CN103884741A - 射频频率感应器 - Google Patents
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Abstract
本射频频率感应器发明公开了一种能够在非可视非接触情况下识别目标液体的感应器。它由5cm*6cm覆铜板制作，取其中一面以研磨铜箔的方法制作微带电路，通过控制微带的长度及宽度使电路达到谐振状态。电路为规则曲折型结构。连接器置于电路两端，和矢量网络分析仪连接以显示图像数据。将目标物体置于感应器上时，通过将分析仪所显示的图像，频率及散射参数，与空载状态作比较，从而识别目标液体。
Description
所属技术领域
本发明技术涉及对非可视性液体的无损检测，能识别未知液体，用于安全检测等领域.
背景技术
今年来，随着射频感应器技术在众多领域的发展，其实用性已达到另人满意的程度。射频感应器技术已经大量应用于战场侦察，环境检测和工业控制等领域。尤其在单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别等技术上应用广泛。比较典型的应用实例为：跟踪马拉松比赛运动员，自动征收公路通行税。
通常，射频感应器主要可应用于测量：线性及旋转的位置，线性及旋转的位移，线性及旋转的速度，流体的流动，液位，流体黏性和流体污染等。
射频技术的主要优点为：
1.可在较高分辨率下应用
2.有效工作温度高达1000摄氏度
3.能量消耗低达几毫瓦，适于无线技术的应用
4.可在有色金属，非有色金属，混合材料，塑料，橡胶等多种材料上工作
5.与条码磁条技术相比，无须直接接触被检测物体
射频识别技术凭借上述优点，使其具备了普通识别技术所不可比拟的优势。随着近几十年电子工业的发展，电子设备的集成化及小型化，射频识别技术的高成本正在逐渐降低，而其市场价值已达100亿美元。
目前射频识别技术在我国仍需面临的问题主要有：
1.成本2.应用的多样性3.没有统一的标准
发明内容
此项发明着力于使射频识别技术在公共安全领域产生重要影响。本发明提供一种感应器，可在非可视的情况下判断出容器中的液体。
本发明解决技术问题使用的技术方案是：制作感应器时，在选定矩形覆铜板上，利用研磨方法移除不需要的覆盖铜箔来制作其微带电路。微带电路要求设计为集总电路模式，通过已知频率和阻抗值计算带长并将电路设计为曲折线结构，使其成为谐振电路。在微带的两边打孔并装配连接器后，将感应器与矢量网络分析仪(VNA)连接，检测其在空载状态下的谐振波形，谐振频率，及其它散射参数(s-parameter)。最终以此为基准，当感应器负载时，可根据谐振频率及散射参数的变化对被测物体进行识别，达到无损检测的目的。对被测物体的具体识别方法为：感应器负载后谐振频率及散射参数的图像均会发生位移，而不同液体所呈现的位移变化也不相同，造成位移差异的主要原因为1.相对介电常数(relative permittivityεr)，相对介电常数主要影响谐振频率位移的差异。每种材料都有其独立的相对介电常数，因此食用油造成的谐振频率下降比水小，而水和盐水造成的谐振频率下降基本相同，这是对目标物进行识别的标准之一。2.影响插入损耗(insertion loss)的因素为：介质损耗介电常数(dielectric loss permittivity ε2)，并由公式ε2＝σ/ωε0决定，其中σ为电导率，ω和ε0为定值。不同材料拥有不同的电导值，且在纯净水中加入食盐会使电导率增加，因此食用盐水造成的插入损耗图线位移大于纯净水。该因素可增强对不同材质的识别，并可识别如加入食盐的纯净水等在原材料上添加外界物质的液体。
本发明的有益效果是：可在非可视非接触的条件下，对目标液体进行识别，此感应器结构简单，成本低廉。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1为经研磨去掉多余铜铂后的覆铜版基础结构。
