Riassunto analitico
Il lavoro ha come scopo lo studio e la progettazione di antenne per identificazione a radiofrequenza (RFID) per tag passivi in grado di funzionare come sensore di strain, in particolare monitorare l'allungamento prodotto da sollecitazioni meccaniche su una struttura composta da un'etichetta elastica su cui si trova l’antenna stessa e dove l’elemento radiante è costituito da un dipolo a mezz’onda la cui lunghezza rappresenta la variabile di sensing. In condizioni di deformazione, le dimensioni fisiche dell'elemento radiante si modificano e la frequenza di risonanza varia conseguentemente. Questa variazione può essere facilmente rilevata e registrata da un lettore wireless esterno a condizione che il fattore di forma e la sezione di alimentazione siano adeguatamente progettati. L'antenna deve inoltre essere ottimizzata per giacere su substrati di diversi materiali aventi possibilmente basse perdite dielettriche, al fine di alimentare sempre in modo efficiente i due microchip scelti MONZA® 5 and MONZA® R6-P prodotti dall’azienda Impinj Inc. Poiché i tag passivi si auto alimentano elaborando l’energia del campo elettromagnetico ricevuto dal lettore, il sensore non necessita di altre fonti di alimentazione interne e pertanto può risultare particolarmente utile in diverse applicazioni che richiedono sensori a basso costo, senza batterie e senza fili. In questo lavoro sono stati progettati e simulati alcuni prototipi di sensori di strain realizzati con tag passivo ad accoppiamento induttivo conformi alla frequenza RFID europea 868 MHz. I risultati finali mostrano come esista un forte legame tra la diversa frequenza di risonanza o della radar cross section dell’antenna e l’allungamento dell’elemento radiante e quindi dello strain, con una risoluzione di misura che può essere dimostrata essere inferiore al millimetro e che rende questi dispositivi molto interessanti per molteplici applicazioni in cui è richiesta la rilevazione di piccole deformazioni, dal monitoraggio del corpo umano fino a quello edilizio.
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Abstract
This work aims at understanding and designing passive tag Radio Frequency IDentification (RFID) antennas capable of working as strain sensors, in particular for monitoring the elongation produced by mechanical stress on a structure consisting of an elastic label on which the antenna is located and where the radiating element is realized with an half wavelength dipole whose length represents the sensing variable. In deformation conditions, the physical dimensions of the radiating element modify and the antenna resonant frequency varies accordingly. This variation can easily be detected and recorded by an external wireless reader provided that the shape factor and feeding section are suitably engineered. The antenna should also be optimized to lie on substrates of various materials with possibly low dielectric losses in order to always achieve efficient power supply to the two selected MONZA® 5 and MONZA® R6-P microchips manufactured by Impinj Inc. . Since passive tags are powered by processing the electromagnetic field energy coming the reader, the sensor does not need other internal power sources and therefore can be particularly useful in a variety of applications requiring low-cost, batteryless and wireless type of sensors. In this work, a few prototypes of inductively coupled meander-line passive tag strain sensors with compliance to the 868 MHz European RFID frequency have been designed and simulated. The final results show that it exists a strong relationship between the changing antenna resonance frequencies or radar cross sections and elongations of the radiating element, so therefore of the strain, with a measurement resolution that can be demonstrated to be sub-millimeter making these devices very interesting for multiple applications requiring small deformation detection, from human body to building monitorings.
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