用于土壤溫濕度檢測的聲表面波標(biāo)簽設(shè)計(jì)

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(xué) 自動(dòng)化學(xué)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(chǔ),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(guān)重要的參數(shù)信息,因此需要通過傳感器獲取相應(yīng)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(duì)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(shí)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(jī)械化農(nóng)業(yè)活動(dòng)等問題[4]。同時(shí),少量布置傳感器無法準(zhǔn)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(huì)增加成本[5]。

聲表面波(SAW)標(biāo)簽是一種無線無源器件[6],采用聲表面波標(biāo)簽檢測土壤溫濕度可以有效地避免電池的使用和田間復(fù)雜的布線,同時(shí)降低了系統(tǒng)成本。本文首先設(shè)計(jì)了土壤溫度和濕度的敏感方案,然后建立了阻抗負(fù)載型聲表面波標(biāo)簽的耦合模(COM)模型,仿真了負(fù)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(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作了一組用于土壤溫濕度不同深度層級(jí)同時(shí)檢測的標(biāo)簽,最后通過實(shí)驗(yàn)測試證明了標(biāo)簽的有效性。

1 檢測方案設(shè)計(jì)

聲表面波標(biāo)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(biāo)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(yīng)后得到與反射柵對(duì)應(yīng)的回波脈沖串。閱讀器通過對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解算,獲得各回波脈沖的時(shí)延、相位、幅值等信息[7]。

圖1 聲表面波標(biāo)簽工作原理圖

聲表面波在壓電基底表面?zhèn)鞑r(shí),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(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致回波脈沖之間的相位發(fā)生改變,相位與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系使得聲表面波標(biāo)簽具備溫度傳感功能。因此,在標(biāo)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(shè)計(jì)反射柵位置,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(biāo)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(duì)土壤濕度檢測,本文采用電容作為敏感元件,將其與標(biāo)簽的反射柵相連以構(gòu)成阻抗負(fù)載型結(jié)構(gòu),見圖1中最后一個(gè)反射柵所示。土壤濕度變化會(huì)改變土壤的介電常數(shù),導(dǎo)致電容的容值變化,并最終影響負(fù)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(shí)現(xiàn)土壤濕度檢測。圖2為聲表面波標(biāo)簽實(shí)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(biāo)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(duì)于如圖3所示的阻抗負(fù)載型SAW標(biāo)簽結(jié)構(gòu),通過分別對(duì)IDT和負(fù)載反射柵建立COM方程,再考慮SAW的路徑損耗后進(jìn)行級(jí)聯(lián)求解,可得到阻抗負(fù)載型標(biāo)簽的COM模型。

圖3 阻抗負(fù)載型SAW標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

圖4為阻抗負(fù)載型SAW標(biāo)簽等效模型。由圖可見,將IDT和負(fù)載反射柵抽象為具有1個(gè)電學(xué)端和2個(gè)聲學(xué)端的三端口器件,Yse為外接負(fù)載阻抗的導(dǎo)納值。在如圖5所示的坐標(biāo)系下,施加在IDT上的電壓V會(huì)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(guān)系可表示為

(1)

圖4 阻抗負(fù)載型SAW標(biāo)簽等效模型

圖5 IDT坐標(biāo)系

式(1)可改寫成為P矩陣的形式:

(2)

負(fù)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(shí)際制作過程中,SAW標(biāo)簽邊緣會(huì)涂抹吸聲膠,進(jìn)而可將從壓電基底邊緣反射回來的信號(hào)A-(L3)的能量等效為0,將其代入式(3)可得到負(fù)載反射柵的反射率Г與Yse的關(guān)系:

(4)

進(jìn)一步考慮聲表面波的傳播損耗并結(jié)合式(4),在IDT和負(fù)載反射柵之間傳播的聲信號(hào)間的關(guān)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(fù)載反射柵之間的距離。

