Luận án 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 ận Lu NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG KHƠNG DÂY DẠNG SĨNG ÂM BỀ MẶT án n tiế LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA sĩ ới m ất nh 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 Lu ận Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 án n tiế LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA sĩ ới m ất nh NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG SĨ HỒNG TS CUNG THÀNH LONG Hà Nội - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn PGS.TS Hồng Sĩ Hồng TS Cung Thành Long Tất tài liệu tham khảo luận án trích dẫn tham chiếu đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày Tập thể hướng dẫn khoa học tháng Nghiên cứu sinh ận Lu PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng TS Cung Thành Long án n tiế sĩ ới m ất nh i Nguyễn Thu Hà năm LỜI CẢM ƠN ận Lu án Trong trình thực luận án: “Nghiên cứu cảm biến thụ động khơng dây dạng sóng âm bề mặt”, tơi nhận nhiều góp ý chun mơn, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thầy cô, nhà khoa học nhóm nghiên cứu Lý thuyết mạch, Đo lường, Điện tử Vi xử lý thuộc khoa Tự động hóa Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành quan tâm giúp đỡ đầy q báu Tơi xin chân thành cảm ơn thành viên Lab Mandevices trường Điện-Điện tử, viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà nội góp ý, hỗ trợ suốt thời gian vừa qua Được làm việc với hai thầy hướng dẫn PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng TS Cung Thành Long điều tuyệt vời Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy trực tiếp hướng dẫn, bảo, theo sát động viên tơi suốt q trình nghiên cứu để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, bạn bè, đồng nghiệp nơi công tác môn Điều khiển Tự động hóa, khoa Điện, trường Đại học Công nghiệp Hà nội tạo điều kiện, hỗ trợ, động viên, giúp đỡ tơi q trình thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn hỗ trợ từ Viện Ứng dụng công nghệ cán tham gia đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống giám sát tự động điểm phát nhiệt tủ kín sử dụng cảm biến sóng âm bề mặt" theo hợp đồng số 15/2021/HĐ–ĐTCB ngày 10/06/2021 giúp tơi q trình thực luận án Cuối cùng, xin cảm ơn bố mẹ, gia đình ln bên cạnh u thương, khích lệ ủng hộ suốt chặng đường học tập vừa qua n tiế sĩ m ới Nghiên cứu sinh ất nh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG v viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU ận Lu Chương Tổng quan cảm biến thụ động khơng dây dạng sóng âm bề mặt 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan cảm biến không dây 1.3 Cơ sở lý thuyết sóng âm bề mặt 11 1.4 Cấu tạo nguyên lý cảm biến SAW đường trễ phản xạ 13 án 13 1.4.2 Nguyên lý hoạt động 15 tiế 1.4.1 Cấu tạo 1.5 Phương pháp mô SAW 18 n 1.6 Các phương pháp mã hóa cảm biến SAW RDL 20 sĩ 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 ới m 1.6.1 Khái niệm đa truy nhập nh Kết luận chương 29 ất Chương Xây dựng thuật tốn đọc pha tín hiệu phản hồi 30 2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng tham số hình học đến sóng phản xạ cấu trúc cảm biến SAW RDL 30 2.1.1 Lựa chọn cấu trúc sở 30 2.1.2 Lựa chọn thông số cấu trúc 31 2.1.3 Các u cầu mơ 36 2.1.4 Q trình thực kết 38 2.1.4.1 Cấu trúc tổng thể thơng số ban đầu 38 2.1.4.2 Trình tự thực kết 39 2.1.4.3 Đánh giá ảnh hưởng thời gian đặt điện áp 