用于復雜機床車間環(huán)境下的多參數(shù)RFID傳感器設計

魏圣坤，張遠輝

(瀘州職業(yè)技術學院智能制造與汽車工程學院，四川瀘州 646000)

0 前言

在復雜的工業(yè)機床車間生產(chǎn)環(huán)境中，機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床結構的安全性監(jiān)測，來達到規(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，設計了用于復雜機床車間環(huán)境下的多參數(shù)RFID傳感器，具有精確定位和標記分類的作用、對機床結構的應變檢測功能和對復雜機床車間環(huán)境的濕度檢測功能。面對復雜的機床車間環(huán)境，此設計的多參數(shù)RFID傳感器可以穩(wěn)定且準確地完成對機床結構的安全性系數(shù)監(jiān)測[2-4]。

面對復雜的機床車間環(huán)境，機床能否長久且穩(wěn)定地工作至關重要[3-5]，文中設計的多參數(shù)RFID傳感器主要用于對機床的安全隱患處進行標記定位，對機床結構進行應變監(jiān)測和對機床結構進行濕度檢測，通過使用多參數(shù)RFID傳感器，能夠達到較全面地監(jiān)測工作在復雜車間的機床安全性系數(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雜機床車間環(huán)境的無芯片RFID多參數(shù)傳感器，具有3個不同功能的部分：3個穩(wěn)定的微帶諧振器電路用于編碼，構成標簽的ID；1個附有PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇)涂層的微帶諧振器電路結構，用于濕度監(jiān)測；1個矩形應變單元，利用貼片拉伸、尺寸變化導致諧振頻率發(fā)生偏移的特性用于應變監(jiān)測[6-7]。

1.1 多參數(shù)RFID傳感器編碼標記功能模塊

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，以有效實現(xiàn)阻礙該信號通過的濾波效果[8]。考慮到編碼結構需要易與微帶線形式相互轉換，文中采用基于串聯(lián)LC單元的電路，圖1給出了編碼結構的一階LC電路，n位即有n個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與具體的介質基板材料緊密相關；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傳感器的編碼標記功能模塊布局如圖2所示，一共有4個bit位已在圖中標注，其中Wc和Lc分別為微帶短截線的寬度與長度，ΔL是每2個編碼單元之間的間隔長度。介質基板選用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，仿真結果如圖3所示。

圖3 S21仿真結果

1.2 多參數(shù)RFID傳感器應變檢測模塊

應變檢測模塊一般由矩形微帶天線實現(xiàn)，矩形微帶天線一般結構上層為導體薄片，下層為帶導體接地板的介質基板，利用微帶線饋電，通過上層導體金屬貼片與接地板之間激勵產(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

設矩形微帶貼片長度為b，寬度為a，介質基板厚度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為介質基板材料的等效介電常數(shù)；b為矩形微帶貼片的長度?？梢?，矩形微帶天線的諧振頻率主要與矩形貼片的長度相關。

為了驗證理論推導的正確性，在HFSS電磁仿真軟件中建立了文中設計的矩形微帶天線模型，引入變量k代表應變程度。分別從縱向與橫向2個方向討論了矩形微帶貼片在尺寸變化時諧振頻率的變化趨勢。k=0即表示沒有任何應變，此時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行拉伸，得到仿真結果如圖5所示。

圖5 矩形微帶天線應變仿真結果

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，符合前面理論推導的結論。使用MATLAB軟件做出諧振頻率的散點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。

圖6 矩形應變后的諧振頻率變化與應變程度關系

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，相應位置的阻抗或者有效介電常數(shù)將會發(fā)生變化，從而導致諧振頻率發(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電磁仿真軟件中進行仿真。在貼片上表面添新介質，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進行仿真實驗，仿真結構如圖7所示，隨著ε的增大，對應編碼單元的諧振頻率的仿真結果總體上是降低的趨勢。

圖7 涂層相對介電常數(shù)的仿真結果

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

2 多參數(shù)RFID傳感器的集成設計與驗證檢測實驗和實驗結果分析

2.1 多參數(shù)RFID傳感器的集成設計

由于微波器件的特性較為敏感，實際上只要添加元素，各單元之間就會產(chǎn)生一定的耦合影響。相比編碼單元靠耦合微帶饋線的結構，所提出的直連結構已經(jīng)盡量減小了單元間的耦合效應[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結果

使用HFSS電磁仿真軟件對多參數(shù)RFID傳感器進行應變檢測仿真實驗，仿真結果如圖11和圖12所示。

圖11 多參數(shù)RFID傳感器應變拉伸仿真結果

圖12 矩形貼片的應變拉伸仿真結果

如圖11所示，隨著多參數(shù)矩形微帶天線受到的應力變化，標記編碼模塊的工作頻率保持不變，而應變檢測模塊的工作頻率發(fā)生偏移，將圖12的實驗結果繪制到圖13，可以得出隨著應變強度增加，應變檢測天線的工作頻率越來越小。

圖13 集成傳感器應變仿真中矩形微帶天線的諧振頻率變化

2.2 多參數(shù)RFID傳感器的驗證檢測實驗和實驗結果分析

多參數(shù)RFID傳感器，實物如圖14所示。

圖14 多參數(shù)RFID傳感器

接下來進行應變檢測實驗，將多參數(shù)RFID傳感器放到拉伸儀中，并連接VNA測量實驗數(shù)據(jù)，記錄并繪制出實驗結果如圖15所示。可以看到：經(jīng)過拉伸后，貼片天線的諧振頻率與應變量之間存在明顯的線性關系，這一點與理論和仿真均相符合，因此文中設計的應變檢測模塊可以很好地檢測機床結構的應力變化情況。

圖15 應力檢測實驗結果

最后進行濕度檢測實驗。將PVA涂抹在第二編碼位上，其他位置不涂抹PVA，實驗開始后，傳感器在該環(huán)境中靜置一段時間，確保傳感器充分吸收該環(huán)境的水分，諧振頻率達到目前代表的濕度。接下來打開加濕器一段時間后關閉，不進行任何其他操作以降低其他因素的影響，重復多次操作，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，并記錄實驗結果，如圖16所示。

圖16 濕度檢測實驗結果

可以看到在相對濕度較低的時候，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，符合實際測試的情況。上述濕度監(jiān)測實驗驗證了理論的正確性，且實驗現(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床在復雜車間環(huán)境中的濕度變化情況。

3 結論

設計了一款多參數(shù)RFID傳感器，用于復雜機床車間環(huán)境下的機床結構安全性監(jiān)測，使用多參數(shù)RFID傳感器對機床結構的安全性系數(shù)進行全面監(jiān)測。實驗結果表明：編碼標記功能模塊能夠很好地完成精確定位和標記分類的作用；在應變檢測模塊中，負責應變檢測的矩形微帶天線的工作頻率變化與應變程度存在線性關系，應變靈敏度高，相對誤差小，通過監(jiān)測矩形微帶天線諧振頻率的變化，可以實現(xiàn)對機床結構應力變化情況的監(jiān)測；濕度檢測模塊部分符合理論推導與仿真結果，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)測復雜機床車間環(huán)境的濕度變化情況。綜上，文中設計的多參數(shù)RFID傳感器能夠較全面地檢測機床在復雜車間環(huán)境中的安全性系數(shù)變化情況。