用于復(fù)雜機(jī)床車間環(huán)境下的多參數(shù)RFID傳感器設(shè)計(jì)

魏圣坤，張遠(yuǎn)輝

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與汽車工程學(xué)院，四川瀘州 646000)

0 前言

在復(fù)雜的工業(yè)機(jī)床車間生產(chǎn)環(huán)境中，機(jī)床的使用壽命和安全性系數(shù)都受到了巨大的影響[1]。傳統(tǒng)的傳感器因單一的檢測功能，或因抗干擾能力差，無法較好地完成對機(jī)床結(jié)構(gòu)的安全性監(jiān)測，來達(dá)到規(guī)避大型生產(chǎn)事故的發(fā)生。針對傳統(tǒng)傳感器的眾多缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于復(fù)雜機(jī)床車間環(huán)境下的多參數(shù)RFID傳感器，具有精確定位和標(biāo)記分類的作用、對機(jī)床結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測功能和對復(fù)雜機(jī)床車間環(huán)境的濕度檢測功能。面對復(fù)雜的機(jī)床車間環(huán)境，此設(shè)計(jì)的多參數(shù)RFID傳感器可以穩(wěn)定且準(zhǔn)確地完成對機(jī)床結(jié)構(gòu)的安全性系數(shù)監(jiān)測[2-4]。

面對復(fù)雜的機(jī)床車間環(huán)境，機(jī)床能否長久且穩(wěn)定地工作至關(guān)重要[3-5]，文中設(shè)計(jì)的多參數(shù)RFID傳感器主要用于對機(jī)床的安全隱患處進(jìn)行標(biāo)記定位，對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測和對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行濕度檢測，通過使用多參數(shù)RFID傳感器，能夠達(dá)到較全面地監(jiān)測工作在復(fù)雜車間的機(jī)床安全性系數(shù)變化情況。

1 多參數(shù)RFID傳感器的工作原理

文中提出一種用于復(fù)雜機(jī)床車間環(huán)境的無芯片RFID多參數(shù)傳感器，具有3個(gè)不同功能的部分：3個(gè)穩(wěn)定的微帶諧振器電路用于編碼，構(gòu)成標(biāo)簽的ID；1個(gè)附有PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇)涂層的微帶諧振器電路結(jié)構(gòu)，用于濕度監(jiān)測；1個(gè)矩形應(yīng)變單元，利用貼片拉伸、尺寸變化導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生偏移的特性用于應(yīng)變監(jiān)測[6-7]。

1.1 多參數(shù)RFID傳感器編碼標(biāo)記功能模塊

為了使得編碼單元盡可能緊湊，衰減的帶寬需要盡可能地窄，直至特定的頻率點(diǎn)，以有效實(shí)現(xiàn)阻礙該信號通過的濾波效果[8]。考慮到編碼結(jié)構(gòu)需要易與微帶線形式相互轉(zhuǎn)換，文中采用基于串聯(lián)LC單元的電路，圖1給出了編碼結(jié)構(gòu)的一階LC電路，n位即有n個(gè)LC單元。

根據(jù)微帶線理論，在ωo處長度為λ/4的開放微帶線的等效電路即為串聯(lián)LC諧振電路，RLC 3種元件滿足以下等式[9-11]：

(1)

(2)

(3)

其中：Z0o為第i位的終端開路微帶線特征阻抗，Z0o與具體的介質(zhì)基板材料緊密相關(guān)；Wf表示微帶傳輸線的寬度；Wc為終端開路微帶線的寬度；Lc為終端開路微帶線的有效電長度；h為介質(zhì)基板的厚度；fo為中心頻率；εeff則為等效介電常數(shù)。

多參數(shù)RFID傳感器的編碼標(biāo)記功能模塊布局如圖2所示，一共有4個(gè)bit位已在圖中標(biāo)注，其中Wc和Lc分別為微帶短截線的寬度與長度，ΔL是每2個(gè)編碼單元之間的間隔長度。介質(zhì)基板選用Rogers5880基板。

