CN109540348A - 一种基于弹簧天线的应力测量传感器 - Google Patents

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章海锋
赵振华
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Abstract

本发明涉及一种基于弹簧天线的应力测量传感器，其结构包括底层金属地板，金属地板上方的介质基板和介质基板上的矩形贴片以及馈电结构，在贴片表面上方一定距离有金属反射板，将金属反射板镶嵌在介质板表面，上下两层介质板通过四个弹簧连接，上层介质板的受到应力将引起弹簧的压缩，此时上下介质板间距变化，引起天线的中心频率发生变化。通过设置适当大小的介质板、反射板和馈电结构，以及它们的位置，可以在一定范围内让天线的参数随应力发生有规律的变化，从而完成对应力的测量。本发明专利具有体积小，重量轻，结构简单，易于制作，成本低，量程范围内可信度高等优点。

Description

一种基于弹簧天线的应力测量传感器
技术领域
本发明涉及一种基于弹簧天线的应力测量传感器，属于微波器件、传感器领域，可应用于实时检测工程和灾害防控领域。
背景技术
随着现在无线技术及微波电路的迅猛发展，天线作为各种无线通信设备中必不可少的元器件，获得了广泛的应用和重要的技术进展。而传感器是将外界的各种信息转换为可测量可计算地电信号，经过设置地程序输出结果，发送指令使各种事物可以不由人控制而只是由外界条件地变化自觉地调整行为。二者在各自的领域都有着飞速的发展。但是天线与传感器结合有一定的困难，主要是由于天线的参数随待测信号的变化往往不能呈某一规律变化。
应用天线制作传感器有一些传统传感器所没有的优势，比如本发明的基于天线的应力测量传感器，相比于传统应变传感器在结构上更简单，成本更低，且由于天线是无线电传输，不需要冗长的电缆线。随着新兴传感技术和交叉学科的发展，利用无线电进行测量定会成为研究热点。
微带贴片天线具有重量轻、体积小、制作简单、成本低等优势，广泛用于无线通信领域。带有空气层的双层天线的中心频率随双层天线空气层的变化而变化，因此，可以通过中心频率来表征应力的大小。本发明利用带有金属反射板天线的金属反射板高度的变化来调控空气层的厚度，应用空气层厚度与中心频率变化的一致性来制作传感器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供基于弹簧天线的应力测量传感器，底层介质板上的金属贴片和上层介质板下表面镶嵌的金属反射板之间连接有不锈钢弹簧，在一定范围内随着两层介质板之间的空气层的厚度的变化，中心频率随之发生有规律的变化，且随着空气层厚度的减少，中心频率逐步增加，通过MATLAB曲线拟合得到二者之间满足的曲线关系，从而通过中心频率可以得到弹簧的伸缩量，进而可以转化为应力大小。
(1)本发明一种基于弹簧天线的应力测量传感器，应力的改变导致上下介质板之间的空气层厚度发生变化，中心频率也随之改变，从而测量出应力的大小，和传统应力测量仪相比此发明不需要与冗长的电缆线连接，实现无线的测量。
(2)本发明一种基于弹簧天线的应力测量传感器，通过设计单端口微带馈电结构，可以实现窄带，从而扩展了测量范围，相比于用天线制作的液态金属天线应力传感器和金属应变片天线应变传感器，此发明结构更简单，更容易制作，成本更低，反应更加灵敏，更重要的是此发明在量程范围内可以得到应力的大小，而不再只是简单的知道有应力施加在该传感器上。
(3)本发明一种基于弹簧天线的应力测量传感器，可以通过选择不同弹性系数的弹簧，从而设计不同测量量程的应力传感器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的底层金属接地板和下层介质基板的结构示意图。
图3为本发明的上层介质基板的辐射贴片和馈电结构示意图。
