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)
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(cè)功能,或因抗干擾能力差,無(wú)法較好地完成對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的安全性監(jiān)測(cè),來(lái)達(dá)到規(guī)避大型生產(chǎn)事故的發(fā)生。針對(duì)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(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測(cè)功能和對(duì)復(fù)雜機(jī)床車間環(huán)境的濕度檢測(cè)功能。面對(duì)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(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的安全性系數(shù)監(jiān)測(cè)[2-4]。
面對(duì)復(fù)雜的機(jī)床車間環(huán)境,機(jī)床能否長(zhǎng)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(duì)機(jī)床的安全隱患處進(jìn)行標(biāo)記定位,對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)和對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行濕度檢測(cè),通過(guò)使用多參數(shù)RFID傳感器,能夠達(dá)到較全面地監(jiān)測(cè)工作在復(fù)雜車間的機(jī)床安全性系數(shù)變化情況。
文中提出一種用于復(fù)雜機(jī)床車間環(huán)境的無(wú)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(cè);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(cè)[6-7]。
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(hào)通過(guò)的濾波效果[8]??紤]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(zhǎng)度為λ/4的開(kāi)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(kāi)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(kāi)路微帶線的寬度;Lc為終端開(kāi)路微帶線的有效電長(zhǎng)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(zhǎng)度,ΔL是每2個(gè)編碼單元之間的間隔長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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
應(yīng)變檢測(cè)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(guò)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(chǎng),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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度。可見(jiàn),矩形微帶天線的諧振頻率主要與矩形貼片的長(zhǎng)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(shì)。k=0即表示沒(méi)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(zhǎng)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
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(wú)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(duì)濕度變化非常敏感,可以用于多參數(shù)RFID傳感器濕度檢測(cè)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(lái)檢測(cè)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(duì)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(duì)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(shì)。
圖7 涂層相對(duì)介電常數(shù)的仿真結(jié)果
針對(duì)涂層厚度的仿真,則通過(guò)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(zhǎng),仿真結(jié)果如圖8所示,隨著hc的增大,對(duì)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(shì)。
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(duì)多參數(shù)RFID傳感器進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)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(cè)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(cè)天線的工作頻率越來(lái)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
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(lái)進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)實(shí)驗(yàn),將多參數(shù)RFID傳感器放到拉伸儀中,并連接VNA測(cè)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??梢钥吹剑航?jīng)過(guò)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(cè)模塊可以很好地檢測(cè)機(jī)床結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況。
圖15 應(yīng)力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
最后進(jìn)行濕度檢測(cè)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(kāi)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(lái)打開(kāi)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(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
可以看到在相對(duì)濕度較低的時(shí)候,諧振頻率的變化幅度比較小,隨著相對(duì)濕度的升高,諧振頻率的變化幅度也越來(lái)越大,符合實(shí)際測(cè)試的情況。上述濕度監(jiān)測(cè)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(cè)模塊可以很好地檢測(cè)機(jī)床在復(fù)雜車間環(huán)境中的濕度變化情況。
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(cè),使用多參數(shù)RFID傳感器對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的安全性系數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。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(cè)模塊中,負(fù)責(zé)應(yīng)變檢測(cè)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(duì)誤差小,通過(guò)監(jiān)測(cè)矩形微帶天線諧振頻率的變化,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況的監(jiān)測(cè);濕度檢測(cè)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(cè)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(cè)機(jī)床在復(fù)雜車間環(huán)境中的安全性系數(shù)變化情況。