CN106767941B - 一种天线型定量检测传感器系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线型定量检测传感器系统及检测方法，该系统包括传感器，所述的传感器包括无线发射模块和天线，该系统还包括无线终端设备，所述的天线为全向型天线，且每个传感器配备一个定量检测模型，具体为：其中，为无线终端设备接收的传感器的信号强度均值，ψ为传感器待测参数，d为传感器与无线终端设备的距离，n为环境因子，C为常数；无线终端设备接收传感器的信号并得到信号强度均值同时测量传感器和无线终端设备的距离d，将和d带入该传感器的定量检测模型并求解得到待测参数的大小。与现有技术相比，本发明结构简单，能够实现多种不同待测参数的定量检测。

Description

一种天线型定量检测传感器系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种传感器系统，尤其是涉及一种天线型定量检测传感器系统。

背景技术

天线型传感器因其制作简单、微小便携等优点被广泛地应用在气体传感，生物传感和应力传感等方面。天线型传感器常常与Bluetooth、RFID等无线技术结合，被用于食品安全、医疗等领域，但现有的天线传感器局限于传统技术无法做到定量检测，只能以有和无的形式做定性检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种天线型定量检测传感器系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种天线型定量检测传感器系统，该系统包括传感器，所述的传感器包括无线发射模块和天线，该系统还包括无线终端设备，所述的天线为全向型天线，且每个传感器配备一个定量检测模型，具体为：

其中，为无线终端设备接收的传感器的信号强度均值，ψ为传感器待测参数，d为传感器与无线终端设备的距离，n为环境因子，C为常数；

无线终端设备接收传感器的信号并得到信号强度均值同时测量传感器和无线终端设备的距离d，将和d带入该传感器的定量检测模型并求解得到待测参数的大小。

所述的定量检测模型需要根据不同的待测参数进行标定，具体为：

(1)将传感器置于与无线终端设备置于距离1米的位置，传感器发射信号，并通过无线终端设备获取传感器的信号强度，改变待测参数ψ大小，并记录不同ψ值时对应的信号强度，对f(ψ)+C进行标定；

(2)保持待测参数ψ恒定，改变传感器线与无线终端设备之间的距离d，并记录不同d值时无线终端设备检测的传感器的信号强度，对环境因子n进行标定。

步骤(1)具体为：

(101)赋值定量检测模型中的d＝1，得到

(102)在ψ＝ψ_i时无线终端设备获取传感器信号强度并采集多个数据取均值得到信号强度均值ψ_i为第i次给定的待测参数的数值大小，i＝1,2，……n，n为给定的待测参数数值的总次数；

(103)根据ψ_i以及对应的进行数据拟合，得到得到f(ψ)的具体函数式以及常数C。

步骤(2)具体为：

(201)保持待测参数ψ恒定，赋值d＝d₁、d＝d₂……d＝d_m；

(202)当d＝d_j时无线终端设备获取传感器信号强度并采集多个数据取均值得到信号强度均值j＝1,2，……m；

(203)将步骤(103)中f(ψ)的具体函数式以及常数C带入定量检测模型，利用lg(d₁)、lg(d₂)……lg(d_m)以及对应的进行线性拟合得到环境因子n的标定值。

一种采用天线型定量检测传感器系统进行定量检测的方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据待测参数选择与之对应的定量检测模型：

为无线终端设备接收的传感器的信号强度均值，ψ为传感器待测参数，d为传感器与无线终端设备的距离，n为环境因子，C为常数；

(2)测量无线终端设备和传感器之间的距离d；

(3)多次测量无线终端设备接收的传感器的信号强度并取均值得到信号强度均值

(4)将得到的信号强度均值和距离d带入定量检测模型计算得到传感器待测参数ψ。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的定量检测传感器系统打破了传统天线传感器局限于定性检测的缺点，通过定量检测模型实现定量检测，检测结果准确可靠；

(2)本发明的定量检测传感器通用性强，可以通过对定量检测模型的参数的标定来使得该定量检测传感器能适用不同的检测参数，如温度、湿度等。

附图说明

图1为本发明天线型定量检测传感器系统的结构框图；

图2为实施例1湿度传感器中d＝1时，传感器的信号强度与不同湿度的线性关系图；

图3为不同距离d下传感器的信号强度与lg(d)的线性关系；

图4为实施例2应力传感器中d＝1时，传感器的信号强度与不同应力的线性关系图。

图中，1为无线发射模块，2为天线，3为敏感材料，4为无线终端设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种天线型定量检测传感器系统，该系统包括传感器，传感器包括无线发射模块和天线，传感器包括无线发射模块1和天线2，该系统还包括无线终端设备4，天线2为全向型天线，全向型天线用于避免因天线空间角度变化带来的测量影响。另外每个传感器配备一个定量检测模型，具体为：