圖2 彎曲的矩形微帶天線的幾何形狀

可以看出，起始頻率越低，首個(gè)編碼單元的長度與寬度數(shù)值均越大，起始頻率越高，則首個(gè)編碼單元的長度與寬度數(shù)值均越小。在HFSS電磁仿真軟件中建模，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 S21仿真結(jié)果

1.2 多參數(shù)RFID傳感器應(yīng)變檢測模塊

應(yīng)變檢測模塊一般由矩形微帶天線實(shí)現(xiàn)，矩形微帶天線一般結(jié)構(gòu)上層為導(dǎo)體薄片，下層為帶導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基板，利用微帶線饋電，通過上層導(dǎo)體金屬貼片與接地板之間激勵(lì)產(chǎn)生射頻電磁場，從貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。以傳輸線模型為例，分析矩形微帶貼片的工作原理[12-13]。圖4給出了矩形貼片的模型。

圖4 矩形微帶天線的模型

設(shè)矩形微帶貼片長度為b，寬度為a，介質(zhì)基板厚度h≤λ，一般取b為微帶線上波長λm的一半，則b兩端都是電壓波腹。

(4)

(5)

(6)

式中：c為真空中的光速；εe為介質(zhì)基板材料的等效介電常數(shù)；b為矩形微帶貼片的長度。可見，矩形微帶天線的諧振頻率主要與矩形貼片的長度相關(guān)。

為了驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性，在HFSS電磁仿真軟件中建立了文中設(shè)計(jì)的矩形微帶天線模型，引入變量k代表應(yīng)變程度。分別從縱向與橫向2個(gè)方向討論了矩形微帶貼片在尺寸變化時(shí)諧振頻率的變化趨勢。k=0即表示沒有任何應(yīng)變，此時(shí)矩形微帶貼片的初始諧振頻率約為2.70 GHz。然后沿著矩形較長邊的縱向方向進(jìn)行拉伸，得到仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 矩形微帶天線應(yīng)變仿真結(jié)果

從圖5中能夠看出：隨著k值的不斷增大，矩形微帶貼片的諧振頻率不斷減小，符合前面理論推導(dǎo)的結(jié)論。使用MATLAB軟件做出諧振頻率的散點(diǎn)圖并畫出擬合直線如圖6所示，可以看到擬合曲線的截距約為2.71 GHz，與初始諧振頻率基本吻合，整體符合理論推導(dǎo)。

圖6 矩形應(yīng)變后的諧振頻率變化與應(yīng)變程度關(guān)系

1.3 多參數(shù)RFID傳感器濕度檢測模塊

目前存在一些能夠隨著環(huán)境參數(shù)變化而導(dǎo)致電特性變化的材料，如果將這種材料附著在無芯片RFID傳感器上，相應(yīng)位置的阻抗或者有效介電常數(shù)將會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生偏移。文中使用的濕度材料為PVA，PVA溶于水，對濕度變化非常敏感，可以用于多參數(shù)RFID傳感器濕度檢測模塊。

文中使用影響多參數(shù)RFID傳感器介電常數(shù)的方式來檢測濕度的變化，在HFSS電磁仿真軟件中進(jìn)行仿真。在貼片上表面添新介質(zhì)，除介電常數(shù)ε不同，其他材料參數(shù)與RT5880保持一致，對介電常數(shù)ε進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示，隨著ε的增大，對應(yīng)編碼單元的諧振頻率的仿真結(jié)果總體上是降低的趨勢。

圖7 涂層相對介電常數(shù)的仿真結(jié)果

針對涂層厚度的仿真，則通過更改上表面新介質(zhì)的厚度hc實(shí)現(xiàn)。與理論計(jì)算保持一致，厚度討論從1 mm到3 mm，以0.1 mm為步長，仿真結(jié)果如圖8所示，隨著hc的增大，對應(yīng)編碼單元的諧振頻率的仿真結(jié)果也是整體上呈現(xiàn)降低的趨勢。

2 多參數(shù)RFID傳感器的集成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證檢測實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 多參數(shù)RFID傳感器的集成設(shè)計(jì)

