用于土壤溫濕度檢測的聲表面波標簽設計

王春濤, 秦美玲, 陳智軍, 郭佳佳, 薛雅麗, 劉翔宇

(1.南京航空航天大學 自動化學院,江蘇 南京 211106;2. 中電科技德清華瑩電子有限公司,浙江 德清 313200)

0 引言

土壤是人類生存和發(fā)展的基礎,土壤的溫度和濕度(含水量)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中至關重要的參數(shù)信息,因此需要通過傳感器獲取相應的數(shù)據(jù)[1-3]。目前常用的土壤溫濕度檢測方案是采用不同的傳感器對溫度和濕度分開檢測,且需要通過電池供電或在田間布線來實現(xiàn)供能和數(shù)據(jù)傳輸,故存在電池老化污染土壤環(huán)境、影響機械化農(nóng)業(yè)活動等問題[4]。同時,少量布置傳感器無法準確反映農(nóng)作物區(qū)域土壤的狀況,而大量布置傳感器又會增加成本[5]。

聲表面波(SAW)標簽是一種無線無源器件[6],采用聲表面波標簽檢測土壤溫濕度可以有效地避免電池的使用和田間復雜的布線,同時降低了系統(tǒng)成本。本文首先設計了土壤溫度和濕度的敏感方案,然后建立了阻抗負載型聲表面波標簽的耦合模(COM)模型,仿真了負載反射柵的回波幅值和相位隨電容容值變化規(guī)律。在此基礎上設計并制作了一組用于土壤溫濕度不同深度層級同時檢測的標簽,最后通過實驗測試證明了標簽的有效性。

1 檢測方案設計

聲表面波標簽由壓電基底、叉指換能器(IDT)和反射柵組成,其工作原理如圖1所示。由圖可見,閱讀器發(fā)射查詢脈沖,在閱讀器天線和標簽天線的配合下,查詢脈沖在叉指換能器上分別經(jīng)過逆、正壓電效應后得到與反射柵對應的回波脈沖串。閱讀器通過對回波信號進行解算,獲得各回波脈沖的時延、相位、幅值等信息[7]。

圖1 聲表面波標簽工作原理圖

聲表面波在壓電基底表面?zhèn)鞑r,溫度變化引發(fā)壓電基底材料參數(shù)變化,聲表面波的傳播速度和反射柵的間距都會發(fā)生變化,導致回波脈沖之間的相位發(fā)生改變,相位與溫度的對應關系使得聲表面波標簽具備溫度傳感功能。因此,在標簽的封裝材料具有良好傳熱性的前提下,只需在壓電基底上合理設計反射柵位置,即可實現(xiàn)對土壤溫度的檢測。

聲表面波在壓電基底表面的傳播特性決定了將被測量直接施加在其傳播路徑上為最佳選擇,如將聲表面波標簽用于土壤溫度的檢測。但很多被測量不宜直接施加在壓電基底表面,如壓力、磁場和土壤濕度等[8]。針對土壤濕度檢測,本文采用電容作為敏感元件,將其與標簽的反射柵相連以構成阻抗負載型結構,見圖1中最后一個反射柵所示。土壤濕度變化會改變土壤的介電常數(shù),導致電容的容值變化,并最終影響負載反射柵的反射特性,因此,通過回波脈沖的幅值或相位可實現(xiàn)土壤濕度檢測。圖2為聲表面波標簽實現(xiàn)土壤溫濕度并行檢測方案。

圖2 土壤溫濕度并行檢測方案

2 耦合模仿真

聲表面波標簽的理論仿真模型主要有δ函數(shù)模型[9]、等效電路模型[10]及COM模型[11]。對于如圖3所示的阻抗負載型SAW標簽結構,通過分別對IDT和負載反射柵建立COM方程,再考慮SAW的路徑損耗后進行級聯(lián)求解,可得到阻抗負載型標簽的COM模型。

圖3 阻抗負載型SAW標簽結構

圖4為阻抗負載型SAW標簽等效模型。由圖可見,將IDT和負載反射柵抽象為具有1個電學端和2個聲學端的三端口器件,Yse為外接負載阻抗的導納值。在如圖5所示的坐標系下,施加在IDT上的電壓V會在匯流條上形成電流I,并產(chǎn)生沿正向和反向傳播的聲波A+(x)與A-(x),它們通過指間反射相互耦合,其耦合關系可表示為

(1)

圖4 阻抗負載型SAW標簽等效模型

圖5 IDT坐標系

式(1)可改寫成為P矩陣的形式:

(2)

