuật toán phần mềm đáp ứng dải tần số làm việc việc cho tham gia vào nút mạng để giao tiếp truyền thông Các nghiên cứu thực theo hướng giải đọc tín hiệu hệ đa cảm biến SAW nhiều tác giả đề cập, nhiên tồn hạn chế thời gian truy vấn tần số hoạt động thấp tham gia hệ thống mạng cảm biến thường sử dụng tín hiệu RF hệ thống thu phát tần số vơ tuyến Vì vậy, việc nghiên cứu đảm bảo khả thích ứng SAW với hệ thống có tần số cao hơn, việc tiến tới bao phủ băng tần thường sử dụng thực tế thách thức cần nghiên cứu thuật tốn phần mềm hướng giải vấn đề Để đánh giá thơng tin đo lường từ tín hiệu gửi đọc cảm biến khơng dây sử dụng độ trễ thời gian độ trễ pha Thông thường, phép đo pha hay dùng thay cho phép đo thời gian trễ cung cấp độ phân giải cao tần số sóng mang Khi thực phép đo pha nhập nhằng pha vấn đề cần quan tâm để đảm bảo tính xác việc đánh giá thơng tin nhận Bên cạnh giải pháp thuật toán, cấu trúc phần cứng cảm biến thụ động không dây SAW, biên độ tần số sóng phản xạ liên quan đến phạm vi hoạt động cảm biến Biên độ sóng phản xạ lớn đọc dễ dàng nhận biết dù hệ thống có tồn nhiễu.Với cấu hình cảm biến, khoảng cách đọc cảm biến lớn thuận tiện cho việc lắp đặt thiết bị đo lường giám sát hệ thống Tuy nhiên, yếu tố liên quan đến hình thái, cấu trúc cảm biến ảnh hưởng đến biên độ sóng phản xạ dường chưa nghiên cứu kỹ lưỡng Mục tiêu Trước vấn đề thực tế cảm biến SAW thụ động không dây vấn đề bỏ ngỏ trên, mục tiêu luận án bao gồm: • Nghiên cứu ảnh hưởng thông số cấu trúc cảm biến SAW đến biên độ sóng phản xạ • Xây dựng phương pháp tính tốn góc pha tín hiệu phản xạ • Xây dựng thuật tốn đọc thơng tin phản hồi đồng thời từ cảm biến thành phần hệ đa cảm biến SAW đường trễ phản xạ (Reflective Delay Lines-RDL) mã hóa theo phương pháp tần số trực giao (Orthogonal Frequency Coding-OFC) Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lựa chọn kết hợp nghiên cứu lý thuyết mô phần mềm, từ tổng quan đến chi tiết, phân tích, kế thừa kết nghiên cứu cơng bố Đóng góp luận án Luận án có hai đóng góp việc nghiên cứu cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt là: 1) Luận án đề xuất phương pháp tính góc trễ pha tín hiệu phản xạ so với tín hiệu thẩm vấn cảm biến, bao phủ cho trường hợp góc trễ pha lớn 2 2) Luận án nghiên cứu, đề xuất thuật toán nhận dạng đọc đồng thời tín hiệu phản hồi từ cảm biến thành phần hệ đa cảm biến mã hóa phương pháp tần số trực giao với tần số hoạt động cảm biến đạt 500MHz Bố cục luận án Luận án bao gồm phần “Mở đầu” trình bày lý lựa chọn đề tài, mục tiêu phạm vi nghiên cứu luận án ba chương với nội dung sau: Chƣơng (Tổng quan cảm biến thụ động khơng dây dạng sóng âm bề mặt): đặt vấn đề, giới thiệu, phân tích vai trị, vị trí cảm biến khơng dây nói chung ưu điểm cảm biến thụ động khơng dây dạng sóng âm bề mặt SAW Các lý thuyết tổng quát SAW RDL, phương mã hóa tần số trực giao cho SAW vấn đề liên quan trình bày chi tiết Chƣơng (Xây dựng thuật tốn đọc pha tín hiệu phản hồi): nghiên cứu ảnh hưởng tham số hình học đến cấu trúc cảm biến thụ động không dây SAW RDL cấu trúc sử dụng cho thuật toán đọc pha tín hiệu phản hồi, việc lựa chọn, so sánh vật