用于土壤温湿度检测的声表面波标签设计.pdf
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1、第4 6卷 第1期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.12 0 2 4年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SF e b.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-1 0-1 9 基金项目:江苏省重点研发计划社会发展项目(B E 2 0 2 2 8 4 4);江苏省研究生实践创新计划(S J C X 2 2_0 0 8 5)作者简介:王春涛(2 0 0 0-),男,江西省上饶市人,硕士生。通信作者:陈智军(1 9 7 6-),男(侗族),湖北省武汉市人,副教授,硕士生导师。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2
2、0 2 4)0 1-0 0 1 6-0 6D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 1.0 0 4用于土壤温湿度检测的声表面波标签设计王春涛1,秦美玲2,陈智军1,郭佳佳1,薛雅丽1,刘翔宇1(1.南京航空航天大学 自动化学院,江苏 南京 2 1 1 1 0 6;2.中电科技德清华莹电子有限公司,浙江 德清 3 1 3 2 0 0)摘 要:针对土壤温湿度的并行检测提出了基于声表面波标签的解决方案。采用耦合模理论对阻抗负载型声表面波标签进行建模与仿真,得到负载反射栅回波幅值和相位随电容值变化规律。在此基础上,根据声表面波标签对
3、土壤温湿度不同的敏感机理,设计了一种双通道双边带标签结构,采用时分多址的方法解决了对不同深度层级土壤同时检测时存在的回波信号混叠问题。通过回波信号的相位和幅值比实现了土壤温湿度检测,结合矢量网络分析仪和阅读器对标签进行测试,测试结果表明了标签的有效性。关键词:声表面波标签;土壤温湿度检测;阻抗负载;耦合模;回波信号中图分类号:T N 6 5;T B 9 5 文献标识码:A D e s i g n o f S u r f a c e A c o u s t i c W a v e T a g f o r S o i l T e m p e r a t u r e a n d M o i s t
4、u r e D e t e c t i o nWA N G C h u n t a o1,Q I N M e i l i n g2,C H E N Z h i j u n1,G U O J i a j i a1,X U E Y a l i1,L I U X i a n g y u1(1.C o l l e g e o f A u t o m a t i o n E n g i n e e r i n g,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s,N a n
5、j i n g 2 1 1 1 0 6,C h i n a;2.C E T C D e q i n g H u a y i n g E l e c t r o n i c s C o.,D e q i n g 3 1 3 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A s o l u t i o n b a s e d o n s u r f a c e a c o u s t i c w a v e(S AW)t a g i s p r o p o s e d f o r t h e p a r a l l e l d e t e c t i o n o f s o i
6、l t e m-p e r a t u r e a n d m o i s t u r e.T h e c o u p l i n g-o f-m o d e(C OM)t h e o r y i s u s e d t o m o d e l a n d s i m u l a t e t h e i m p e d a n c e-l o a d e d S AW t a g,a n d t h e v a r i a t i o n o f t h e e c h o a m p l i t u d e a n d p h a s e o f t h e l o a d r e f l
