Đặt vấn đề Cảm biến sóng âm bề mặt SAW là một trong những cảm biến hiện nay đáp ứng được các yêu cầu khắt khe hiện nay trong hệ thống, chúng mang lại nhiều lợi thế bởi khả năng hoạt động không dây hay có thể hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt. Trong các nghiên cứu của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa kỳ (National Aeronautics and Space Administration-NASA) [10-11], cảm biến SAW đã được sử dụng thay thế cho các cảm biến nối dây truyền thống nhằm giảm trọng lượng của thiết bị với mục đích thu thập các thông tin bên ngoài trái đất hoặc theo dõi, chăm sóc sức khỏe các phi hành gia. SAW cũng có mặt trong hệ thống tầu điện ngầm tại thành phố Munich của Đức để giám sát nhiệt độ và ứng suất trên các đường ray hoặc dùng chế tạo các bộ lọc trên hệ thống rada của Nga. Cảm biến SAW cũng được dùng đo nhiệt độ lớn trong các trạm biến áp, trên các đường dây truyền tải điện năng[17-18].
Với vận tốc lan truyền của sóng âm bề mặt trên đế áp điện xung quanh mức (35).103(m/s), nhỏ hơn xấp xỉ 105 lần so với vận tốc của sóng điện từ là khoảng 3.108(m/s) nên cảm biến SAW có kích thước nhỏ hơn nhiều so với cảm biến điện từ, đây cũng là một ưu điểm nổi trội của dòng cảm biến SAW. Trong hệ thống sử dụng cảm biến thụ động không dây SAW, yêu cầu cả cảm biến và bộ đọc không dây. Bộ đọc là thiết bị phát ra các xung thẩm vấn gửi tới cảm biến và nhận lại các xung phản hồi trở lại từ cảm biến sau đó xử lý để có các thông tin đo lường. Việc phát xung thẩm vấn sau đó nhận lại xung phản xạ của SAW đặt ra nhiều thách thức liên quan đến các thiết kế phần cứng của cảm biến cũng như cấu trúc và thuật toán phần mềm của bộ đọc.
Hai thiết kế cơ sở được sử dụng nhiều nhất là SAW đường trễ phản xạ và SAW cộng hưởng, trong đó các nghiên cứu về cảm biến sóng âm bề mặt thụ động không dây loại đường trễ phản xạ hiện nay đang tập trung vào các vấn đề bao gồm: - Tín hiệu phản xạ từ cảm biến trở lại bộ đọc: đây là một tham số quan trọng trong việc xác định thông tin đo lường, tín hiệu này có thể có lẫn các tạp âm từ các nhiễu gây bởi các yếu tố của môi trường hoặc từ chính các cảm biến khác trong hệ đa cảm biến, gây khó khăn trong việc đọc chính xác tín hiệu phản xạ. Biên độ và tần số của các sóng phản hồi này có thể liên quan đến phạm vi hoạt động của cảm biến, nếu biên độ tín hiệu lớn thì bộ đọc dễ dàng nhận biết dù hệ thống có tồn tại nhiễu. Để đo tín hiệu phản xạ này, người ta dùng phương pháp đo thời gian trễ của sóng phản xạ so với sóng thẩm vấn phát ra từ bộ đọc hoặc đo góc trễ pha của hai tín hiệu [19]. - Nhận biết tín hiệu phản xạ của từng cảm biến trở lại trong điều kiện có nhiều cảm biến SAW được đặt trong một trường quan sát của một anten thẩm vấn duy nhất 4 đồng thời gửi tín hiệu trở lại bộ đọc.
Khi đó, xảy ra hiện tượng chồng lấn tín hiệu tại bộ đọc. Trên thế giới, một số công bố đã nghiên cứu về tín hiệu phản xạ và xét sự ảnh hưởng của độ dầy điện cực của bộ chuyển đổi (Interdigitated Transducer-IDT) và tỉ số hóa kim của cảm biến đến sóng hồi đáp [20-21] cho cả cấu trúc SAW đường trễ hai cổng và một cổng. Các thông số hình học của bộ phản xạ cũng đã được khảo sát trong [20], trong đó tác giả phân tích ảnh hưởng của hệ số phản xạ và vận tốc lan truyền sóng bề mặt trên vật liệu LiNbO3 YX-1280, LiNbO3 YX-640 và LiTaO3. Điện cực IDT và các thanh phản xạ dùng vật liệu nhôm, độ dày thanh phản xạ được thay đổi thể hiện trong tỉ số h/ có giá trị từ 2% đến 8%.
Với ba thông số vật liệu sử dụng để mô phỏng, thì hệ số phản xạ tăng mạnh với LiNbO3 YX-1280 đạt tới 20% khi độ dày thanh phản xạ đảm bảo tỉ số h/=8%. Kết quả nghiên cứu của công bố khi mô phỏng với cấu trúc SAW một cổng cũng chỉ ra sự thay đổi của hệ số phản xạ khi cố định h/=5% và tỉ số hóa kim thay đổi từ 0,4 đến 0,6 trong đó giá trị a/p = 0,5 là giá trị được lựa chọn. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp ghép cặp chế độ (Coupling of Modes-COM) để mô phỏng SAW, tuy nhiên chưa kiểm soát chính xác độ rộng điện cực IDT, đồng thời chi tiết về thông số kích thước của mô hình chưa được tác giả công bố. Trong [21], tác giả cũng đã khảo sát biên độ tín hiệu phản xạ khi sử dụng IDT có cấu trúc một hướng (Single-phase Unidirectional Interdigitated Transducer-SPUDT) với mục đích giảm tổn hao tín hiệu phản xạ, giảm kích thước cảm biến.
Vật liệu nhôm cũng được tác giả sử dụng với đế là LiNbO3, để tăng biên độ sóng phản xạ, tác giả tăng số thanh phản xạ hoặc tăng chiều rộng của chúng. Kết quả của nghiên cứu cho thấy biên độ sóng phản xạ đầu tiên giảm 50% so với tín hiệu đặt vào, biên độ tín hiệu phản xạ thứ hai thấp hơn so với tín hiệu thứ nhất. Ở đây, các thông số cấu trúc mô phỏng tác giả đã công bố chi tiết, tuy nhiên bài báo mới sử dụng một cặp điện cực cho IDT, với hai bộ phản xạ và khảo sát thay đổi khoảng cách từ IDT với bộ phản xạ tìm giá trị tối ưu ở phạm vi hẹp, chưa xét đầy đủ sự ảnh hưởng của các thông số còn lại trong cấu trúc cảm biến. Cả hai nghiên cứu [20] và [21] đã khảo sát một số yếu tố cấu trúc cảm biến tuy nhiên các kết này chưa cho thấy rõ ràng về ảnh hưởng của tín hiệu đầu vào hay các tham số hình học như số lượng điện cực IDT, vật liệu thanh phản xạ, tỉ số hóa kim… đến tín hiệu phản xạ như thế nào trong cảm biến thụ động không dây SAW.
Bên cạnh các nghiên cứu về cấu trúc của cảm biến SAW, các phương pháp xử lý tín hiệu phản hồi trở lại bộ đọc, bao gồm phần cứng và các thuật toán đánh giá, trích xuất thông tin về độ trễ thời gian và độ trễ pha của tín hiệu phản hồi trở lại bộ đọc cũng là một vấn đề được các tác giả quan tâm đề cập trong các công bố. Để đọc xung phản hồi trở lại bộ đọc, Lurz. F và các cộng sự nghiên cứu thiết kế thử nghiệm bộ đọc và dùng máy phân tích mạng và tính toán trên phần mềm Matlab [22]. Phương pháp tính toán độ trễ pha giữa sóng phản xạ và tín hiệu thẩm vấn của SAW cũng đã được khá nhiều nghiên cứu thực hiện [23-26].