liệu thông số hình học cảm biến trình bày mô phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng cơng cụ Ansys Từ đưa cấu trúc SAW RDL sử dụng để xây dựng thuật toán đọc pha tín hiệu phản hồi Matlab/Simulink với kết cơng bố q trình thực Chƣơng (Xây dựng thuật toán đọc đồng thời tín hiệu phản xạ hệ đa cảm biến SAW OFC): phân tích, khảo sát, chứng minh xây dựng kịch mơ thử nghiệm thuật tốn đọc đồng thời tín hiệu phản hồi từ hệ đa cảm biến SAW RDL mã hóa theo phương pháp OFC Phần kết luận trình bày tóm tắt đóng góp luận án hướng phát triển CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Chương trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu giới nước cảm biến thụ động khơng dây dạng sóng âm bề mặt SAW Phân tích, tổng hợp nhận định hướng nghiên cứu công bố vấn đề tốn đọc tín hiệu phản hồi trở lại đọc hệ đa cảm biến SAW đường trễ phản xạ từ đưa định hướng nghiên cứu luận án Các sở lý thuyết phương pháp mô phỏng, phương pháp mã hóa cảm biến SAW RDL giới thiệu chi tiết chương 1.1 Cảm biến thụ động khơng dây SAW đƣờng trễ phản xạ Hình 1.5 Cấu trúc cảm biến SAW RDL Hình 1.5 mơ tả cấu trúc SAW RDL có hai khối đọc đế cảm biến đặt IDT phản xạ Nguyên lý hoạt động sau: Bộ đọc phát ra xung thẩm vấn lan truyền tới anten IDT Các sóng lan truyền đến các phản xạ sau phản xạ lại IDT Khi IDT chịu tác động sóng phản xạ lại, tạo dao động cặp điện cực có chu kỳ Tại xảy hiệu ứng áp điện thuận, xuất điện tích bề mặt đế áp điện (xuất điện áp cặp điện cực IDT) Anten gửi xung hồi đáp mang thông tin trở lại đọc nơi chúng tính tốn để xác định giá trị đo cảm biến Bộ đọc phân tích biên độ, tần số, thời gian góc pha tín hiệu phản xạ để nhận biết cảm biến thành phần hệ đa cảm biến tính tốn giá trị đại lượng đo cảm biến Gọi độ nhạy với sóng phản xạ vật liệu đế điều kiện Độ trễ thời gian trễ pha hai tín hiệu phản xạ mô trả công thức (1.9) (1.10) τ2 φ2 τ τ τ1 S y ,1 y f τ2 f (1.9) τ τ.S y ,1 y (1.10) Với ∆τ=τ2-τ1 tích f ∆τ số bước sóng hai phản xạ Để đo đại lượng vật lý, toán quay đưa đo thời gian trễ góc trễ pha tín hiệu phản xạ Với nguyên lý sóng âm bề mặt phần tử mơ tả trên, kết hợp để tạo thành cấu trúc ứng dụng SAW Bộ đọc đánh giá dịch chuyển pha xung phản xạ, vị trí cấu trúc phản xạ tính tốn tạo thành bit liệu phản hồi theo phương pháp mã hóa điều chế phương pháp khác điều chế biên độ xung, điều chế vị trí xung điều chế pha xung Vật liệu đế áp điện sử dụng cho đế cảm biến có vai trị quan trọng chịu tác động thơng số vật lý môi trường dẫn đến vận tốc lan truyền sóng âm bề mặt bị ảnh hưởng Hình 1.12b Góc lệch pha sóng phản xạ Trên Hình 1.12b mơ tả góc lệch pha hai sóng phản xạ trở lại IDT lệch pha góc 1 2 tương ứng Chẳng hạn, quan hệ nhiệt độ cần đo T độ trễ pha đỉnh phản xạ thứ phản xạ thứ tính theo cơng thức (1.11) [55] ; (1.11) φ2 1(T ) φ2 1(Tref ) TCD *(T Tref Trong Tref nhiệt độ tham chiếu, TCD hệ số trễ nhiệt độ vật liệu đế áp điện 1.2 Phƣơng pháp mã hóa SAW theo tần số trực giao Các tín hiệu phản xạ đọc có đa dạng tần số thời gian triển khai mã hóa cảm biến SAW hệ thống đa cảm biến [55] Với hàm thời gian cho trước , độ dài bit thời gian định nghĩa , thời