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 số phản xạ 48 iii 2.1.4.6 Ảnh hưởng tỉ số hóa kim phản xạ 51 2.1.4.7 Khảo sát vật liệu phản xạ 54 2.1.4.8 Ảnh hưởng độ dầy phản xạ 57 2.2 Xây dựng thuật toán đọc pha 59 2.2.1 Xác định đáp ứng nút cảm biến SAW sử dụng mô FEM 60 2.2.2 Xây dựng thuật toán đọc pha cho đọc sử dụng công cụ Matlab Kết luận chương 64 70 Chương Xây dựng thuật toán đọc đồng thời tín hiệu phản xạ hệ đa cảm biến SAW OFC 72 3.1 Cơ sở lựa chọn cho toán 72 3.2 Bài toán thiết kế 73 3.3 Thuật toán ma trận nhận dạng cảm biến 75 Lu ận 3.3.1 Hệ phương trình ma trận mối quan hệ tín hiệu cảm biến với tín hiệu chồng lấn 77 án 3.3.2 Đánh giá số lượng cảm biến SAW nhận dạng đồng thời lựa chọn mã cho cảm biến 79 3.3.3 Giải phương trình ma trận 82 tiế 3.4 Kết hợp hai công cụ phần mềm kiểm chứng thuật toán ma trận 84 n 3.4.1 Xây dựng thông số mẫu ban đầu cho nút cảm biến SAW sử dụng FEM 85 sĩ 86 3.4.2.1 Hệ có cảm biến phản xạ 87 3.4.2.2 Hệ có ba cảm biến ba phản xạ 90 ới m 3.4.2 Đọc tín hiệu từ đa cảm biến sử dụng cơng cụ Matlab nh 3.4.2.3 Thuật tốn chia khoảng lọc nghiệm 93 ất 3.4.3 Kiểm chứng thuật toán với phương pháp chia khoảng lọc nghiệm cho hệ có 10 cảm biến phản xạ 98 Kết luận chương 105 Kết luận hướng phát triển 107 DANH MỤC CÁC CƠNG 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 Danh mục từ viết tắt ận Lu STT 10 án 11 Từ viết tắt 2D 3D ADC ASK BEM BPSK BW CDMA COM DS/SS FDS FEM FFT FH/SS 15 16 17 18 19 20 21 FM HF IDT ID-tag IoT LF MEMS 22 MFSK 23 24 25 26 27 28 NA OFC PLL PN PSK RDL n sĩ tiế 12 13 14 Ý nghĩa tiếng anh dimensional dimensional Analog to Digital Converter Amplitude Shift Keying Boundary element method Binary Phase Shift Keying Bandwidth Code-division multiple access Coupling of Modes Direct Sequence Spread Spectrum Frequency-domain sampling ới m Finite Element Method Fast Fourier Transform Frequency Hopped Spread Spectrum Frequency modulation High Frequency Interdigitated Transducer Identification - tag Internet of Things Low Frequency Microelectromechanical Systems Multiple frequency-shift keying Network Analyzer Orthogonal Frequency Coding Phase-Locked Loop Pseudo-Noise Phase Shift Keying Reflective Delay Line ất nh v Ý nghĩa tiếng Việt chiều chiều Bộ chuyển đổi tương tự - số Điều biên phương pháp phần tử biên Điều chế pha nhị phân Độ rộng băng thơng Đa truy cập phân chia theo mã Mơ hình ghép cặp chế độ Trải phổ dãy trực tiếp Phương pháp lấy mẫu miền tần số Phương pháp phần tử hữu hạn Biến đổi Furier nhanh Trải phổ nhảy tần Điều chế tần số Tần số cao Bộ chuyển đổi số Thẻ nhận dạng Internet kết nối vạn vật Tần số thấp Hệ thống vi điện tử Điều biến tín hiệu Máy phân tích mạng Mã hóa tần số trực giao Vịng khóa pha Dãy giả tạp Điều pha Đường trễ phản xạ ận Lu án 29 30 RF RFID Radio Frequency Radio-frequency identification Surface Acoustic Wave Signal to Noise Ratio 31 32 SAW SNR 33 SPUDT 34 TDMA Single-phase Unidirectional Interdigitated Transducer Time-division multiple access 35 TDS Time-domain sampling 36 UDT 37 38 UHF VCO unidirectional Interdigitated Transducer Ultra High Frequency Voltage Controlled Oscillator 39 WLAN Wireless Local Area Network Tần số vô tuyến Thẻ nhận dạng tần số vơ tuyến Sóng âm bề mặt Tỷ số tín hiệu phát tạp âm (nhiễu) Bộ chuyển đổi số hướng đơn pha Đa truy cập phân chia thời gian cố định Phương pháp lấy mẫu miền thời gian Bộ chuyển đổi số hướng Tần số siêu cao Bộ dao động điều khiển điện áp Mạng không dây tiế n Danh mục ký hiệu sĩ Ký hiệu Đơn vị m STT a Ý nghĩa ới m Khoảng cách điện cực IDT V Biên độ sóng phản xạ thứ k ak amk BeNc CS F CS điện dung đơn vị chiều dài đế CT F Điện dung IDT d m Độ rộng điện cực dM m Bán kính vùng hỏi đọc f0 Hz Tần số trung tâm (tần số bản) 10 HNc 11 Li m khoảng cách IDT phản xạ 12 lIDT m Chiều dài IDT nh V Biên độ sóng phản xạ thứ k chíp thứ m ất Ma trận quan hệ tín hiệu chồng lấn tín hiệu riêng từ cảm biến thành phần Ma trận biên độ độ trễ pha cảm biến thành phần vi ận Lu án Nc Số tần số thành phần chip thẻ cảm biến 14 Nt Số thẻ cảm biến hệ 15 Np Số điện cực IDT 16 p m Chu kỳ điện cực 17 i độ Góc pha sóng phản xạ 18 v m/s Vận tốc lan truyền sóng âm bề mặt 19 YKN 20 i s Thời gian trễ sóng phản xạ 21 OFCm s Thời gian trễ từ sóng phản xạ cảm biến thứ m đến đọc 22 chip s Độ dài thời gian sóng phản xạ chip thẻ cảm biến 23 M s Thời gian trễ sóng phản xạ cảm biến cách đọc khoảng dM 24 λ m Bước sóng 25 T N/m vec tơ ứng suất 26 S m2 /N Vec tơ biến dạng 27 E V/m vec tơ cường độ điện trường D C/m2 vec tơ dịch chuyển điện [e] m/V ma trận áp điện 30  kg/m3 khối lượng riêng 31  n tiế 13 ới m 29 sĩ 28 Ma trận tín hiệu chồng lấn đọc Hiệu thời gian trễ sóng phản xạ ất nh s vii DANH MỤC CÁC BẢNG ận Lu án n tiế Bảng 1.1 Hệ số tuyến tính hiệu ứng vật lý vật liệu đế SAW[56] 18 Bảng 2.1 So sánh đặc tính SAW RDL SAW cộng hưởng [81] 31 Bảng 2.2 Tính chất số vật liệu áp điện [83] 32 Bảng 2.3 Tính chất số vật liệu làm IDT [83] 33 Bảng 2.4 Các thông số ban đầu dùng mô 39 Bảng 2.5 Thông số vật liệu YZ-LiNbO3 dùng mô [83] 40 Bảng 2.6 Các điều kiện biên 41 Bảng 2.7 Tổng hợp tham số cố định q trình mơ 42 Bảng 2.8 Tổng hợp biên độ tín hiệu phản xạ lớn tần số 870MHz 50 Bảng 2.9 Tổng hợp biên độ tín hiệu phản xạ lớn tương ứng a/p tần số 870MHz 53 Bảng 2.10 Thông số vật liệu làm phản xạ [92] 55 Bảng 2.11 Các thơng số cấu trúc mơ hình xây dựng thuật tốn đọc pha 59 Bảng 2.12 Thơng số cấu trúc mô FEM 62 Bảng 2.13 So sánh kết mô lý thuyết thời điểm nhận biên độ sóng phản xạ lớn ba cấu trúc 63 Bảng 2.14 Tổng hợp kết từ mô FEM 64 Bảng 2.15 Góc trễ pha tín hiệu phản xạ ba cấu trúc 70 Bảng 3.1 Bộ mã hóa ứng với cột ma trận 𝐵𝑒𝑁𝑐 với 𝑁𝑐 = 82 Bảng 3.2 Các mã hóa chọn với 𝑁𝑐 = 82 Bảng 3.3 Thông số cảm biến mô Ansys cho SAW OFC 85 Bảng 3.4 Kết mô Ansys 86 Bảng 3.5 Bảng thông số thực với Nc=3 87 Bảng 3.6 Bảng mã hóa cảm biến với 𝑁𝑐 = 87 Bảng 3.7 Độ trễ sóng phản xạ thứ k so với sóng 88 Bảng 3.8 Giá trị ma trận 𝑌𝑁𝑐 sau giải phương trình 89 Bảng 3.9 Thơng số ban đầu cho ba cảm biến hệ 91 Bảng 3.10 Giá trị ma trận 𝑌𝑁𝑐 với ba cảm biến 91 Bảng 3.11 Kết nhận giải phương trình (3.19) 91 Bảng 3.12 Giá trị pha với tần số với bán kính đọc 6m 92 Bảng 3.13 Thứ tự giải phương trình ma trận với giá trị 𝑁𝑐 = 93 Bảng 3.14 Vị trí ứng với khoảng cách, độ trễ pha cho hệ cảm biến 94 Bảng 3.15 Bảng liệu bổ sung cho mô với hệ cảm biến 94 Bảng 3.16 Dữ liệu cho trước hệ cảm biến 95 Bảng 3.17 Giá trị ma trận 𝑌𝑁𝑐 cho hệ cảm biến 96 Bảng 3.18 Bảng thông số cho hệ có phản xạ 99 Bảng 3.19 Thứ tự giải phương trình ma trận với giá trị 𝑁𝑐 = 99 Bảng 3.20 Giá trị pha với tần số với bán kính 6m Nc=4 101 Bảng 3.21 Thông số khoảng chia theo tần số n=4 101 Bảng 3.22 Vị trí ứng với khoảng cách, độ trễ pha cho hệ 10 cảm biến 102 Bảng 3.23 Số liệu tín hiệu cảm biến với 𝑁𝑐 = 103 Bảng 3.24 Các giá trị ma trận 𝑌𝑁𝑐 với 𝑁𝑐 = 103 sĩ ới m ất nh viii