面向畜禽场景氨气检测的无源RFID传感标签研制及应用

氨气是畜禽场景中的主要有害气体之一,针对有源传感器不适于电路有线连接受限的畜禽场景问题,该研究基于高频电磁仿真软件(high frequency structure simulator,HFSS)设计了无源传感器仿真模型,选择聚酰亚胺(polyimide,PI)作为基板材料,采用丝网印刷技术研制了基于射频识别(radio frequency identification,RFID)原理的无源氨气传感标签。通过对氨气无源检测原理的解析,选择了具有高表面积的碳纳米管作为氨气敏感材料,推导了通过测量射频接收功率变化实现无源检测的数学模型;考虑谐振频率的动态调整,无源RFID传感标签采用开口间隙可调的裂环谐振器结构,通过分析传输系数的变化对RFID传感标签的检测过程进行模拟;搭建了用于实验室和畜禽场景氨气检测的射频测试系统,围绕功率反射系数、谐振频率、传输系数开展测试分析。试验结果表明,该标签检测效率易受到到二氧化碳、温湿度因素的影响,由于人工切割、基板变形、环境干扰等因素,实物标签的谐振频率与2.4 GHz的仿真谐振频率之间存在0.05 GHz左右的偏差,传感标签的灵敏度约为15 MHz·L/mg,最大阅读距离为24 cm,相比于商用氨气传感器,该传感标签在使用寿命、响应时间方面有明显优势。研究结果为畜禽场景的氨气无源检测提供了有效的理论和实践依据。