將式(7)代入式(2),得到阻抗負(fù)載型標(biāo)簽的導(dǎo)納Y與負(fù)載反射柵反射率Г之間的關(guān)系:

(8)

再根據(jù)標(biāo)簽反射系數(shù)S11結(jié)合式(4),最終獲得S11與Yse之間的關(guān)系:

(9)

式中Z0為標(biāo)簽天線的阻抗。

仿真所用SAW標(biāo)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(biāo)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(jié)合開源仿真程序FEMSDA計(jì)算得到標(biāo)簽的耦合模參數(shù)。

表1 阻抗負(fù)載型標(biāo)簽的仿真參數(shù)

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

圖6 阻抗負(fù)載型標(biāo)簽的S11及其時(shí)域響應(yīng)

由圖6(b)、(c)可知,負(fù)載電容的容值變化導(dǎo)致負(fù)載反射柵對(duì)應(yīng)的回波脈沖幅值和相位均發(fā)生變化。

負(fù)載反射柵對(duì)應(yīng)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(fù)載電容增大,回波幅值增大,回波相位減小。在0～4 pF時(shí),回波幅值變化的靈敏度較高,電容大于4 pF時(shí),幅值變化靈敏度大幅減小。對(duì)比圖7(a)、(b)可知,當(dāng)C從0變化到12 pF時(shí),回波幅值變化約18 dB,而對(duì)應(yīng)的回波相位只變化了約33°。因此,本文通過檢測負(fù)載反射柵對(duì)應(yīng)的回波脈沖幅值變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的檢測。

圖7 負(fù)載反射柵的回波特性隨電容值變化

3 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

SAW標(biāo)簽只需兩個(gè)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(shè)計(jì)的三反射柵測溫結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。通過合理設(shè)計(jì)相距最近的兩個(gè)反射柵距離,使溫度變化導(dǎo)致相應(yīng)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(guān)系,結(jié)合相位遞推算法[13]獲得相距最遠(yuǎn)的兩反射柵對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)無模糊的相位,從而可同時(shí)具有大量程和高精度的特點(diǎn)。在圖8(a)的基礎(chǔ)上結(jié)合阻抗負(fù)載型結(jié)構(gòu)測量土壤濕度,為了避免溫濕度檢測之間的耦合,設(shè)計(jì)了如圖8(b)所示的雙通道結(jié)構(gòu)。鑒于負(fù)載反射柵的回波幅值受標(biāo)簽和閱讀器之間距離的影響,本文進(jìn)一步將距IDT最近的測溫反射柵作為參考反射柵,通過與負(fù)載反射柵、參考反射柵對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)幅值比來消除距離對(duì)濕度檢測的影響。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)同一表面位置不同深度處土壤溫濕度的同時(shí)檢測,在圖8(b)的基礎(chǔ)上采用時(shí)分多址[14]思想設(shè)計(jì)了如圖8(c)所示的一組兩個(gè)聲表面波標(biāo)簽。

圖8 聲表面波標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

SAW標(biāo)簽的最遠(yuǎn)無線工作距離是限制其應(yīng)用場景的重要因素之一,提升距離主要從提高標(biāo)簽的能量利用率著手。本文對(duì)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,如圖9所示。圖9(a)是在圖8(c)的基礎(chǔ)上將標(biāo)簽2的測溫反射柵進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)后向左移動(dòng),與標(biāo)簽1的測溫反射柵形成交叉結(jié)構(gòu),與此同時(shí)調(diào)整標(biāo)簽1、2的負(fù)載反射柵位置,得到如圖9(b)所示的結(jié)構(gòu),在一定程度上減小了壓電基底的長度。再對(duì)標(biāo)簽1、2的部分反射柵以IDT為基準(zhǔn)進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖9(c)所示。將反射柵同時(shí)設(shè)置在IDT兩側(cè)的結(jié)構(gòu),充分利用了電磁波通過IDT轉(zhuǎn)換成聲表面波時(shí)沿其兩側(cè)同時(shí)傳播的特性,避免了一半的能量損耗;同時(shí),單側(cè)的每個(gè)通道內(nèi)只有一個(gè)反射柵,避免了因存在多個(gè)反射柵時(shí)前面反射柵的反射率對(duì)后面反射柵的影響,因此,在標(biāo)簽設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)簡化了標(biāo)簽設(shè)計(jì)流程。