由于微波器件的特性較為敏感，實(shí)際上只要添加元素，各單元之間就會(huì)產(chǎn)生一定的耦合影響。相比編碼單元靠耦合微帶饋線的結(jié)構(gòu)，所提出的直連結(jié)構(gòu)已經(jīng)盡量減小了單元間的耦合效應(yīng)[14]。為了綜合考慮，引入一定的優(yōu)化，布局示意如圖9所示。

圖9 多參數(shù)傳感器模型

使用HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行仿真操作，得出多參數(shù)RFID傳感器的工作頻率如圖10所示。

圖10 HFSS仿真中S21結(jié)果

使用HFSS電磁仿真軟件對多參數(shù)RFID傳感器進(jìn)行應(yīng)變檢測仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 多參數(shù)RFID傳感器應(yīng)變拉伸仿真結(jié)果

圖12 矩形貼片的應(yīng)變拉伸仿真結(jié)果

如圖11所示，隨著多參數(shù)矩形微帶天線受到的應(yīng)力變化，標(biāo)記編碼模塊的工作頻率保持不變，而應(yīng)變檢測模塊的工作頻率發(fā)生偏移，將圖12的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制到圖13，可以得出隨著應(yīng)變強(qiáng)度增加，應(yīng)變檢測天線的工作頻率越來越小。

圖13 集成傳感器應(yīng)變仿真中矩形微帶天線的諧振頻率變化

2.2 多參數(shù)RFID傳感器的驗(yàn)證檢測實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

多參數(shù)RFID傳感器，實(shí)物如圖14所示。

圖14 多參數(shù)RFID傳感器

接下來進(jìn)行應(yīng)變檢測實(shí)驗(yàn)，將多參數(shù)RFID傳感器放到拉伸儀中，并連接VNA測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄并繪制出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。可以看到：經(jīng)過拉伸后，貼片天線的諧振頻率與應(yīng)變量之間存在明顯的線性關(guān)系，這一點(diǎn)與理論和仿真均相符合，因此文中設(shè)計(jì)的應(yīng)變檢測模塊可以很好地檢測機(jī)床結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況。

圖15 應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后進(jìn)行濕度檢測實(shí)驗(yàn)。將PVA涂抹在第二編碼位上，其他位置不涂抹PVA，實(shí)驗(yàn)開始后，傳感器在該環(huán)境中靜置一段時(shí)間，確保傳感器充分吸收該環(huán)境的水分，諧振頻率達(dá)到目前代表的濕度。接下來打開加濕器一段時(shí)間后關(guān)閉，不進(jìn)行任何其他操作以降低其他因素的影響，重復(fù)多次操作，以獲得不同濕度條件下，第二編碼位天線的諧振頻率變化情況，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖16所示。

圖16 濕度檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可以看到在相對濕度較低的時(shí)候，諧振頻率的變化幅度比較小，隨著相對濕度的升高，諧振頻率的變化幅度也越來越大，符合實(shí)際測試的情況。上述濕度監(jiān)測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，該多參數(shù)RFID傳感器的濕度檢測模塊可以很好地檢測機(jī)床在復(fù)雜車間環(huán)境中的濕度變化情況。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款多參數(shù)RFID傳感器，用于復(fù)雜機(jī)床車間環(huán)境下的機(jī)床結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測，使用多參數(shù)RFID傳感器對機(jī)床結(jié)構(gòu)的安全性系數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：編碼標(biāo)記功能模塊能夠很好地完成精確定位和標(biāo)記分類的作用；在應(yīng)變檢測模塊中，負(fù)責(zé)應(yīng)變檢測的矩形微帶天線的工作頻率變化與應(yīng)變程度存在線性關(guān)系，應(yīng)變靈敏度高，相對誤差小，通過監(jiān)測矩形微帶天線諧振頻率的變化，可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況的監(jiān)測；濕度檢測模塊部分符合理論推導(dǎo)與仿真結(jié)果，且隨著濕度增高，涂抹PVA傳感器的工作頻率下降速度加快，能夠監(jiān)測復(fù)雜機(jī)床車間環(huán)境的濕度變化情況。綜上，文中設(shè)計(jì)的多參數(shù)RFID傳感器能夠較全面地檢測機(jī)床在復(fù)雜車間環(huán)境中的安全性系數(shù)變化情況。