gian 1bit chia số nguyên sóng: v (1.17) Với số sóng thành phần bit Độ dài tín hiệu τc chọn làm khung thời gian xét trực giao phương trình (1.13) cho hệ Cho phép khoảng thời gian trễ τD, τc= t-τD thay lại phương trình từ (1.12) đến (1.16) sóng thành phần định nghĩa hcj (t) bit định nghĩa tổng J tín hiệu: J g bit t ω j hcj (1.18) jτ C t j Các sóng liền kề khơng chồng lấn lên mặt thời gian, j biên độ bit dạng hàm sóng hcj(t-j∙τC) định nghĩa (1.14) (1.15) Trong sóng có nhiều tần số sóng mang, tùy thuộc vào hệ số Giả sử có tín hiệu thuộc sở (1.14), kết tương tự có với (1.15) Do đó, ta khái quát: M hcj t jτ C b jm cos 2m π t jτ C t rect τC m jτ C (1.19) τC Để tạo tín hiệu cần có, cho tất hệ số bjm=0 với m trừ giá trị m =Cj với 1≤ Cj≤ M Do đó, ta có: hcj t jτ C b j cos 2C j π t τC jτ C rect t jτ C (1.20) τC CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐỌC PHA CỦA TÍN HIỆU PHẢN HỒI Trong mạng cảm biến không dây thụ động SAW, đọc thường sử dụng hệ thống nhúng để xử lý tín hiệu nhận từ cảm biến tính tốn thơng tin đo Tín hiệu gửi đọc cảm biến thành phần phụ thuộc nhiều vào cấu tạo nút cảm biến có mạng Các tín hiệu phản hồi trở lại đọc cảm biến thụ động khơng dây có vai trị quan trọng việc xác định thông tin đo lường nhận dạng, biên độ tín hiệu lớn đọc dễ dàng nhận biết tín hiệu đọc xác Biên độ sóng phản xạ mà đọc nhận này, bên cạnh việc bị ảnh hưởng nhiều yếu tố môi trường truyền sóng, anten thu phát hai phía cịn phụ thuộc vào cấu trúc cảm biến, bao gồm vật liệu đế, vị trí tính chất IDT phản xạ gắn đế Để xây dựng nút trạm nút cảm biến hoàn thiện, việc lựa chọn cấu trúc cảm biến thành phần phù hợp yêu cầu quan trọng Do nội dung chương luận án nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hình học cảm biến SAW đến biên độ sóng phản xạ, sở xây dựng cấu trúc cảm biến thụ động phục vụ cho việc tính tốn góc pha tín hiệu phản hồi Phạm vi nghiên cứu luận án không đề cập đến anten q trình lan truyền sóng mơi trường, giả định tín hiệu nhận từ IDT truyền hồn toàn tới đọc 2.1 Lựa chọn cấu trúc sở Căn vào bảng tính chất số vật liệu áp điện, chọn vật liệu LiNbO3 Y, Z để thực có hệ số biến đổi điện lớn, vận tốc lan truyền sóng bề mặt 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 nhôm nghiên cứu Hình 1.8a Quan hệ tần số trung tâm bước sóng mơ tả (2.1) f0 v (2.1) Bộ phản xạ có cấu trúc hở mạch, có độ rộng độ rộng điện cực IDT khoảng cách phản xạ để thực mô Luận án sử dụng kết hợp hai công cụ phần mềm Ansys Matlab để thực mơ hồn chỉnh cảm biến SAW thể q trình sóng q trình tính tốn tín hiệu nhận đọc Đầu tiên, mô cấu trúc SAW RDL Ansys, khảo sát lựa chọn thông số cho cấu trúc vật liệu đế, thay đổi thông số để có biên độ đầu sóng phản xạ lớn, từ giá trị tối ưu hẹp cấu trúc mơ Sau đó, từ sở kết nhận mô Ansys, xây dựng mơ hình thực thuật tốn đọc pha Matlab Để thực hiện, luận án thực với tần số 870MHz tần số 125MHz nằm hai dải UHF VHF Hai tần số trung tâm liên quan đến độ rộng điện cực IDT, kết khảo sát sở liệu cấu trúc mơ hình sử dụng cho thuật tốn đọc pha 2.2 Các u cầu mơ Luận án sử dụng kết hợp hai công cụ phần mềm Ansys Matlab để thực mơ hồn chỉnh cảm biến