負載反射柵采用叉指型反射柵,同樣可以得到其P矩陣形式的耦合模方程:

(3)

在實際制作過程中,SAW標簽邊緣會涂抹吸聲膠,進而可將從壓電基底邊緣反射回來的信號A-(L3)的能量等效為0,將其代入式(3)可得到負載反射柵的反射率Г與Yse的關系:

(4)

進一步考慮聲表面波的傳播損耗并結合式(4),在IDT和負載反射柵之間傳播的聲信號間的關系可表示為

A+(L2)=e-j(β-jα)lA+(L1)

(5)

A-(L1)=e-j(β-jα)lA-(L2)

(6)

A-(L1)=Γe-2j(β-jα)lA+(L1)

(7)

式中:α為衰減系數(shù);β為波數(shù);l為IDT和負載反射柵之間的距離。

將式(7)代入式(2),得到阻抗負載型標簽的導納Y與負載反射柵反射率Г之間的關系:

(8)

再根據(jù)標簽反射系數(shù)S11結合式(4),最終獲得S11與Yse之間的關系:

(9)

式中Z0為標簽天線的阻抗。

仿真所用SAW標簽的中心頻率為922.5 MHz,壓電基底選用YZ-切型鈮酸鋰(LiNbO3),電極材料采用鋁,標簽仿真參數(shù)如表1所示。采用Hashimoto教授提出的基于離散格林函數(shù)與柵格有效介電常數(shù)理論的有限元分析法[12],并結合開源仿真程序FEMSDA計算得到標簽的耦合模參數(shù)。

表1 阻抗負載型標簽的仿真參數(shù)

仿真時取負載電容C=0～12 pF來模擬土壤濕度導致的電容容值變化范圍。當C=0、12 pF時,阻抗負載型標簽的S11及其時域響應的回波幅值、相位如圖6所示。通過對S11的逆傅里葉變換獲得時域響應。

圖6 阻抗負載型標簽的S11及其時域響應

由圖6(b)、(c)可知,負載電容的容值變化導致負載反射柵對應的回波脈沖幅值和相位均發(fā)生變化。

負載反射柵對應的回波脈沖幅值、相位隨電容值的變化如圖7所示。由圖可知,隨著負載電容增大,回波幅值增大,回波相位減小。在0～4 pF時,回波幅值變化的靈敏度較高,電容大于4 pF時,幅值變化靈敏度大幅減小。對比圖7(a)、(b)可知,當C從0變化到12 pF時,回波幅值變化約18 dB,而對應的回波相位只變化了約33°。因此,本文通過檢測負載反射柵對應的回波脈沖幅值變化可實現(xiàn)對土壤濕度的檢測。

圖7 負載反射柵的回波特性隨電容值變化

3 標簽結構設計與優(yōu)化

SAW標簽只需兩個反射柵即可測溫,但無法兼顧較大的測溫范圍和較高的測溫精度。本文設計的三反射柵測溫結構如圖8(a)所示。通過合理設計相距最近的兩個反射柵距離,使溫度變化導致相應的回波相位變化不超過360°,再利用反射柵之間的距離比例關系,結合相位遞推算法[13]獲得相距最遠的兩反射柵對應的回波信號無模糊的相位,從而可同時具有大量程和高精度的特點。在圖8(a)的基礎上結合阻抗負載型結構測量土壤濕度,為了避免溫濕度檢測之間的耦合,設計了如圖8(b)所示的雙通道結構。鑒于負載反射柵的回波幅值受標簽和閱讀器之間距離的影響,本文進一步將距IDT最近的測溫反射柵作為參考反射柵,通過與負載反射柵、參考反射柵對應的回波信號幅值比來消除距離對濕度檢測的影響。為了實現(xiàn)對同一表面位置不同深度處土壤溫濕度的同時檢測,在圖8(b)的基礎上采用時分多址[14]思想設計了如圖8(c)所示的一組兩個聲表面波標簽。

圖8 聲表面波標簽結構

SAW標簽的最遠無線工作距離是限制其應用場景的重要因素之一,提升距離主要從提高標簽的能量利用率著手。本文對標簽結構進行了優(yōu)化,如圖9所示。圖9(a)是在圖8(c)的基礎上將標簽2的測溫反射柵進行180°旋轉后向左移動,與標簽1的測溫反射柵形成交叉結構,與此同時調(diào)整標簽1、2的負載反射柵位置,得到如圖9(b)所示的結構,在一定程度上減小了壓電基底的長度。再對標簽1、2的部分反射柵以IDT為基準進行鏡像,使其位于不同通道內(nèi),最終得到的雙通道雙邊帶結構如圖9(c)所示。將反射柵同時設置在IDT兩側的結構,充分利用了電磁波通過IDT轉換成聲表面波時沿其兩側同時傳播的特性,避免了一半的能量損耗;同時,單側的每個通道內(nèi)只有一個反射柵,避免了因存在多個反射柵時前面反射柵的反射率對后面反射柵的影響,因此,在標簽設計時可以盡可能提高反射柵的反射率,且無需額外的仿真優(yōu)化來保證回波一致性,在提高能量利用率的同時簡化了標簽設計流程。