Trong quá trình tính độ trễ pha xảy ra vấn đề nhập nhằng pha nếu góc trễ pha là lớn hơn 2. Khi đó một giá trị lượng giác đo được tương ứng với nhiều giá trị góc pha, như vậy khó có thể xác định chính xác giá trị của đại lượng đo. Vấn đề này đã được một số tác giả đã đề xuất phương án giải quyết. 5 Ở công bố [23], trong phép đo nhiệt độ bằng cảm biến SAW không dây, tác giả đề xuất tạo ra các khe thời gian giữa các xung phản xạ với tỉ lệ chênh lệch nhất định, sau đó ước tính thô nhiệt độ từ việc đánh giá độ chênh lệch thời gian trễ của từng cặp bộ phản xạ từ đó xác định góc pha tuyệt đối.
Bài báo sử dụng độ trễ pha của các tín hiệu phản hồi là 2-1 và 3-1 (2-1 nhận được từ hai bộ phản xạ 1, 2 và 3-1 nhận được từ hai bộ phản xạ 1, 3) kết hợp với thời gian trễ giữa 3-1 và 2-1 (3-1 và 2-1 tương ứng là thời gian trễ giữa hai bộ phản xạ 1, 3 và 1, 2) bằng cách tạo ra một khe thời gian cho đảm bảo hệ số tỉ lệ. Giải pháp này của S. Schuster và các cộng sự làm xuất hiện hệ số không đảm bảo của của phương pháp, hệ số này tăng sẽ làm giảm tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (Signalto noise ratio-SNR) dẫn đến giảm độ tin cậy trong kết quả tính góc trễ pha. Ngoài ra, để thoả mãn điều kiện của phương pháp thì cần có yêu cầu chính xác về vị trí của bộ phản xạ trên đế áp điện, vấn đề này cũng chưa được tác giả đề cập trong bài báo.
Trong công bố [24], tác giả Leonhard Reindl thực hiện bài toán đo nhiệt độ bằng cách đo sự chênh lệch thời gian trễ của các tín hiệu phản hồi từ các bộ phản xạ sử dụng giới hạn Cramer-Rao (Cramer Rao lower bound-CRLB). Thuật toán bổ sung một độ lệch pha tham chiếu ref vào tín hiệu phản xạ trở lại bộ đọc và ước tính thời gian trễ của phản xạ dựa trên ước tính pha. Vấn đề nhập nhằng pha được tác giả đề cập trên cơ sở kế thừa từ công bố [23], đồng thời sử dụng hai thông số là sai số bình phương trung bình và phương sai ở cận dưới Cramer-Rao, thực hiện bằng phép biến đổi Furie rời rạc. Hạn chế của thuật toán mà tác giả đề xuất trong quá trình thực hiện là cần ước tính hệ số trễ nhiệt độ (Temperature Coefficients of the Delay-TCD), các số liệu thống kê để ước tính nhiệt độ nhận được với giả thiết là SNR cố định (thực tế SNR có thể thay đổi phụ thuộc vào vật liệu đế).
Việc ước tính hệ số TCD của tác giả bài báo cũng bỏ qua thành phần sóng bậc cao của tín hiệu nên có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Vấn đề tồn tại là vị trí của bộ phản xạ trong [23] cũng chưa được tác giả làm rõ. Christian Gruber và các cộng sự đã phân tích một nguyên tắc gửi xung thẩm vấn và đọc tín hiệu phản hồi của bộ đọc [26], với giả thiết cảm biến có ba bộ phản xạ. Tác giả mô hình hóa quá trình đọc tín hiệu phản hồi về bộ đọc sử dụng các hàm trên Matlab và mô phỏng, tính được tan (với là góc trễ pha của các xung phản xạ).
Tuy nhiên, các giá trị dữ liệu đầu vào cho mô hình trên Matlab được tác giả lấy ngẫu nhiên, đồng thời vấn đề nhập nhằng pha khi góc trễ pha lớn hơn 2 chưa được giải quyết, ảnh hưởng của vị trí các bộ phản xạ đến tín hiệu hồi đáp cũng chưa được xem xét.