CN109596895A - 一种高便携性平衡式微波介质传感器 - Google Patents

一种高便携性平衡式微波介质传感器 Download PDF

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王伟伟
郭梦楚
赵鹏
徐魁文
赵文生
王高峰
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
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Abstract

本发明公开了一种高便携性平衡式微波介质传感器。主要由两路相同的由注入锁定振荡器构成的传感器组成，一路作为参考支路，另一路放置待测介质，两路传感器共享相同的实验环境，电源和地。最后通过鉴相器测出两路频率差，从而方便的测量出材料的介电常数。同时又能很好的抑制系统噪声。几种已知介电常数的待测介质用来验证电压和介电常数的关系，证明了该电路可行性和有效性。

Description

一种高便携性平衡式微波介质传感器
技术领域
本发明属于微波毫米波电路和传感器技术领域，提出了一种便携式的平衡式微波传感器来测量介质的介电常数信息。
背景技术
在现代工程领域，传感器扮演着非常重要的角色，他它们可以测量出我们需要的各种物理化学参数。介电常数作为物质的一种特有属性，包含着诸多有价值的信息。例如，在军事上，介电常数测量广泛应用于雷达和各种特殊材料(吸波材料)的制造与检测当中；在人体健康和生命科学方面，介电常数测量可用于单细胞检测与分离、糖尿病人血糖浓度跟踪以及对DNA水溶液的弛豫研究等。另外，分析和检测液体与气体的介电常数有助于对混合溶液组成的判定和对有害气体的探测警报等。因此，介电常数测量技术已经广泛应用于工农业生产、人民健康和国防科技等各个领域，并且具有持续发展的空间和潜力。常用的测量方法如谐振腔微扰法往往通过谐振单元放置待测材料前后的频率响应变化来反应介电常数，而频率响应的测量通常需要体积庞大、价格昂贵的矢量网络分析仪去完成。这一点大大限制了该方法在自动化、要求高便携性和对价格敏感领域的适用性。另一方面，在实际的工业和生产环境中，许多因素都可以影响该传感器的性能，特别是对高灵敏度的传感器，电源偏置条件、温度、压力、以及其他环境因素的微小变化都会直接或间接地影响其工作效果，增加检测误差或不确定性。
因此，针对现有测量技术中存在的上述缺陷，有必要进行相应的改进，以避开该传感器对矢量网络分析仪等大型设备的依赖，同时在系统层面开发传感器干扰噪声抑制技术，提高工业测量介电常数的精度。这对于微波介质传感器的应用普及具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，提出了一种便携式平衡微波介质传感器。
该平衡式传感器主要由信号源，功分器，两路传感器支路和频率比较器构成。
每个传感器支路均由一个注入锁定振荡器、一个耦合器、一个功率检测器组成；注入锁定振荡器的输出端与耦合器的输入端信号连接，耦合器的一个输出端与功率检测器的输入端信号连接，功率检测器的输出端与注入锁定振荡器的晶体管放大器的输入端信号连接，从而实现注入锁定振荡器的增益控制。其中注入锁定振荡器结构包括晶体管放大器、反馈回路组成，其中振荡器基本结构为公知技术。
所述的功分器将信号源等分输入至两路完全相同传感支路；为现有成熟技术；
所述的频率比较器用来鉴定两路传感支路输出的振荡频率。
待测介质放置在其中一路传感支路上的反馈回路。
工作原理如下：信号源提供一个频率为ω0的输入信号，通过一个等分的功分器，分别作为两路注入锁定振荡器的输入。其中一路作为参考，即空气作为参考介质，在自由振荡条件下，该振荡器支路的输出信号保持为ω0。另一个支路引入待测介质，由于介质材料的影响，其输出信号变为ω1。两路输出信号同时加载在频率比较器上，通过测定频率比较器不同时刻的电压差获得介电常数信息。
本发明的有益效果：
1)两路传感支路其中一路用来放置待测介质，另一路作为参考，它们通过输入输出网络进行有效连接，同时共享电源，信号地等，克服了噪声干扰。
2)由于信号源输入信号可以采用足够小，此时该振荡器具有很小的环路带宽，进而具有足够高的精度。
3)避开了矢量网络分析仪，减少了测试成本。
附图说明
图1为本发明的便携式微波平衡介质传感器系统框图。
图2为本发明的测量传感器-注入锁定振荡器结构图。
图3为本发明的测量传感器-注入锁定振荡器简化原理图。
图4为本发明的放置待测介质的注入锁定振荡器等效原理图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
针对现有测量技术中存在的缺陷，申请人发现单一结构传感器由于外界各种因素的干扰很难应用于高精度的测量中。同时依靠传感元件的频率响应来反应介电常数无法摆脱对矢量网络分析仪的依赖。
