Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt - Luận án TS Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU HÀ NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG KHÔNG DÂY DẠNG SÓNG ÂM BỀ MẶT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU HÀ NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG KHÔNG DÂY DẠNG SÓNG ÂM BỀ MẶT Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS HOÀNG SĨ HỒNG 2. CUNG THÀNH LONG Hà Nội - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và TS. Cung Thành Long. Tất cả các tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.

Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. Hoàng Sĩ Hồng TS. Cung Thành Long Nguyễn Thu Hà i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án: “Nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt”, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn, những động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện của các thầy cô, các nhà khoa học trong các nhóm nghiên cứu Lý thuyết mạch, Đo lường, Điện tử và Vi xử lý thuộc khoa Tự động hóa.

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành về sự quan tâm giúp đỡ đầy quý báu đó. Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên Lab Mandevices trường Điện-Điện tử, viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà nội đã góp ý, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian vừa qua. Được làm việc với hai thầy hướng dẫn là PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và TS. Cung Thành Long là một điều tuyệt vời.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, theo sát và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, bạn bè, đồng nghiệp nơi tôi công tác là bộ môn Điều khiển và Tự động hóa, khoa Điện, trường Đại học Công nghiệp Hà nội đã tạo điều kiện, hỗ trợ, động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ từ Viện Ứng dụng công nghệ và các cán bộ tham gia đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống giám sát tự động các điểm phát nhiệt trong các tủ kín sử dụng cảm biến sóng âm bề mặt" theo hợp đồng số 15/2021/HĐ–ĐTCB ngày 10/06/2021 đã giúp tôi trong quá trình thực hiện luận án này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ, gia đình đã luôn bên cạnh yêu thương, khích lệ và ủng hộ tôi trong suốt chặng đường học tập vừa qua.

Nghiên cứu sinh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 Chương 1. Tổng quan về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt 4 1.2 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 1.2 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 1.1 Khái niệm đa truy nhập 20 1.2 Phương pháp mã hóa vị trí thời gian 22 1.3 Phương pháp mã hóa pha 24 1.4 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 Lựa chọn cấu trúc cơ sở 30 2.2 Lựa chọn các thông số cấu trúc 31 2.3 Các yêu cầu mô phỏng 36 2.4 Quá trình thực hiện và kết quả 38 2.1 Cấu trúc tổng thể và các thông số ban đầu 38 2.2 Trình tự thực hiện và kết quả 39 2.3 Đánh giá ảnh hưởng thời gian đặt điện áp tại IDT đến sóng phản xạ 44 2.4 Khảo sát ảnh hưởng số điện cực IDT 45 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của số thanh bộ phản xạ 48 iii 2.6 Ảnh hưởng tỉ số hóa kim của bộ phản xạ 51 2.7 Khảo sát vật liệu của bộ phản xạ 54 2.8 Ảnh hưởng độ dầy thanh phản xạ 57 2.2 Xây dựng thuật toán đọc pha 59 2.1 Xác định các đáp ứng của nút cảm biến SAW sử dụng mô phỏng FEM 60 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 3.1 Hệ phương trình ma trận mối quan hệ giữa tín hiệu của từng cảm biến với tín hiệu chồng lấn 77 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.3 Giải phương trình ma trận 82 3.4 Kết hợp hai công cụ phần mềm kiểm chứng thuật toán ma trận 84 3.1 Xây dựng bộ thông số mẫu ban đầu cho nút cảm biến SAW sử dụng FEM 85 3.2 Đọc tín hiệu từ đa cảm biến sử dụng công cụ Matlab.1 Hệ có một cảm biến và 3 bộ phản xạ.2 Hệ có ba cảm biến và ba bộ phản xạ 90 3.3 Thuật toán chia khoảng và lọc nghiệm 93 3.3 Kiểm chứng thuật toán với phương pháp chia khoảng và lọc nghiệm cho hệ có 10 cảm biến và 4 bộ phản xạ.