图4为本发明的上层介质基板镶嵌的金属反射板以及与其相连接的弹簧的结构示意图。
图5为本发明的金属反射板结构示意图。
图6为本发明的上层介质基板及其四个角延伸部分的结构示意图。
图7为本发明的上下两层介质基板间距为4.5mm至7mm时，天线频率偏移示意图。
图8为本发明的上下两层介质基板间距为7.5mm至10mm时，天线频率偏移示意图。
图9为本发明的上下两层介质基板间距为10.5mm至12.5mm时，天线频率偏移示意图。
图10为本发明的上下两层介质基板间距为4.5mm至12.5mm时，天线频率偏移示意图。
图11为本发明的上下两层介质基板间距和天线中心频率画出的散点图，实线为应用MATLAB拟合出的一次多项式函数。
图12为由本发明的上下两层介质基板间距和天线中心频率画出的散点图，实线为应用MATLAB拟合出的二次多项式函数。
附图标记解释：1—金属铜接地板，2—底层介质基板，3—辐射贴片，4—馈电结构，5—不锈钢弹簧，6—金属铜反射板，7—上层介质基板，8—上层介质基板四个角延伸的部分介质基板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
其结构如图1至图6所示，由底层金属反射板，下层介质基板，下层介质基板上表面的辐射贴片和馈电结构，连接上下层介质基板的弹簧，上层介质基板以及上层介质基板下表面镶嵌的金属反射板组成。通过两层介质基板之间的间距的变化，使得天线的中心频率发生变化，从而间接测得该天线受到的应变力大小。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：
一种基于弹簧天线的应力测量传感器的设计及原理：当该弹簧天线的应力测量传感器上层介质板受到应力时会压缩弹簧，不同的大小应力使弹簧压缩发生的形变量不同，而弹簧压缩量不同时，上下介质板的间距也不同，上下介质板之间的间距不同时s11参数也不相同，由此引起弹簧天线的应力测量传感器的中心频率的偏移，而通过仿真发现设计的弹簧天线的应力测量传感器的频率在1.3GHz至1.5GHz范围内随上下介质基板之间空气层的厚度的变化呈现同一变化规律，中心频率随介质基板之间空气层厚度的减少而增加，由此用MATLAB拟合出天线中心频率和介质基板之间空气层厚度的关系，根据需要需求选取弹簧的劲度系数，可以实现测量应力的功能，将弹簧设置在辐射贴片和金属反射板外，减少了不锈钢弹簧对天线的中心频率的影响，同时使得有应力时不会直接作用在金属反射板上，通过这种设计反射板不会发生形变，所以不会因为金属反射板的变形而对天线的中心频率产生影响。
该弹簧天线应力测量传感器的相关参数如表1所示。
参数 l1 H1 H l2 l3
值(mm) 118 0.035 1 70 43.8
参数 l4 l5 w1 x0 y0
值(mm) 37.8 12 6.4 3.5 12.5
参数 x1 y1 x2 y2 x3
值(mm) 3.5 10.5 10.5 10.5 10.5
参数 y3 r1 r2 l6 c1
值(mm) 12.5 0.4 2.5 95 10
参数 c2
值(mm) 11
表1
该弹簧天线应力测量传感器在1.3GHz至1.5GHz范围内的空气层厚度与中心频率的关系如表2所示。
表2
该弹簧天线应力测量传感器的介质基板材料采用Neltec NY9255(M)(tm)，其相对空气介电常数2.55。
该弹簧天线应力测量传感器的底层接地板，下层介质基板上表面的辐射贴片，馈电结构，上层介质基板下表面的反射板都采用铜。
如图7至图10给出的上下两层介质基板之间的间距和天线频率的偏移关系，可以明显的看出在4.5mm至12.5mm范围内，该弹簧天线应力测量传感器随着应力的增加，S11参数在10dB以下的频率呈现出有规律的减少趋势。