SAW thể q trình sóng q trình tính tốn tín hiệu nhận đọc Đầu tiên, mô cấu trúc SAW RDL Ansys, khảo sát lựa chọn thông số cho cấu trúc vật liệu đế, thay đổi thơng số để có biên độ đầu sóng phản xạ lớn, từ giá trị tối ưu hẹp cấu trúc mơ Sau đó, từ sở kết nhận mô Ansys, xây dựng mơ hình thực thuật tốn đọc pha Matlab Các vấn đề cần thực mô Ansys bao gồm: Khảo sát thông số mơ hình cảm biến khơng dây thụ động SAW RDL với IDT có q trình nhận tín hiệu thẩm vấn từ đọc nhận đáp ứng từ phản xạ - Đọc kết tín hiệu phản hồi lại IDT sau mơ phỏng, phân tích sử dụng làm tín hiệu vào mơ hình hóa q trình đọc tín hiệu phản hồi từ cảm biến SAW đến đọc để xây dựng thuật tốn đọc pha, bỏ qua q trình lan truyền sóng ảnh hưởng anten - Xét yếu tố ảnh hưởng đến biên độ đáp ứng sóng phản xạ bao gồm: + Thời gian đặt tín hiệu vào IDT + Số cặp điện cực IDT + Số phản xạ + Tỉ số hóa kim phản xạ + Vật liệu chế tạo phản xạ 10 + Độ dầy phản xạ 2.3 Cấu trúc tổng thể thông số ban đầu Luận án sử dụng cấu trúc mô với phản xạ loại hở mạch IDT hai hướng Hình 2.7 để mơ FEM (a) (b) Hình 2.7 Cấu trúc mơ (a) hình chiếu đứng, (b) cấu trúc mô Trong phạm vi luận án không nghiên cứu vấn đề anten, trình lượng lan truyền sóng điện từ anten gắn đọc anten gắn IDT khơng đề cập, coi tín hiệu điện áp đặt vào IDT tín hiệu thẩm vấn phát từ đọc anten gắn IDT nhận Giả thiết xung điện áp nhận IDT u(t), có biên độ 2V, có tần số phát từ đọc 870MHz, biểu thức cụ thể sau: (2.8) u (t ) 2cos(2 *870 *10 * t ) rect (t ) Hình 2.13 Hình ảnh sóng phản xạ từ phản xạ sau giải Hình 2.13 mơ tả sóng phản xạ từ ba phản xạ sau giải, cụm sóng nhỏ sóng vị trí phản xạ, cụm sóng lớn bên trái sóng phản hồi trở lại IDT, cụm sóng lớn bên phải phần sóng truyền qua phản xạ đến biên phải trường hợp chúng không xét đến Hình 2.17 Điện áp đặt vào tín hiệu hồi đáp thay đổi số điện cực IDT tần số 870MHz 11 (a) (b) (c) Hình 2.18 Trích xuất đáp ứng phản xạ thứ (a), thứ hai (b) thứ ba (c) tần số 870MHz thay đổi số điện cực IDT Kết điện áp đọc IDT thay đổi số điện cực IDT, mô cho tần số 870MHz mô tả Hình 2.17 Kết mơ Hình 2.18 cho thấy biên độ sóng phản xạ phản xạ tăng lên số lượng IDT tăng từ 20 lên 80 Điều gây điện tích bề mặt đế áp điện vào tăng lên gia tăng số lượng IDT Về mặt lý thuyết, tăng số điện cực IDT cơng suất sóng tăng, nhiên việc lan truyền qua nhiều điện cực vận tốc lan truyền sóng bị suy giảm, số điện cực 50 giá trị biên độ điện áp phản xạ lớn nhất, tiếp tục tăng số điện cực lên biên độ sóng phản xạ giảm dần lượng tăng Cs nhỏ so với giá trị suy giảm vận tốc lan truyền sóng Với tần số thấp 125MHz độ rộng điện cực tăng lên, nhiên, kết cho thấy với số điện cực 50IDT cho biên độ lớn đỉnh phản xạ, tương tự trường hợp tần số 870MHz Bảng 2.11 Các thông số cấu trúc mơ hình xây dựng thuật tốn đọc pha Thơng số Giá trị Thời gian đặt điện áp (ns) 30 Số điện cực IDT 50 Số phản xạ Tỉ số hóa kim a/p Vật liệu làm phản xạ 0,5 Al Khảo sát với trường hợp thay đổi độ dầy phản xạ, tỉ số hóa kim, vật liệu làm phản xạ- theo bước ta có 12 bảng tổng hợp thơng số cấu trúc hình học SAW RDL cho biên độ sóng phản xạ trở lại IDT lớn nhất, Bảng 2.11 Các giá trị sủ dụng cho cấu trúc cảm biến thuật toán đọc pha phần sau 2.4 Xây dựng thuật toán đọc pha Với mục tiêu xây dựng thuật toán đọc, cần thiết xây dựng số cảm biến có thay đổi thể tác động thông số vật lý môi trường đo lên cấu trúc cảm biến Như vậy, yêu cầu kịch làm rõ tương quan giá trị tăng thời gian trễ cách thay đổi khoảng cách đọc cảm biến, thay đổi khoảng cách IDT phản xạ cảm biến, thơng qua phép đo góc trễ pha Với tần số 870MHz dải UHF việc chế tạo cảm biến với cơng nghệ nước khó khả thi cơng nghệ nước đáp ứng tần số thấp Được góp ý tính khả thi thuận lợi, hướng tới thực chế tạo thực nghiệm nghiên cứu viện ITIMS nên luận án sử dụng tần số trung tâm 100MHz thuộc dải tần số VHF cho cấu trúc thực Ansys để xây dựng thuật toán đọc pha tín hiệu phản hồi SAW đường trễ phản xạ Đầu tiên, cần xác định đáp ứng nút cảm biến SAW sử dụng mơ FEM Hình 2.37 Sơ đồ khối thiết bị đọc tín hiệu cảm biến SAW Matlab/Simulink Từ kết nhận mơ FEM, NCS xây dựng mơ hình đọc Matlab Hình 2.37 mơ tả sơ đồ q trình đọc tín hiệu phản hồi đọc Matlab/Simulink Trong cảm biến dòng trễ SAW RDL cổng, IDT khơng thể lập mơ hình với cổng vừa xảy q trình nhận xung thẩm vấn, vừa truyền sóng phản xạ trở lại, SAW mô tả hệ 13 thống hai cổng Matlab, bao gồm đầu vào đầu Mơ hình tính tốn góc pha Matlab Hình 2.38 Hình 2.38 Mơ hình tính tốn góc pha Matlab/Simulink Hình 2.40 Tín hiệu vào SAW1 (a) Tín hiệu vào khối lọc (b) Tín hiệu vào khối lọc Đồ thị SIm SQm tương ứng Hình 2.40a Hình 2.40b Tính tốn với hàm pha vng pha ta nhận tín hiệu vào từ SAW1 với : (2.30) SIm (τi ) Ci cos ωτi SQm τi tan(φi ) Ta có Ci sin ωτi sin(φi ) cos(φi ) Ci SQm SIm SIm i (2.31) φi tan ( SQmi SQm SIm ) (2.32) (2.33) Theo Chirstian Gruber, góc trễ pha tính từ (2.32) Tuy nhiên từ đồ thị tín hiệu từ hai lọc, SIm SQm cho thấy tồn vấn đề nhập nhằng pha góc i nằm khoảng từ đến  Luận án sử dụng hiệu góc pha tín hiệu phản hồi Chính lý nên cấu trúc SAW luận án thực để khảo sát sử dụng ba 14 phản xạ Giả thiết đọc nhận giá trị phản hồi từ cảm biến, kết nhận từ mô Ansys, chi tiết Bảng 2.14 luận án đưa việc tính góc trễ pha việc tính hiệu góc pha theo thuật tốn tính góc i sau: sin φ3 - φ2 - φ2 - φ1 sin φ3 - φ2 *cos φ2 - φ1 - cos φ3 - φ2 *sin φ2 - φ1 = - sin(φ3 ) * cos(φ ) * cos(φ1 ) - cos(φ3 ) *sin(φ ) * cos(φ ) * cos(φ1 ) sin(φ3 ) * cos(φ ) *sin(φ ) *sin(φ1 ) - cos(φ3 ) * sin(φ ) *sin(φ1 ) cos(φ3 ) *cos(φ ) *sin(φ ) *cos(φ1 ) sin(φ3 ) * sin(φ ) *cos(φ1 ) -cos(φ3 ) * cos(φ ) *sin(φ1 ) - sin(φ3 ) *sin(φ ) *cos(φ2 ) *sin(φ1 ) (2.34) Từ đồ thị Ci với quan hệ (2.33) ta tính sin cos theo (2.30) (2.31), sử dụng hiệu trễ pha phản xạ nên góc trễ pha nhỏ giới hạn 0-2 Thực với cấu trúc SAW1, SAW2 SAW3 cho kết phù hợp Kết luận chƣơng Chương phân tích, so sánh mô phần mềm Ansys thông số liên quan đến cấu trúc hình học cảm biến thụ động không dây SAW RDL số lượng điện cực IDT, khoảng cách IDT phản xạ, vật liệu phản xạ, tỉ số hóa kim, thời gian đặt điện áp Phạm vi mô thay đổi thơng số hình học thực cấu trúc sở để nhận tín hiệu phản xạ có biên độ lớn Ở hai tần số 870MHz 125MHz phân tích kết thực thông số sử dụng cho cấu trúc nội dung gồm 50 điện cực IDT, phản