其中，为无线终端设备4接收的传感器的信号强度均值，ψ为传感器待测参数，d为传感器与无线终端设备4的距离，n为环境因子，C为常数；

无线终端设备4接收传感器的信号并得到信号强度均值同时测量传感器和无线终端设备4的距离d，将和d带入该传感器的定量检测模型并求解得到待测参数的大小。

其中，传感器的定量检测模型通过下述方式推导得到：

无线模块为传感天线提供一个稳定的输入功率P_s，但由于阻抗匹配的问题，传感天线实际获得的功率P_t＝P_s(1-Γ)，Γ为反射系数。由于传感天线自身阻抗会随着待测参数发生改变，反射系数Γ也会随之发生变化。

无线接收终端在与传感天线相聚d时的接收信号强度P_r(d)可以通过弗里斯自由传输方程计算得到：

这里G_t(ψ)是传感天线的增益，G_r是无线终端天线的增益，λ是传输信号的波长，ψ是待测参数，如本实施例中的相对湿度。将等式(1)写成分贝形式：

但是真实的测量环境并非自由空间，我们在考虑路径损耗的同时还需考虑遮蔽效应、多径效应等影响因素，那么参考经验公式：

这里P_r(d₀)在参考距离d₀下的接收信号强度，n是环境影响因子，X_σ正态分布的随机变量。因此最终我们可以得到在现实环境下的接收信号强度模型：

因为传感元件与终端设备是全向型天线的关系，所以有：

同时将常数部分整合，可以得到接收信号强度的简化式：

由于Γ(ψ)是一个复杂未知的函数，所以我们最终可以将模型简化为：

即为上述

定量检测模型需要根据不同的待测参数进行标定，具体为：

(1)将传感器置于与无线终端设备4置于距离1米的位置，传感器发射信号，并通过无线终端设备4获取传感器的信号强度，改变待测参数ψ大小，并记录不同ψ值时对应的信号强度，对f(ψ)+C进行标定；

(2)保持待测参数ψ恒定，改变传感器线与无线终端设备4之间的距离d，并记录不同d值时无线终端设备4检测的传感器的信号强度，对环境因子n进行标定。

步骤(1)具体为：

(101)赋值定量检测模型中的d＝1，得到

(102)在ψ＝ψ_i时无线终端设备4获取传感器信号强度并采集多个数据取均值得到信号强度均值ψ_i为第i次给定的待测参数的数值大小，i＝1,2，……n，n为给定的待测参数数值的总次数；

(103)根据ψ_i以及对应的进行数据拟合，得到得到f(ψ)的具体函数式以及常数C。

步骤(2)具体为：

(201)保持待测参数ψ恒定，赋值d＝d₁、d＝d₂……d＝d_m；

(202)当d＝d_j时无线终端设备4获取传感器信号强度并采集多个数据取均值得到信号强度均值j＝1,2，……m；

(203)将步骤(103)中f(ψ)的具体函数式以及常数C带入定量检测模型，利用lg(d₁)、lg(d₂)……lg(d_m)以及对应的进行线性拟合得到环境因子n的标定值。

本实施例提供了一种定量检测湿度的天线型传感器系统，传感器由无线发射模块1、2.4GHz全向型天线和敏感材料3组成，发射模块1采用蓝牙发射模块，传感器发射信号，无线终端设备4为蓝牙接收终端，天线2通过凹版印制，再将敏感材料3涂覆在天线2上。

传感器发射信号，接收终端接收信号并获得指示接收信号强度的测量值。对由此获得的多个指示接收信号强度的测量值数据，计算得到测量值均值和标准差。将上一步得到的测量值均值代入测量值与待测参数的定量检测模型当中，从而求得待测参数。

对f(ψ)+C进行标定具体为：

(1)将传感器与蓝牙接收终端设备置于相距1.0m的位置，传感器发射信号，蓝牙接收终端接收信号得到测量值；

(2)改变待测变量相对湿度ψ(40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％)，对应不同得到不同的测量值(不同参数条件下，分别获取200个数据点)，计算得到测量值均值；

(3)根据步骤(2)得到的多个测量值均值和对应的待测参数ψ，通过数据拟合得到对应的函数关系式f(ψ)+C。图2展示了在相距1.0m的位置，相对湿度40％到80％对应下测量值均值，以及所拟合出来的函数线段，可以得到：d＝1时，

环境因子n通过以下方式得到：图3展示了传感器在恒定湿度60％的状态下，测试距离从0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m到3.0m变化与测量值均值的变化情况，测量值均值与lg(d)成线性关系，拟合数据得到环境因子n＝2.37。

所以最终得到定量检测模型为：那么在确定距离的情况下，可以根据此模型定量算出环境的相对湿度。

采用上述天线型定量检测传感器系统进行环境相对湿度定量检测的方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据待测参数选择与之对应的定量检测模型：