图11给出了由上下两层介质基板之间的间距和天线中心频率偏移量关系的散点图拟合出的一次多项式图形，由拟合的图形可以看出，一次多项式拟合效果比较接近，拟合的一次多项式函数为y＝-0.01646x+1.521，x为两层介质基板间的间距，y为中心频率，由图看出散点分布在该直线两边，误差较小。
图12给出了由上下两层介质基板之间的间距和天线中心频率偏移量关系的散点图拟合出的二次多项式图形，由拟合的图形可以看出，二次多项式拟合效果非常接近，拟合的二次多项式函数为y＝0.0006851x2-0.02811x+1.566，x为两层介质基板间的间距，y为中心频率，散点基本分布在该直线上，误差很小。
该发明一种基于弹簧天线的应力测量传感器，能够在一定范围内根据拟合曲线测量出应力的大小，精度较高，实现了应用天线这类无线设备测量应力的功能，设计灵活，可根据实际需要测量的量程对弹簧的劲度系数进行相应的调整，即可测量不同的量程，且该设备物理尺寸较小，制造简单，成本低等优势。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于弹簧天线的应力测量传感器，其特征在于：包括下层金属接地板，所述下层金属接地板上设置有底层介质基板，所述下层介质基板的上表面具有辐射贴片及馈电结构，馈电结构由四段相连接的，宽度都为6.4mm的金属铜片构成，在贴片上方有镶嵌于上层介质板下表面的金属反射板，两层介质板之间由弹簧连接，将弹簧天线的应力测量传感器放置在平面上若上层介质板受力将引起弹簧压缩因此两层介质板间距发生变化，使弹簧天线应力测量传感器的S11参数发生变化，不同的大小应力使弹簧压缩发生的形变量不同，而弹簧压缩量不同时，上下介质板的间距也不同，上下介质板之间的间距不同时s11参数也不相同，因此可以根据S11参数与受力关系测量出应力，从而制成应力测量传感器。
2.根据权利要求1所述的基于弹簧天线的应力测量传感器，其特征在于：位于两层介质板之间的弹簧可以根据受力改变距离，弹簧的材料为不锈钢弹簧。
3.根据权利要求1所述的基于天线的应力测量传感器，其特征在于：所述馈电结构的馈电方式为微带线馈电，且为单端口馈电，从而实现窄带。
4.根据权利要求1所述的基于弹簧天线的应力测量传感器，其特征在于：上下两层介质基板采用介电常数为2.55的Neltec NY9255(M)(tm)介质板。
5.根据权利要求1所述的基于弹簧天线的应力测量传感器，其特征在于：所述金属反射板完全镶嵌在介质板下表面，且所述上层介质基板的四个角具有向外的延伸部分，所述延伸部分的底部通过弹簧与下层介质基板之间连接。
6.根据权利要求1所述的基于弹簧天线的应力测量传感器，其特征在于：所述底层介质基板为长度为118mm，宽度为118mm，高度为1mm的长方体，其底层具有和其完全重合的底层金属接地板，所述底层金属接地板的长宽均为118mm，高度为0.035mm，所述底层介质基板的上表面中间位置具有长宽都为70mm的矩形辐射贴片，馈电结构中微带线的宽度为6.4mm，距离辐射贴片距离为24mm，在距离馈电端口11.6mm处具有倒L形微带线引出，接入辐射贴片的另一侧馈电，其与馈电口相接垂直部分长度为43.8mm，与馈电端口平行部分的长度为37.8mm，所述辐射贴片另一侧馈电端口长度为12mm，上层介质基板的长宽均为95mm，高度为1mm，上层介质基板内表面镶嵌有长宽均为95mm，高度为0.035mm的金属反射板，弹簧的半径为0.4mm，外半径为2.5mm，弹簧与上层介质基板四个角的延伸部分相连的两条边中的一条为c1长度为10mm，另一条边为c2长度为11mm。
7.根据权利要求2所述的基于弹簧天线的应力测量传感器，其特征在于：弹簧位于三个接出介质板与底层介质板之间，弹簧直径和弹簧外径可控。
8.根据权利要求7所述的基于弹簧天线的应力测量传感器，其特征在于：弹簧的数量为四个，制作的应力测量传感器更稳定，测量更精确。
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