xạ bộ, tỉ số hóa kim a/p = 0,5 vật liệu sử dụng cho phản xạ Al Thời gian đặt điện áp IDT 30ns Trên sở kết thu này, luận án xây dựng cấu trúc cảm biến cho thuật toán đọc pha tín hiệu phản hồi gồm ba phản xạ để có hiệu góc trễ pha hai cặp tín hiệu phản xạ sử dụng kết hợp hai công cụ phần mềm Ansys Matlab để mô hồn chỉnh q trình nhận tín hiệu phản hồi tính tốn góc trễ pha Trong đó, kết mô cảm biến Ansys làm thông số đầu cho mơ hình tính tốn góc trễ pha Matlab Việc áp kết hợp hai công cụ mô Ansys Matlab cho góc nhìn hồn chỉnh cảm biến 15 SAW hỗ trợ việc thiết kế cảm biến SAW sau Luận án đưa phương pháp tính góc trễ pha Việc sử dụng hiệu góc trễ pha đảm bảo giới hạn 2, thuật toán kiểm chứng ba cấu trúc SAW1, SAW2, SAW3 với thông số mô Ansys kết dùng mơ hình tính góc pha cho kết phù hợp Các kết khảo sát thông số cấu trúc cảm biến dùng sở để xây dựng mơ hình mơ việc đọc tín hiệu phản xạ từ hệ đa cảm biến chương CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐỌC ĐỒNG THỜI TÍN HIỆU PHẢN XẠ TRONG HỆ ĐA CẢM BIẾN SAW OFC Chương phân tích chứng minh xây dựng kịch mô thử nghiệm thuật tốn đọc đồng thời 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 khơng dây SAW đường trễ phản xạ mã hóa theo phương pháp OFC (sau gọi tắt SAW OFC) Hệ đa cảm biến bao gồm m thẻ cảm biến từ SAW1 đến SAWm Hình 3.3 mơ tả sơ đồ nguyên lý thẻ SAW OFC với phản xạ (mỗi phản xạ gọi chip) tương ứng với tần số f1, f2, f3, f4, f5 Hình 3.3 Sơ đồ thẻ SAW OFC chip Trên sở phân tích trên, u cầu đặt cho tốn đọc tín hiệu phản xạ hệ đa cảm biến SAW RDL sau: Nhận biết thẻ SAW có vùng đọc đọc Tính biên độ pha tín hiệu cảm biến gửi đọc từ tín hiệu chồng lấn đọc phương pháp giải ma trận Xây dựng thuật toán thực yêu cầu góc pha lớn 2 16 Tần số trung tâm hệ lớn 12,5MHz Mô kiểm chứng thuật toán thực Các giả thiết thông số cụ thể Hệ gồm Nt cảm biến thành phần nằm vùng đọc có bán kính dM(m) Mỗi thẻ cảm biến SAW OFC có Nc phản xạ tương ứng với Nc tần số Tất phản xạ đến đọc Tần số chip thứ k tag thứ m fchipmk=n*f0 -Các tín hiệu phản xạ lại từ cảm biến điều tín hiệu OFC lý tưởng Giả sử tất tín hiệu phản xạ gửi trở lại đọc tín hiệu chồng lấn nhận đọc có dạng là: Nt hMOFC t hOFCm t m Nt NC amk rect τ p0 k t exp j f chipmk t - τ p0 k - τOFCm τ p0 k τOFCm τchip exp j f chipmk t - τ p0 k - τOFCm m 1k NC chip Nt amk rect t k 1m (3.2) τOFCm Ta xét khung thời gian [ chống lấn lý tưởng mơ hình hóa sau: t τ p0 k τ M hMOFC (t )rect τchip τ M rect t τ p0 k τchip τM τM NC kn n 1 NC a exp j f chipmk (t m mk rect t τ p0 k τchip τM τM exp j 2 (t ], tín hiệu (3.3) τ p0 k τ p0 k τOFCm ) τOFCFkn ) với biên độ tín hiệu chồng lấn với tần số trung tâm sóng phản xạ thứ k khung thời gian [ trễ pha giả chồng ], lấn tín hiệu phản hồi lên lựa chọn khung thời gian 17 3.2 Thuật toán ma trận nhận dạng cảm biến Kế thừa sở thuật toán ma trận Weifeng Liu, luận án thực với kịch khác nhau, với số phản xạ đế cảm biến Để có thơng số giá trị biên độ sóng phản xạ ban đầu nhập vào làm đối sánh cho kết sau chạy thuật toán phần mềm Matlab cấu trúc sở thực chương 2, với giá trị IDT, phản xạ cho biên độ sóng phản xạ lớn khảo sát Đầu tiên luận