用于复杂机床车间环境下的多参数RFID传感器设计

魏圣坤，张远辉

(泸州职业技术学院智能制造与汽车工程学院，四川泸州 646000)

0 前言

在复杂的工业机床车间生产环境中，机床的使用寿命和安全性系数都受到了巨大的影响[1]。传统的传感器因单一的检测功能，或因抗干扰能力差，无法较好地完成对机床结构的安全性监测，来达到规避大型生产事故的发生。针对传统传感器的众多缺点，设计了用于复杂机床车间环境下的多参数RFID传感器，具有精确定位和标记分类的作用、对机床结构的应变检测功能和对复杂机床车间环境的湿度检测功能。面对复杂的机床车间环境，此设计的多参数RFID传感器可以稳定且准确地完成对机床结构的安全性系数监测[2-4]。

面对复杂的机床车间环境，机床能否长久且稳定地工作至关重要[3-5]，文中设计的多参数RFID传感器主要用于对机床的安全隐患处进行标记定位，对机床结构进行应变监测和对机床结构进行湿度检测，通过使用多参数RFID传感器，能够达到较全面地监测工作在复杂车间的机床安全性系数变化情况。

1 多参数RFID传感器的工作原理

文中提出一种用于复杂机床车间环境的无芯片RFID多参数传感器，具有3个不同功能的部分：3个稳定的微带谐振器电路用于编码，构成标签的ID；1个附有PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇)涂层的微带谐振器电路结构，用于湿度监测；1个矩形应变单元，利用贴片拉伸、尺寸变化导致谐振频率发生偏移的特性用于应变监测[6-7]。

1.1 多参数RFID传感器编码标记功能模块

为了使得编码单元尽可能紧凑，衰减的带宽需要尽可能地窄，直至特定的频率点，以有效实现阻碍该信号通过的滤波效果[8]。考虑到编码结构需要易与微带线形式相互转换，文中采用基于串联LC单元的电路，图1给出了编码结构的一阶LC电路，n位即有n个LC单元。

根据微带线理论，在ωo处长度为λ/4的开放微带线的等效电路即为串联LC谐振电路，RLC 3种元件满足以下等式[9-11]：

(1)

(2)

(3)

其中：Z0o为第i位的终端开路微带线特征阻抗，Z0o与具体的介质基板材料紧密相关；Wf表示微带传输线的宽度；Wc为终端开路微带线的宽度；Lc为终端开路微带线的有效电长度；h为介质基板的厚度；fo为中心频率；εeff则为等效介电常数。

多参数RFID传感器的编码标记功能模块布局如图2所示，一共有4个bit位已在图中标注，其中Wc和Lc分别为微带短截线的宽度与长度，ΔL是每2个编码单元之间的间隔长度。介质基板选用Rogers5880基板。

图2 弯曲的矩形微带天线的几何形状

可以看出，起始频率越低，首个编码单元的长度与宽度数值均越大，起始频率越高，则首个编码单元的长度与宽度数值均越小。在HFSS电磁仿真软件中建模，仿真结果如图3所示。

图3 S21仿真结果

1.2 多参数RFID传感器应变检测模块

应变检测模块一般由矩形微带天线实现，矩形微带天线一般结构上层为导体薄片，下层为带导体接地板的介质基板，利用微带线馈电，通过上层导体金属贴片与接地板之间激励产生射频电磁场，从贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。以传输线模型为例，分析矩形微带贴片的工作原理[12-13]。图4给出了矩形贴片的模型。

图4 矩形微带天线的模型

设矩形微带贴片长度为b，宽度为a，介质基板厚度h≤λ，一般取b为微带线上波长λm的一半，则b两端都是电压波腹。

(4)

(5)

(6)

式中：c为真空中的光速；εe为介质基板材料的等效介电常数；b为矩形微带贴片的长度。可见，矩形微带天线的谐振频率主要与矩形贴片的长度相关。

为了验证理论推导的正确性，在HFSS电磁仿真软件中建立了文中设计的矩形微带天线模型，引入变量k代表应变程度。分别从纵向与横向2个方向讨论了矩形微带贴片在尺寸变化时谐振频率的变化趋势。k=0即表示没有任何应变，此时矩形微带贴片的初始谐振频率约为2.70 GHz。然后沿着矩形较长边的纵向方向进行拉伸，得到仿真结果如图5所示。

图5 矩形微带天线应变仿真结果

从图5中能够看出：随着k值的不断增大，矩形微带贴片的谐振频率不断减小，符合前面理论推导的结论。使用MATLAB软件做出谐振频率的散点图并画出拟合直线如图6所示，可以看到拟合曲线的截距约为2.71 GHz，与初始谐振频率基本吻合，整体符合理论推导。