圖9 標簽結構優(yōu)化

4 實驗測試

圖10為實際制作的聲表面波標簽及測試板。由圖可見,標簽焊接在測試板上并通過焊盤與測試板上的貼片電容相連。以設計的標簽1為例進行測試,通過矢量網(wǎng)絡分析儀測得標簽的S11后再進行逆傅里葉變換,得到標簽時域響應的回波幅值如圖11所示,4個回波脈沖分別對應4個反射柵。在未對標簽進行回波一致性優(yōu)化的情況下,3個測溫反射柵仍具有較一致的回波脈沖幅值。改變貼片電容值進行測量,負載反射柵的回波幅值、相位變化如圖12所示。由圖12可知,在0～12 pF內(nèi),回波幅值變化了約14 dB,相位變化了約30°。對比圖7、12可知,幅值的變化趨勢與仿真結果一致,變化范圍減小了4 dB,且實際回波信號強度大于仿真結果,這是由于PCB測試板上的走線、焊盤等存在寄生電容,導致實際負載電容增大;相位的變化趨勢和變化相對值基本符合仿真的預期結果,但相位的絕對值與仿真存在一定差距,這是由于測試過程中信號通過PCB測試板的走線所帶來的固定偏差。以上實驗驗證了本文耦合模仿真的有效性和標簽設計方案的可行性。

圖11 標簽的回波幅值

圖12 負載反射柵的回波特性隨貼片電容值變化

結合標簽天線、閱讀器和閱讀器天線搭建了無線測試系統(tǒng)如圖13所示。標簽內(nèi)的負載反射柵與PCB板上的濕敏電容相連,采用在PCB上鋪銅的方式制作電容,兩個銅片與土壤構成電容器結構,通過仿真優(yōu)化使土壤濕度為0～30%,對應容值變化為0～4 pF,保證了土壤濕度檢測具有較高的靈敏度和較好的線性度。標簽測試板經(jīng)過防水處理后插入土壤,上位機界面實時顯示閱讀器接收到的回波信號以及解算出的土壤溫濕度數(shù)據(jù)。在圖14所示的恒溫箱內(nèi)通過高精度溫度計對標簽進行溫度標定并擬合標定結果。由于實際環(huán)境中土壤溫度變化范圍較小,所以標定結束后仍采用恒溫箱進行測溫實驗。從-10 ℃升溫到50 ℃,每間隔10 ℃記錄標簽測得的溫度值,結果如表2所示。由表可知,最大測溫誤差為0.8 ℃。

表2 標簽測溫數(shù)據(jù)

圖13 無線測試系統(tǒng)

圖14 測溫實驗環(huán)境

本文基于烘干稱重法配比質(zhì)量含水量不同的土壤樣本對標簽進行標定,配置過程如圖15所示,同時配置濕度范圍為6%～24%、梯度為6%的土壤試樣用于濕度測試。測試結果如表3所示。由表可知,土壤濕度檢測精度在±3%內(nèi)。

表3 標簽測濕數(shù)據(jù)

圖15 烘干稱重法配置過程

5 結束語

本文針對土壤溫濕度的并行檢測進行研究,基于聲表面技術無線無源的優(yōu)勢,給出了聲表面波標簽的解決方案。首先分析了土壤溫度和濕度的不同敏感機理,設計了采用壓電基底本身和外接負載電容作為敏感元件的檢測方法;然后采用耦合模理論對阻抗負載型聲表面波標簽進行了建模與仿真,得到負載反射柵回波幅值和相位隨電容容值的變化規(guī)律;再設計并制作了一組可實現(xiàn)不同深度土壤溫濕度同時檢測的標簽;最后采用回波信號相位和幅值比檢測土壤溫濕度。結合矢量網(wǎng)絡分析儀和閱讀器對標簽進行測試,驗證了該標簽用于土壤溫濕度檢測的有效性,不僅拓展了土壤溫濕度檢測新方法,而且延伸了無線無源聲表面波技術的應用領域。