(2)测量无线终端设备和传感器之间的距离d；

(3)多次测量无线终端设备接收的传感器的信号强度并取均值得到信号强度均值

(4)将得到的信号强度均值和距离d带入定量检测模型计算得到环境相对湿度ψ。

实施例2

本实施例提供了一种基于ZigBee无线技术的定量检测应力的天线型传感器，传感器由ZigBee无线模块、2.4GHz全向型天线组成，传感器发射信号，由ZigBee接收终端接收并获取指示接收信号强度的测量值。

天线2使用石墨烯油墨通过凹版印刷工艺印制在丁腈基底上。

对f(ψ)+C进行标定具体为：

(1)将天线型传感器与ZigBee接收终端置于相距1.0m的位置，传感器发射信号，ZigBee接收终端接收信号得到指示接收信号强度的测量值；

(2)改变待测参数应力ψ(0.1N、0.2N、0.3N、0.4N、0.5N、0.6N、0.7N、0.8N、0.9N、1.0N、1.1N、1.2N)，对应不同ψ得到不同的测量值，在同一应变情况下获取200个测量值，并计算得到测量值均值；

(3)根据步骤(2)得到的多个测量值均值和对应的待测应力ψ，通过数据拟合得到对应的f(ψ)+C。图4展示了传感器与终端设备相距1.0m的位置下，天线2上应力从0.1N到1.2N对应下测量值均值，从图中发现0.1N到0.6N的测量值均值并未发生变化，而0.7N到1.2N呈明显的线性关系，正如插图显示的在0.7N到1.2N变化区间内的线性拟合关系，可以得到：d＝1时，区间范围ψ∝[0.67N,1.2N]。

环境因子n获取方法同实施例1一致，参考图3环境因子n＝2.37。

所以最终得到定量检测模型为：那么在确定距离的情况下，可以根据此模型定量算出施加应变传感器上的应力。

采用上述天线型定量检测传感器系统进行应力定量检测的方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据待测参数选择与之对应的定量检测模型：

(2)测量无线终端设备和传感器之间的距离d；

(3)多次测量无线终端设备接收的传感器的信号强度并取均值得到信号强度均值

(4)将得到的信号强度均值和距离d带入定量检测模型计算得到应力ψ。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种天线型定量检测传感器系统，该系统包括传感器，所述的传感器包括无线发射模块和天线，其特征在于，该系统还包括无线终端设备，所述的天线为全向型天线，且每个传感器配备一个定量检测模型，具体为：

其中，为无线终端设备接收的传感器的信号强度均值，ψ为传感器待测参数，d为传感器与无线终端设备的距离，n为环境因子，C为常数；

无线终端设备接收传感器的信号并得到信号强度均值同时测量传感器和无线终端设备的距离d，将和d带入该传感器的定量检测模型并求解得到待测参数的大小；

所述的定量检测模型需要根据不同的待测参数进行标定，具体为：

(1)将传感器置于与无线终端设备置于距离1米的位置，传感器发射信号，并通过无线终端设备获取传感器的信号强度，改变待测参数ψ大小，并记录不同ψ值时对应的信号强度，对f(ψ)+C进行标定；

(2)保持待测参数ψ恒定，改变传感器线与无线终端设备之间的距离d，并记录不同d值时无线终端设备检测的传感器的信号强度，对环境因子n进行标定。

2.根据权利要求1所述的一种天线型定量检测传感器系统，其特征在于，步骤(1)具体为：

(101)赋值定量检测模型中的d＝1，得到

(102)在ψ＝ψ_i时无线终端设备获取传感器信号强度并采集多个数据取均值得到信号强度均值ψ_i为第i次给定的待测参数的数值大小，i＝1,2，……n，n为给定的待测参数数值的总次数；

(103)根据ψ_i以及对应的进行数据拟合，得到得到f(ψ)的具体函数式以及常数C，其中α为常系数。

3.根据权利要求2所述的一种天线型定量检测传感器系统，其特征在于，步骤(2)具体为：

(201)保持待测参数ψ恒定，赋值d＝d₁、d＝d₂……d＝d_m；

(202)当d＝d_j时无线终端设备获取传感器信号强度并采集多个数据取均值得到信号强度均值

(203)将步骤(103)中f(ψ)的具体函数式以及常数C带入定量检测模型，利用lg(d₁)、lg(d₂)……lg(d_m)以及对应的进行线性拟合得到环境因子n的标定值。

4.一种采用权利要求1的天线型定量检测传感器系统进行定量检测的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据待测参数选择与之对应的定量检测模型：

为无线终端设备接收的传感器的信号强度均值，ψ为传感器待测参数，d为传感器与无线终端设备的距离，n为环境因子，C为常数；

(2)测量无线终端设备和传感器之间的距离d；

(3)多次测量无线终端设备接收的传感器的信号强度并取均值得到信号强度均值

(4)将得到的信号强度均值和距离d带入定量检测模型计算得到传感器待测参数ψ。