7、e c t o r w i t h t h e c a p a c i t a n c e v a l u e i s o b-t a i n e d.O n t h i s b a s i s,a d u a l c h a n n e l d o u b l e-s i d e d t a g s t r u c t u r e i s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n t s e n s i n g m e c h a-n i s m s o f S AW t a g t o s o i l t e m
8、 p e r a t u r e a n d m o i s t u r e.T h e u s e o f t i m e-d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s(T DMA)m e t h o d s o l v e s t h e p r o b l e m o f e c h o s i g n a l a l i a s i n g d u r i n g d e t e c t i n g s o i l a t d i f f e r e n t d e p t h l e v e l s s i m u l t a n e o u
9、 s l y.T h e s o i l t e m p e r a t u r e a n d m o i s t u r e d e t e c t i o n i s i m p l e m e n t e d t h r o u g h t h e p h a s e a n d a m p l i t u d e r a t i o o f t h e e c h o s i g n a l.T h e t a g i s t e s t e d u s i n g a v e c t o r n e t w o r k a n a l y z e r a n d a r e a d
10、 e r,a n d t h e t e s t r e s u l t s s h o w t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e t a g.K e y w o r d s:s u r f a c e a c o u s t i c w a v e t a g;s o i l t e m p e r a t u r e a n d m o i s t u r e d e t e c t i o n;i m p e d a n c e l o a d;c o u p l i n g-o f-m o d e;e c h o s i g n a l 0
11、 引言土壤是人类生存和发展的基础,土壤的温度和湿度(含水量)是农业生产作业中至关重要的参数信息,因此需要通过传感器获取相应的数据1-3。目前常用的土壤温湿度检测方案是采用不同的传感器对温度和湿度分开检测,且需要通过电池供电或在田间布线来实现供能和数据传输,故存在电池老化污染土壤环境、影响机械化农业活动等问题4。同时,少量布置传感器无法准确反映农作物区域土壤的状况,而大量布置传感器又会增加成本5。声表面波(S AW)标签是一种无线无源器件6,采用声表面波标签检测土壤温湿度可以有效地避免电池的使用和田间复杂的布线,同时降低了系统成本。本文首先设计了土壤温度和湿度的敏感方案,然后建立了阻抗 负载型声
12、表 面 波 标 签 的 耦 合 模(C OM)模型,仿真了负载反射栅的回波幅值和相位随电容容值变化规律。在此基础上设计并制作了一组用于土壤温湿度不同深度层级同时检测的标签,最后通过实验测试证明了标签的有效性。1 检测方案设计声表面波标签由压电基底、叉指换能器(I D T)和反射栅组成,其工作原理如图1所示。由图可见,阅读器发射查询脉冲,在阅读器天线和标签天线的配合下,查询脉冲在叉指换能器上分别经过逆、正压电效应后得到与反射栅对应的回波脉冲串。阅读器通过对回波信号进行解算,获得各回波脉冲的时延、相位、幅值等信息7。图1 声表面波标签工作原理图声表面波在压电基底表面传播时,温度变化引发压电基底材料
13、参数变化,声表面波的传播速度和反射栅的间距都会发生变化,导致回波脉冲之间的相位发生改变,相位与温度的对应关系使得声表面波标签具备温度传感功能。因此,在标签的封装材料具有良好传热性的前提下,只需在压电基底上合理设计反射栅位置,即可实现对土壤温度的检测。声表面波在压电基底表面的传播特性决定了将被测量直接施加在其传播路径上为最佳选择,如将声表面波标签用于土壤温度的检测。但很多被测量不宜直接施加在压电基底表面,如压力、磁场和土壤湿度等8。针对土壤湿度检测,本文采用电容作为敏感元件,将其与标签的反射栅相连以构成阻抗负载型结构,见图1中最后一个反射栅所示。土壤湿度变化会改变土壤的介电常数,导致电容的容值变