图2为此感应器上铜箔构成的微带电路的曲折形结构示意图。
图3为微带曲折型结构在曲折处的设计草图。
图4为覆铜板上微带电路与连接器位置的分布示意图。
图5为射频连接器的侧剖面图。
图6为覆铜板上连接器连接处的位置示意图。
图7为矢量网络检测仪上显示的谐振电路频率空载与负载标准波形示意图。
图8为矢量网络检测仪上显示的此感应器在空载状态下的某一峰值下谐振频率波形示意图，和各散射参数数值。
图中1.被保留铜箔，2.电介质基板，3.覆铜板另一面铜铂，4.铜箔构成的微带电路，5.电介质基板，6.微带电路，7.连接器在覆铜板上的嵌入位置，8.连接器支架，9.用于和电路相连的连接器插座，10.内部绝缘体，11.和电路相连的连接器插座，12.连接器支架。
具体实施方式
下面参照附图对本实施例的一个实例进行说明
本实施例中选用厚度为1.52mm的覆铜板，板上铜箔1厚度为18μm.为设计如图2中所示结构的微带电路，首先需对微带(4)长度及宽度进行计算.此实施例中，设计频率为400MHz，阻抗为75′Ω的感应器.通过微带计算器计算，此感应器所需微带宽度w＝1.84mm，有效介电常数εe＝2.32
再根据公式：
fn＝nc/2v eeff L
其中n＝1c＝3*108m/s εe＝2.32 可得微带长度为L＝27.6cm
通过将图4形式的蓝图输入研磨机，可制作出所需感应器.图1为感应器结构的基础，多余铜箔被研磨掉后，露出电介质基板(2).
图2显示微带总长度L的分配，以及曲折处的长度计算方法.由于在曲折型结构中两条微带的间隔为2倍的微带宽度w，因此将曲折处视为半径为1，5倍宽度w的半圆计算周长.
图4中连接器在覆铜板上的嵌入位置(7)与微带电路(4)相连，连接器嵌入位置(7)由5个孔组成.图5中连接器插座(9)插入图6中(11)，其余4个孔(12)由连接器支架(8)插入.其中连接器插座(9)直接与微带电路(4)连通，保证信号的传输.通过将矢量网络分析仪的输入端口与连接器支架(8)相连，可对感应器谐振电路状态进行分析.
对目标物体进行检测时，将容器置于微带(4)上，但需注意不可覆盖连接器(7).
下面通过分析方法，进一步阐述感应器对液体的识别.
例：将感应器与矢量网络分析仪连接，感应器空载状态时，测得：谐振频率f＝419.75MHz，带宽＝2.055MHz，质量因数＝204.21V，
插入损耗IL＝26.26dB.
容器中盛纯净水作为负载时测得：谐振频率f＝355.12MHz，带宽＝2.778MHz，质量因数＝127.81V，
插入损耗IL＝36.01dB.
容器中盛食用油作为负载时测得：谐振频率f＝403.01MHz，带宽＝3.279MHz，质量因数＝122.50V，
插入损耗IL＝31.55dB.
实验结果表明，纯净水为负载时谐振频率下降约64MHz，带宽增长约0.72MHz，质量因数下降约77V，插入损耗上升约10dB.食用油为负载时谐振频率下降约16.74MHz，带宽增长约1.2MHz，质量因数下降约82V，插入损耗上升5.29dB。
Claims (2)
1.一种工作在射频频率的感应器，选取覆铜板的一面铜铂制作谐振电路，在覆铜板上，连接器，微带，连接器顺序连接构成感应器.从侧面角度，感应器的结构组成为，铜铂，不导电介质，铜铂.其特点是：感应器通过连接器和矢量网络分析仪的传输线连接，被测液体装在容器中置于感应器的谐振电路上，其相关图像及参数在矢量网络分析仪上显示。
2.根据权利要求1所述感应器，其特征为铜微带所构成的谐振电路设计为规则的曲折性结构，电路两端打孔穿过整个覆铜板，孔内插入连接器。
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