علوم رایانش و فناوری اطلاعات

تحلیل و استخراج روابط عرض پالس بهینه برای سیگنال تحریک حسگرهای رزوناتوری موج صوتی سطحی مورد استفاده در اینترنت اشیاء

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران

چکیده

نقطه‌ی ارتباط اشیا در اینترنت اشیا با محیط بیرون مربوط به لایه‌ی ادارک این فناوری است. در لایه‌ی ادارک، حسگرها نقش مرکزی و اصلی را بر عهده دارند. در این بین، حسگرهای رزوناتوری موج صوتی سطحی( SAWR) یکی از مهمترین حسگرهای  غیر فعال بیسیم هستند که جایگاه ویژه‌ای در بین انواع حسگرها دارند. اصل اساسی در اندازه‌گیری با استفاده از این حسگرها آشکار‌سازی فرکانس تشدید رزوناتور می‌باشد. از آنجائی که این حسگرها غیر فعال هستند باید آنها را با پالس‌های تحریک‌کننده تغذیه کرد. این در حالی است که توان سیگنال پاسخ حسگر و همچنین نسبت سیگنال به نویز آن به شدت وابسته به مقدار انرژی ذخیره شده در حسگر در حالت تحریک می‌باشد. در نتیجه، دانستن پروسه‌ی ذخیره انرژی در خلال حالت تحریک این حسگرها کمک بزرگی به طراحان قسمت بازخوان این حسگرها می‌کند تا بهتر بتوانند پارامترهای مورد نیاز را طراحی کنند. در این مقاله، با استفاده از آنالیز جامع و با جزئیات کامل حوزه‌ی زمان، معادله پیچیده‌ای برای انرژی ذخیره شده در خلال حالت تحریک به دست آورده می‌شود. اگر چه معادله بدست آمده دقیق است، اما به علت پیچیدگی و همچنین وابستگی ابهام‌آمیز آن به پارامترهای فیزیکی حسگر و مشخصات سیگنال بازخوان، لازم است این معادله ساده شود تا اشراف کاملی به پروسه‌ی ذخیره‌ی انرژی داشته باشیم. با استفاده از تکنیک‌های ریاضی و تقریبات منطقی، یک معادله‌ی بن‌سا برای انرژی ذخیره شده و عرض پالس بهینه برای سیگنال تحریک در این مقاله به دست آمده است. معادله‌ی بدست آمده به صورت آشکاری اثرات مهمترین پارامترهای تاثیرگذار روی انرژی ذخیره شده در خلال حالت تحریک را نشان می‌دهد. بر طبق معادله بدست آمده، اثرات مشخصات سیگنال بازخوان شامل فرکانس حامل، عرض و دامنه‌ی پالس به طور آشکاری تعیین می‌شوند. همچنین اثرات پارامترهای فیزیکی حسگر روی انرژی ذخیره شده به طور وضوح قابل شناسایی می‌شوند. نتایج شبیه‌سازی و اندازه‌گیری در این مقاله نشان‌دهنده درستی معادله‌ی بدست آمده است.

کلیدواژه‌ها

  • [1] S. E. Lee, M. Choi and S. Kim,” How and what to study about IoT: Recent trends and future directions from the perspective of a social science”. Telecommunications Policy, 41, 1056–1067, 2017.
  • [2] Cisco, “Fast innovation requires Fast IT”, 2014. Available at: https://www.cisco. com.
  • [3] M. U. Farooq, M. Waseem, and A. Khairi, “A critical analysis on the security concerns of Internet of Things (IoT)”, International Journal of Computer Applications, 111(7), 1–6, 2015.
  • [4] D. Lu, Y. Zheng, A. Penirschke, and R. Jakoby , “Humidity Sensors Based on Photolithographically Patterned PVA Films Deposited on SAW Resonators,” IEEE Sensors Journal. , vol. 16, pp. 13-14, 2016.
  • [5] S. Zhgoon, A. Shvetsov, I. Ancev, S. Bogoslovsky, G. Sapozhnikov, K. Trokhimets, and M. Derkach, “SAW temperature sensor on quartz,” IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 62, pp. 1066-1075, 2015.
  • [6] Min Zhao, Hang Zhang, Ruoyun Zhang, Min Yao, and Minyu Ma, “Design of Surface Acoustic Wave Parafoil Riser Tension Sensor,” IEEE Sensors Journal., vol. 17, pp. 3022-3029, 2017.
  • [7] Bennett J. Meulendyk, M.Claton Wheeler and Mauricio Periria da Cunha“Hydrogen Fluoride Gas Detection Mechanism on Quartz Using SAW Sensors” IEEE Sensors Journal., vol.17, pp 1768-1775, 2011.
  • [8] Rory Stoney, Dermot Geraghty, Garret E. O"Donnell, "Characterization of Differentially Measured Strain Using Passive Wireless Surface Acoustic Wave (SAW) Strain Sensors", IEEE Sensors Journal., vol. 14, pp. 722-728, 2014.
  • [9] Boquan Liu, Tao Han, Chengrui Zhang, "Error Correction Method for Passive and Wireless Resonant SAW Temperature Sensor", IEEE Sensors Journal., vol. 15, pp. 3608-3614, 2015, ISSN 1530-437X.
  • [10] G.A. Borrero, J.P. Bravo, S.F. Mora, S. Velásquez, F.E. Segura-Quijano, "Design and fabrication of SAW pressure temperature and impedance sensors using novel multiphysics simulation models", Sensors and Actuators A: Physical, vol. 203, pp. 204-214, Dec. 2013.
  • [11] M. Hamsch, R. Hoffmann, W. Buff, M. Binhack, S. Klett, "An interrogation unit for passive wireless SAW sensors based on Fourier transform", IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect.,Freq. Contr., vol. 51, pp. 1449-1456, 2004, ISSN 0885-3010.
  • [12] B. Liu, Y. Zeng, "Uncertainty-aware frequency estimation algorithm for passive wireless resonant SAW sensor measurement", Sensors and Actuators A: Physical, vol. 237, pp. 136-146, Jan. 2016.
  • [13] B. Liu, C. Zhang, X. Ji, J. Chen, and T. Han, “An improved performance frequency estimation algorithm for passive wireless SAW resonant sensors,” Sensors, vol. 14, no. 12, pp. 22261–22273, 2014.
  • [14] A. Pohl,“A review of wireless SAW sensors,” IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 47, pp. 317–332, Feb. 2000.
  • [15] A. Pohl, G. Ostermayer, and F. Seifert, “Wireless sensing using oscillator circuits locked to remote high-Q SAW resonators,” IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect.,Freq. Contr.., vol. 45, no. 5, pp. 1161–1168, Sep. 1998.
  • [16] F. Seifert, A. Pohl, R. Steindl, L. Reindl, M. J. Vellekoop, and B. Jakoby, “Wirelessly interrogable acoustic sensors,” presented at Proc. Joint Meeting EFTF—IEEE IFCS, 1999, pp. 1013–1018.
  • [17] V. Kalinin, G. Bown, J. Beckley and R. Lohr, “Pulsed interrogation of the SAW torque sensor for electrical power assisted steering”, Proc. IEEE Int. Ultrason., Ferroelectrics, and Freq. Control Joint 50 th Anniversary Conf., pp. 1577-1580, 2004.
  • [18] P. Varshney et al., “Theoretical and experimental analysis of high Q SAW resonator transient response in a wireless sensor interrogation application,” inProc. IEEE Int. Freq. Control Symp., May 2012, pp. 1–6.
  • [19] F. Lurz, S. Lindner, S. Linz, S. Mann, R. Weigel, and A. Koelpin, “High-Speed Resonant Surface Acoustic Wave Instrumentation Based on Instantaneous Frequency Measurement,” IEEE Trans. Instrum. Meas., pp. 1–11, 2017.
  • [20] M. Khoshakhlagh and N. Masoumi, “An investigation on the energy storing process in the stimulating state of the sawr sensors interrogation,” in Proc. Iranian Conf. Elect. Eng. (ICEE), Mashhad, Iran, May 2018, pp. 163–167.
  • [21] D. S. Ballantine, R. M. White, S. J. Martin, A. J. Ricco, E. T. Zellers, G. C. Frye, and H. Wohltjen, “Acoustic Wave Sensors: Theory, Design, and Physico-Chemical Applications,” San Diego, CA: Aca-demic, 1997.
  • [22] Yumei Wen, Ping Li, Jin Yang and Min Zheng, "Detecting and Evaluating the Signals of Wirelessly Interrogational Passive SAW Resonator Sensors", IEEE Sensors Journal., Vol. 4, no. 6, pp.828-836, 2004.
  • [23] Q. Fu, J. Wang, D. Zhou, and W. Luo, “Passive wireless SAWR sensor system model including the effects of antenna distances,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 150, no. 1, pp. 151 – 155, 2009.
  • [24] D. B. Rutledge,The Electronics of Radio, 1st ed. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 1999.
  • [25] B. Dixon, V. Kalinin, J. Beckley, R. Lohr, "A Second Generation In-Car Tire Pressure Monitoring System Based on Wireless Passive SAW Sensors", International Frequency Control Symposium and Exposition 2006 IEEE, pp. 374-380, 2006.
  • [26] Senseor, “Wireless SAW Cryogenic Temperature Sensor,” TSE F043 datasheet, 2011.
علوم رایانش و فناوری اطلاعات
دوره 20، شماره 1
بهار وتابستان1401
فروردین 1401