14、化,并最终影响负载反射栅的反射特性,因此,通过回波脉冲的幅值或相位可实现土壤湿度检测。图2为声表面波标签实现土壤温湿度并行检测方案。图2 土壤温湿度并行检测方案2 耦合模仿真声表面波标签的理论仿真模型主要有函数模型9、等效电路模型1 0及C OM模型1 1。对于如图3所示的阻抗负载型S AW标签结构,通过分别对I D T和负载反射栅建立C OM方程,再考虑S AW的路径损耗后进行级联求解,可得到阻抗负载型标签的C OM模型。图3 阻抗负载型S AW标签结构图4为阻抗负载型S AW标签等效模型。由图可见,将I D T和负载反射栅抽象为具有1个电学端和2个声学端的三端口器件,Ys e为外接负载阻抗
15、的导纳值。在如图5所示的坐标系下,施加在I D T上的电压V会在汇流条上形成电流I,并产生沿正向和反向传播的声波A+(x)与A-(x),它们通过指间反射相互耦合,其耦合关系可表示为A+(x)(x)=-juA+(x)-j1 2A-(x)+jVIA-(x)(x)=j*1 2A+(x)+juA-(x)-jVIII(x)(x)=-4 jA+(x)-4 jA-(x)+j CsVI (1)式中:u为失谐系数;为转换系数;Cs为I D T的静电容;1 2、*1 2表示互耦系数及其共轭。上述参数均取决于电极结构、压电基底材料和声波的传播方向。图4 阻抗负载型S AW标签等效模型图5 I D T坐标系式(1)可
16、改写成为P矩阵的形式:71 第1期王春涛等:用于土壤温湿度检测的声表面波标签设计A-(0)A+(L1)II=pI1 1pI1 2pI1 3pI2 1pI2 2pI2 3pI3 1pI3 2pI3 3A+(0)A-(L1)VI(2)负载反射栅采用叉指型反射栅,同样可以得到其P矩阵形式的耦合模方程:A-(L2)A+(L3)-Ys eVr=pr 1 1pr 1 2pr 1 3pr2 1pr 2 2pr 2 3pr 3 1pr 3 2Ys e+pr 3 3A+(L2)A-(L3)Vr(3)在实际制作过程中,S AW标签边缘会涂抹吸声胶,进而可将从压电基底边缘反射回来的信号A-(L3)的能量等效为0,将
17、其代入式(3)可得到负载反射栅的反射率与Ys e的关系:=A-(L2)A+(L2)=pr 1 3pr 3 1-2Ys e-pr 3 3+pr 1 1(4)进一步考虑声表面波的传播损耗并结合式(4),在I D T和负载反射栅之间传播的声信号间的关系可表示为A+(L2)=e-j(-j)lA+(L1)(5)A-(L1)=e-j(-j)lA-(L2)(6)A-(L1)=e-2 j(-j)lA+(L1)(7)式中:为衰减系数;为波数;l为I D T和负载反射栅之间的距离。将式(7)代入式(2),得到阻抗负载型标签的导纳Y与负载反射栅反射率之间的关系:Y=IIVI=pI 2 3pI 3 2e-2 j(-j
18、)l-1-pI 2 2+pI 3 3(8)再根据标签反射系数S1 1结合式(4),最终获得S1 1与Ys e之间的关系:S1 1=2 0 l g1-Z0Y1+Z0Y (9)式中Z0为标签天线的阻抗。仿真所用S A W标签的中心频率为9 2 2.5 MH z,压电基底选用Y Z-切型铌酸锂(L i N b O3),电极材料采用铝,标签仿真参数如表1所示。采用H a s h i m o-t o教授提出的基于离散格林函数与栅格有效介电常数理论的有限元分析法1 2,并结合开源仿真程序F EM S D A计算得到标签的耦合模参数。表1 阻抗负载型标签的仿真参数压电基底电极材料I D T对数负载反射栅对数
19、波速/(ms-1)电极厚度/m叉指周期/m孔径宽度/mY Z-L i N b O3A l1 783 4 8 50.23.6 6 48 1 0.9 2 仿真时取负载电容C=01 2 p F来模拟土壤湿度导致的电容容值变化范围。当C=0、1 2 p F时,阻抗负载型标签的S1 1及其时域响应的回波幅值、相位如图6所示。通过对S1 1的逆傅里叶变换获得时域响应。图6 阻抗负载型标签的S1 1及其时域响应 由图6(b)、(c)可知,负载电容的容值变化导致负载反射栅对应的回波脉冲幅值和相位均发生变化。负载反射栅对应的回波脉冲幅值、相位随电容值的变化如图7所示。由图可知,随着负载电容增大,回波幅值增大,回
20、波相位减小。在04 p F时,回波幅值变化的灵敏度较高,电容大于4 p F时,幅值变化灵敏度大幅减小。对比图7(a)、(b)可知,当C从0变化到1 2 p F时,回波幅值变化约1 8 d B,而对应的回波相位只变化了约3 3。因此,本文通过检测负载反射栅对应的回波脉冲幅值变化可实现对土壤湿度的检测。图7 负载反射栅的回波特性随电容值变化81压 电 与 声 光2 0 2 4年 3 标签结构设计与优化S AW标签只需两个反射栅即可测温,但无法兼顾较大的测温范围和较高的测温精度。本文设计的三反射栅测温结构如图8(a)所示。通过合理设计相距最近的两个反射栅距离,使温度变化导致相应的回波相位变化不超过3
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