圖9 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4 實(shí)驗(yàn)測試

圖10為實(shí)際制作的聲表面波標(biāo)簽及測試板。由圖可見,標(biāo)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(shè)計(jì)的標(biāo)簽1為例進(jìn)行測試,通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得標(biāo)簽的S11后再進(jìn)行逆傅里葉變換,得到標(biāo)簽時(shí)域響應(yīng)的回波幅值如圖11所示,4個(gè)回波脈沖分別對(duì)應(yīng)4個(gè)反射柵。在未對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行回波一致性優(yōu)化的情況下,3個(gè)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(jìn)行測量,負(fù)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(duì)比圖7、12可知,幅值的變化趨勢與仿真結(jié)果一致,變化范圍減小了4 dB,且實(shí)際回波信號(hào)強(qiáng)度大于仿真結(jié)果,這是由于PCB測試板上的走線、焊盤等存在寄生電容,導(dǎo)致實(shí)際負(fù)載電容增大;相位的變化趨勢和變化相對(duì)值基本符合仿真的預(yù)期結(jié)果,但相位的絕對(duì)值與仿真存在一定差距,這是由于測試過程中信號(hào)通過PCB測試板的走線所帶來的固定偏差。以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文耦合模仿真的有效性和標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖11 標(biāo)簽的回波幅值

圖12 負(fù)載反射柵的回波特性隨貼片電容值變化

結(jié)合標(biāo)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(biāo)簽內(nèi)的負(fù)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(gè)銅片與土壤構(gòu)成電容器結(jié)構(gòu),通過仿真優(yōu)化使土壤濕度為0～30%,對(duì)應(yīng)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(biāo)簽測試板經(jīng)過防水處理后插入土壤,上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示閱讀器接收到的回波信號(hào)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(jì)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行溫度標(biāo)定并擬合標(biāo)定結(jié)果。由于實(shí)際環(huán)境中土壤溫度變化范圍較小,所以標(biāo)定結(jié)束后仍采用恒溫箱進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)。從-10 ℃升溫到50 ℃,每間隔10 ℃記錄標(biāo)簽測得的溫度值,結(jié)果如表2所示。由表可知,最大測溫誤差為0.8 ℃。

表2 標(biāo)簽測溫?cái)?shù)據(jù)

圖13 無線測試系統(tǒng)

圖14 測溫實(shí)驗(yàn)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(duì)標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)定,配置過程如圖15所示,同時(shí)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(jié)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(biāo)簽測濕數(shù)據(jù)

圖15 烘干稱重法配置過程

5 結(jié)束語

本文針對(duì)土壤溫濕度的并行檢測進(jìn)行研究,基于聲表面技術(shù)無線無源的優(yōu)勢,給出了聲表面波標(biāo)簽的解決方案。首先分析了土壤溫度和濕度的不同敏感機(jī)理,設(shè)計(jì)了采用壓電基底本身和外接負(fù)載電容作為敏感元件的檢測方法;然后采用耦合模理論對(duì)阻抗負(fù)載型聲表面波標(biāo)簽進(jìn)行了建模與仿真,得到負(fù)載反射柵回波幅值和相位隨電容容值的變化規(guī)律;再設(shè)計(jì)并制作了一組可實(shí)現(xiàn)不同深度土壤溫濕度同時(shí)檢測的標(biāo)簽;最后采用回波信號(hào)相位和幅值比檢測土壤溫濕度。結(jié)合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和閱讀器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行測試,驗(yàn)證了該標(biāo)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(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。