98 Kết luận chương 3 105 Kết luận và hướng phát triển 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 PHỤ LỤC 115 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng Việt 1 2D 2 dimensional 2 chiều 2 3D 3 dimensional 3 chiều 3 ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số 4 ASK Amplitude Shift Keying Điều biên 5 BEM Boundary element method phương pháp phần tử biên 6 BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân 7 BW Bandwidth Độ rộng băng thông 8 CDMA Code-division multiple access Đa truy cập phân chia theo mã 9 COM Coupling of Modes Mô hình ghép cặp chế độ 10 DS/SS Direct Sequence Spread Trải phổ dãy trực tiếp Spectrum 11 FDS Frequency-domain sampling Phương pháp lấy mẫu miền tần số 12 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn 13 FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Furier nhanh 14 FH/SS Frequency Hopped Spread Trải phổ nhảy tần Spectrum 15 FM Frequency modulation Điều chế tần số 16 HF High Frequency Tần số cao 17 IDT Interdigitated Transducer Bộ chuyển đổi số 18 ID-tag Identification - tag Thẻ nhận dạng 19 IoT Internet of Things Internet kết nối vạn vật 20 LF Low Frequency Tần số thấp 21 MEMS Microelectromechanical Hệ thống vi cơ điện tử Systems 22 MFSK Multiple frequency-shift Điều biến tín hiệu keying 23 NA Network Analyzer Máy phân tích mạng 24 OFC Orthogonal Frequency Coding Mã hóa tần số trực giao 25 PLL Phase-Locked Loop Vòng khóa pha 26 PN Pseudo-Noise Dãy giả tạp 27 PSK Phase Shift Keying Điều pha 28 RDL Reflective Delay Line Đường trễ phản xạ v 29 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến 30 RFID Radio-frequency Thẻ nhận dạng tần số vô identification tuyến 31 SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt 32 SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu phát ra và tạp âm (nhiễu) 33 SPUDT Single-phase Unidirectional Bộ chuyển đổi số một hướng Interdigitated Transducer đơn pha 34 TDMA Time-division multiple access Đa truy cập phân chia thời gian cố định 35 TDS Time-domain sampling Phương pháp lấy mẫu miền thời gian 36 UDT unidirectional Interdigitated Bộ chuyển đổi số một hướng Transducer 37 UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao 38 VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp 39 WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây 2. Danh mục các ký hiệu STT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 1 a m Khoảng cách giữa các điện cực IDT 2 ak V Biên độ sóng phản xạ thứ k 3 amk V Biên độ sóng phản xạ thứ k của chíp thứ m 4 BeNc Ma trận quan hệ giữa tín hiệu chồng lấn là tín hiệu riêng từ cảm biến thành phần 5 CS F CS điện dung trên một đơn vị chiều dài của đế 6 CT F Điện dung của IDT 7 d m Độ rộng điện cực 8 dM m Bán kính vùng hỏi của bộ đọc 9 f0 Hz Tần số trung tâm (tần số cơ bản) 10 HNc Ma trận biên độ và độ trễ pha của các cảm biến thành phần. 11 Li m khoảng cách giữa IDT và các bộ phản xạ 12 lIDT m Chiều dài IDT vi 13 Nc Số tần số thành phần của các chip trên thẻ cảm biến 14 Nt Số thẻ cảm biến trong hệ 15 Np Số điện cực IDT 16 p m Chu kỳ điện cực 17 i độ Góc pha của các sóng phản xạ 18 v m/s Vận tốc lan truyền sóng âm bề mặt 19 YKN Ma trận tín hiệu chồng lấn tại bộ đọc 20 i s Thời gian trễ của sóng phản xạ 21 OFCm s Thời gian trễ từ sóng phản xạ đầu tiên của cảm biến thứ m đến bộ đọc 22 chip s Độ dài thời gian của một sóng phản xạ của một chip trên một thẻ cảm biến 23 M s Thời gian trễ của sóng phản xạ đầu tiên của một cảm biến cách bộ đọc một khoảng là dM 24 λ m Bước sóng 25 T N/m vec tơ ứng suất 26 S m2 /N Vec tơ biến dạng cơ 27 E V/m vec tơ cường độ điện trường 28 D C/m2 vec tơ dịch chuyển điện 29 [e] m/V ma trận áp điện 30  kg/m3 khối lượng riêng 31  s Hiệu thời gian trễ của các sóng phản xạ vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hệ số tuyến tính của hiệu ứng vật lý trên vật liệu đế SAW[56].1 So sánh đặc tính giữa SAW RDL và SAW cộng hưởng [81].2 Tính chất của một số vật liệu áp điện [83].3 Tính chất của một số vật liệu làm IDT [83].4 Các thông số ban đầu dùng trong mô phỏng.5 Thông số vật liệu YZ-LiNbO3 dùng trong mô phỏng [83].6 Các điều kiện biên.