án mô số liệu cảm biến SAW OFC phần mềm Ansys ba phản xạ dùng để mã hóa cảm biến, độ rộng phản xạ tính tốn theo tần số sử dụng f1, f2, f3 tương ứng 125MHz, 250MHz 375MHz lớn tần số 12,5MHz Biên độ sóng phản xạ thu từ mô Ansys sử dụng làm liệu ban đầu để đối sánh với kết mô Matlab Phương pháp kết hợp hai công cụ phần mềm cho kết thực có tính logic thuyết phục cao Luận án tập trung vào việc xác định, nhận dạng thẻ cảm biến SAW RDL mã hóa phương pháp tần số trực giao OFC với kịch khác nhau, bỏ qua việc đo lường thông tin đại lượng vật lý Các tín hiệu chồng lấn nhận đọc tín hiệu phản hồi từ chip cảm biến có tần số gây 3.3 Kết thực Giá trị nhận từ mô Ansys làm liệu đầu vào cho ma trận biên độ pha Từ thông tin nhập vào ma trận thuật toán, xác định cảm biến vùng hỏi đọc Sau giải phương trình ma trận kết biên độ pha tín hiệu phản xạ từ thẻ cảm biến, kết Hình 3.8 Hình 3.8 Dạng tín hiệu thành phần đồ thị; (a) biên/tần, (b) pha/tần khung thời gian thứ [20ns, 100ns] Với giá trị thu từ tín hiệu chồng lấn, từ thuật toán xét cảm biến tương ứng, xác định biên độ thời gian trễ 18 cảm biến mã hóa Kết cho thấy biên độ thời gian trễ tính tốn qua thuật tốn trùng khớp với kết từ mô Ansys Tuy nhiên tăng tần số hoạt động cảm biến lên 125MHz, giải ma trận không cho kết Để giải vấn đề này, luận ánđề xuất phương pháp chia khoảng lọc nghiệm, có nghĩa ngồi thông tin mã cảm biến cần bổ sung vị trí cảm biến Hình 3.18 Các cảm biến có mặt vùng hỏi thiết bị đọc với Nc=4 Giải phương trình ma trận kết hợp với khoảng chia cho hệ 10 cảm biến, ta xác định cảm biến có mặt vùng hỏi đọc Hình 3.18, cho thấy 10 cảm biến xác nhận trạng thái có mặt Biên độ thời gian trễ cảm biến thành phần Hình 3.19 Hình 3.20 Phép chia khoảng vào thời gian lan truyền sóng môi trường-đang coi lý tưởng luận án Các kết từ hình 3.18; 3.19; 3.20 cho kết sau sử dụng thuật toán giải ma trận chia khoảng; Hình 3.19 Biên độ thẻ cảm biến sau giải hệ phương trình ma trận với Nc=4 Hình 3.20 Pha thẻ cảm biến sau giải hệ phương trình ma trận với Nc=4 Kết luận chƣơng Trong chương 3, luận án thực vấn đề sau:  Trình bày phân tích thuật tốn ma trận tác giả Weifeng Liu cộng sự, ứng dụng cho toán cụ thể với bán kính từ đọc 19 tới cảm biến thành phần phạm vi 6m thực mơ kiểm chứng thuật tốn đề xuất, kết hợp hai công cụ mô Ansys Matlab mơ cấu trúc cảm biến Ansys, sở biên độ từ kết thu nhập vào mơ hình Matlab để kiểm chứng thuật tốn Weifeng Liu  Chứng minh hạn chế thuật tốn Weifeng Liu cơng bố tần số làm việc thẻ hệ lớn (luận án thực tần số 125MHz so với tần số 12,5MHz tác giả công bố)  Đề xuất thuật toán chia khoảng lọc nghiệm trường hợp tần số cảm biến thụ động không dây hoạt động tần số 125/250/375/500MHz kết hợp với giải phương trình ma trận Kết thực cho nghiệm phương trình ma trận tần số thực đến 500MHz  Kết mô giới hạn số điều kiện lý tưởng trùng với giả thiết ban đầu, kết chứng minh hiệu phương pháp sử dụng ứng dụng với số lượng cảm biến cần đọc đồng thời lớn KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Luận án có đóng góp việc nghiên cứu cảm biến thụ động không dây SAW đường trễ phản xạ với kết đạt sau:  Đề xuất phương