图6 矩形应变后的谐振频率变化与应变程度关系

1.3 多参数RFID传感器湿度检测模块

目前存在一些能够随着环境参数变化而导致电特性变化的材料，如果将这种材料附着在无芯片RFID传感器上，相应位置的阻抗或者有效介电常数将会发生变化，从而导致谐振频率发生偏移。文中使用的湿度材料为PVA，PVA溶于水，对湿度变化非常敏感，可以用于多参数RFID传感器湿度检测模块。

文中使用影响多参数RFID传感器介电常数的方式来检测湿度的变化，在HFSS电磁仿真软件中进行仿真。在贴片上表面添新介质，除介电常数ε不同，其他材料参数与RT5880保持一致，对介电常数ε进行仿真实验，仿真结构如图7所示，随着ε的增大，对应编码单元的谐振频率的仿真结果总体上是降低的趋势。

图7 涂层相对介电常数的仿真结果

针对涂层厚度的仿真，则通过更改上表面新介质的厚度hc实现。与理论计算保持一致，厚度讨论从1 mm到3 mm，以0.1 mm为步长，仿真结果如图8所示，随着hc的增大，对应编码单元的谐振频率的仿真结果也是整体上呈现降低的趋势。

2 多参数RFID传感器的集成设计与验证检测实验和实验结果分析

2.1 多参数RFID传感器的集成设计

由于微波器件的特性较为敏感，实际上只要添加元素，各单元之间就会产生一定的耦合影响。相比编码单元靠耦合微带馈线的结构，所提出的直连结构已经尽量减小了单元间的耦合效应[14]。为了综合考虑，引入一定的优化，布局示意如图9所示。

图9 多参数传感器模型

使用HFSS电磁仿真软件进行仿真操作，得出多参数RFID传感器的工作频率如图10所示。

图10 HFSS仿真中S21结果

使用HFSS电磁仿真软件对多参数RFID传感器进行应变检测仿真实验，仿真结果如图11和图12所示。

图11 多参数RFID传感器应变拉伸仿真结果

图12 矩形贴片的应变拉伸仿真结果

如图11所示，随着多参数矩形微带天线受到的应力变化，标记编码模块的工作频率保持不变，而应变检测模块的工作频率发生偏移，将图12的实验结果绘制到图13，可以得出随着应变强度增加，应变检测天线的工作频率越来越小。

图13 集成传感器应变仿真中矩形微带天线的谐振频率变化

2.2 多参数RFID传感器的验证检测实验和实验结果分析

多参数RFID传感器，实物如图14所示。

图14 多参数RFID传感器

接下来进行应变检测实验，将多参数RFID传感器放到拉伸仪中，并连接VNA测量实验数据，记录并绘制出实验结果如图15所示。可以看到：经过拉伸后，贴片天线的谐振频率与应变量之间存在明显的线性关系，这一点与理论和仿真均相符合，因此文中设计的应变检测模块可以很好地检测机床结构的应力变化情况。

图15 应力检测实验结果

最后进行湿度检测实验。将PVA涂抹在第二编码位上，其他位置不涂抹PVA，实验开始后，传感器在该环境中静置一段时间，确保传感器充分吸收该环境的水分，谐振频率达到目前代表的湿度。接下来打开加湿器一段时间后关闭，不进行任何其他操作以降低其他因素的影响，重复多次操作，以获得不同湿度条件下，第二编码位天线的谐振频率变化情况，并记录实验结果，如图16所示。

图16 湿度检测实验结果

可以看到在相对湿度较低的时候，谐振频率的变化幅度比较小，随着相对湿度的升高，谐振频率的变化幅度也越来越大，符合实际测试的情况。上述湿度监测实验验证了理论的正确性，且实验现象表明，该多参数RFID传感器的湿度检测模块可以很好地检测机床在复杂车间环境中的湿度变化情况。

3 结论

设计了一款多参数RFID传感器，用于复杂机床车间环境下的机床结构安全性监测，使用多参数RFID传感器对机床结构的安全性系数进行全面监测。实验结果表明：编码标记功能模块能够很好地完成精确定位和标记分类的作用；在应变检测模块中，负责应变检测的矩形微带天线的工作频率变化与应变程度存在线性关系，应变灵敏度高，相对误差小，通过监测矩形微带天线谐振频率的变化，可以实现对机床结构应力变化情况的监测；湿度检测模块部分符合理论推导与仿真结果，且随着湿度增高，涂抹PVA传感器的工作频率下降速度加快，能够监测复杂机床车间环境的湿度变化情况。综上，文中设计的多参数RFID传感器能够较全面地检测机床在复杂车间环境中的安全性系数变化情况。