pháp tính góc trễ pha tín hiệu phản xạ so với sóng thẩm vấn cảm biến SAW đường trễ phản xạ để giải vấn đề nhập nhằng pha (Phase ambiguity)  Đề xuất thuật toán nhận dạng đọc đồng thời tín hiệu phản hồi từ cảm biến thành phần hệ đa cảm biến SAW mã hóa phương pháp tần số trực giao, với tần số trung tâm 125MHz tần số hoạt động cảm biến đạt 500MHz Luận án giải tình nhập nhằng pha tần số hoạt động cảm biến cao 20 Bên cạnh đó, luận án có đóng góp mang tính kỹ thuật, cơng cụ hỗ trợ hữu ích cho nghiên cứu là:  Kết hợp hai công cụ phần mềm Ansys để mô cảm biến Matlab để xây dựng mô hình, tính tốn giúp mơ hồn chỉnh q trình đọc tín hiệu từ phản xạ  Luận án nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng tham số hình học số lượng điện cực IDT, khoảng cách IDT phản xạ, vật liệu phản xạ, tỉ số hóa kim … đến sóng phản xạ trở lại IDT cảm biến thụ động không dây SAW đường trễ phản xạ Trong trình nghiên cứu luận án, NCS tiếp cận việc thử nghiệm chế tạo cảm biến thụ động khơng dây, nắm quy trình cơng nghệ vấn đề liên quan phát sinh chế tạo Thời gian tham gia thực thử nghiệm cung cấp cho NCS góc nhìn thực tế, có ý nghĩa cho việc phân tích, thiết kế, chế tạo cảm biến SAW nghiên cứu phát triển sau Hƣớng phát triển  Luận án dừng lại mô lý thuyết với hầu hết điều kiện cho lý tưởng Để gắn với toán thực tiễn cần xét ảnh hưởng yếu tố mơi trường thêm giả lập nhiễu từ môi trường xét ảnh hưởng tới tín hiệu nhận từ đọc, từ đánh giá cải thiện thuật tốn để bền vững với nhiễu  Nghiên cứu phương pháp mã hóa vị trí cảm biến tín hiệu phản xạ lại đọc hướng thú vị từ tiến tới chế tạo sản phẩm SAW thực tế  Để đảm bảo việc mã hóa thẻ cảm biến hệ đa cảm biến, liên quan đến biên độ tín hiệu phản xạ gửi đọc, hướng đề xuất luận án khảo sát điều chỉnh độ dầy phản xạ phía sau Tuy nhiên việc tăng độ dầy phản xạ ảnh hưởng đến trọng lượng cảm biến, cần có khảo sát cho yêu cầu cụ thể với mục tiêu thực chế tạo cảm biến 21 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Thu Hà, Phan Đăng Hùng, Trần Mạnh Hùng, Nguyễn Hoàng Nam, Nguyễn Thanh Hường, Cung Thành Long, Hoàng Sĩ Hồng (2017), "A FEM simulation of the influence of the reflector on the response of the passive wireless SAW structure", Vietnam Japan Microwave 2017 Conference (VJMW), pp 99-103 Nguyễn Thu Hà, Phan Đăng Hùng, Hoàng Sĩ Hồng, Nguyễn Thế Truyện (2017), "A study of the effect of IDTs and input signals on the amplitude of propagation waves of the passive SAW structure", 2017 International Conference on Information and Communication Technology Convergence (ICTC), IEEE, pp 453-457 DOI: 10.1109/ICTC.2017.8191018 (SCOPUS) Nguyễn Thu Hà, Trịnh Văn Thái, Cung Thanh Long, Hoàng Sĩ Hồng, “Mô cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mơ hình hóa Matlab/Simulink”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Cơng nghiệp Hà Nội,Tập 58 – Số (8/2022) Nguyễn Thu Hà, Trịnh Văn Thái, Cung Thanh Long, Hoàng Sĩ Hồng, “A calculation method of the passive wireless SAW sensor response phase”, Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, Vol 12, No 1, pp 86-97, DOI: https://doi.org/10.11591/eei.v12i1.4068 (SCOPUS Q3) 22