为了克服现有技术的缺陷，本设计采用了一种新型测量结构，参考图1，为实施例便携式微波平衡介质传感器系统框图。该系统由宽带信号产生模块，功分器，放待测介质的传感器支路1，参考传感器支路2和鉴相器(即频率比较器)组成。宽带信号产生模块由基带信号和频率为ω0的信号调制产生宽带信号。经过功分器等分为两路信号，并且分别送入两个结构一致的传感器1和2中。功分器采用简单微带结构，传感器1和2为反馈结构，等分后的宽带信号进入晶体管放大器后输入谐振器(本发明实施例反馈回路选择谐振器)，谐振器输出反馈回晶体管放大器，A(ω)和β(ω)分别为晶体管放大器和谐振器的传输函数，同时该传感器还带有自动增益控制模块，即放大器的输出经过耦合器后一路输入功率检测模块并反馈到放大器，另一路则输入鉴相器。
参考图2为本实施例所用的传感器1和2的具体结构框图。如图所示，该传感器为由输入信号，放大器，用作反馈的λ/8*λ/8环形谐振器和电源VCC、VBB组成的注入锁定振荡器构成。λ为特定频率下的信号波长。在供电方面，晶体管B级连接第五微带线的一端，第五微带线的另一端分别并联电容C1接地并串联电阻RFC1接VBB，晶体管的C级连接第六微带线的一端，第六微带线的另一端分别并联电容C2接地并串联电阻RFC2接VCC，晶体管E端接地。在反馈环路方面，晶体管的B级和C级分别连接第三微带线和第四微带线的一端，第三微带线和第四微带线的另一端耦合入λ/8*λ/8环形谐振器，待测介质放入环形谐振器的开口上方(即完全覆盖环形谐振器的开口)。输入信号通过第一微带线耦合到环形谐振器，同时该注入锁定振荡器的输出通过环形谐振器耦合到第二微带线进行输出。
在该平衡传感器结构中，当没有待测介质放入时，传感器1和传感器2的原始谐振频率为ω0，这两路传感器具有相同的外界环境，同时两个晶体管共享相同的电源和地。其中传感器2作为参考，即介质为空气，则其输出频率为ω0+Δω，传感器1放入待测量介质，则其输出频率变化为ω1+Δω，Δω代表了全部外界干扰对最终频率产生的影响。在频谱分析仪上可以看到两路传感器产生的两个峰值。两个峰值的频率差可以很好的反应介电常数信息。
在注入锁定模式下，我们可以把传感器的原理图简化成如图3所示。整个传感器可以看成一个反馈的系统，且有
H0(ω)＝A(ω)/1+β(ω)A(ω) (1)
当注入电流的频率为ω0+Δω时，Δω代表着该注入锁定振荡器的锁定范围，则有
|Δω|＝ω0*Iing/2Q*Iosc (2)
其中Iing，Iosc和Q分别为注入电流，输出电流和H0(ω)的品质因数的大小。从公式(2)我们可以知道，当Iing＜＜Iosc时，所测得的该振荡器在锁定模式下的锁定范围Δω远远小于无源谐振模式下，因此该传感器可以获得较窄的锁定范围从而获得较高的精度。
图4给出了放置有待测介质的注入锁定振荡器的等效原理图，由R0＝Z0β/(απ),C0＝π/(2ω0Z0)和L0＝1/(2ω0 2C0)组成的RLC并联电路为λ/8*λ/8环形谐振器的等效图，其中Z0，β和α分别代表了该谐振器的特征阻抗，传播常数和衰减常数。Ki和Qi代表了耦合微带线的耦合系数和品质因数，其中i＝1，2，3，4。当有不同介电常数的待测介质样品放入该传感器时，其在电路中等效为电容CS将要发生改变。因此R0L0C0+4CS就构成了一个振荡频率为ωS的带通滤波器，且有
公式3和4给出了代表不同介电常数的可变电容CS和谐振频率的变化关系，因此该注入锁定振荡器的振荡频率和介电常数值存在一一对应的关系。
为了测量传感器1和传感器2的振荡频率差值，作为优选鉴相器选用ADI高分辨率芯片HMC439。该芯片的输出电压斜率和频率差值有关。为了验证该平衡传感器系统，我们将具体实施过程分为三部分，第一步：将传感器2中放入标准介质样品εr＝1，传感器1中放入不同介电常数的待测介质；第二步：测量出在0.45μs和0.5μs的鉴相器输出电压，并计算出电压信号在该时间段的斜率dV(volt)＝V0(0.5μs-0.45μs)，同时用频谱分析仪测量出输入鉴相器的频率差df(MHz)＝f02-f01；第三步：将εr＝2.2时的频率差df2和鉴相器输出电压差dV2作为参考，计算出df/df2和dV/dV2的大小，汇表如下：
如上表所示，输出电压的相对斜率值S1非常接近于振荡频率差的相对斜率值S2，因此待测介质介电常数εr可以通过测量放置εr时的电压和放置εr＝ref(本实施例中ref＝2.2)时的电压计算得到。测量电压可用通用的数字万用表等完成，其便利性是显而易见的，因此该传感器非常适用于便携式的应用场景下。如表所示，当待测介质介电常数比较低时，测量误差非常小，因此，该平衡式传感器非常适用于低介电常数的测量。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种高便携性平衡式微波介质传感器，其特征在于主要由信号源、功分器、两路传感器支路和频率比较器构成；其中每个传感器支路均由一个注入锁定振荡器、一个耦合器、一个功率检测器组成；注入锁定振荡器的输出端与耦合器的输入端信号连接，耦合器的一个输出端与功率检测器的输入端信号连接，功率检测器的输出端与注入锁定振荡器的晶体管放大器的输入端信号连接，从而实现注入锁定振荡器的增益控制；其中注入锁定振荡器结构包括晶体管放大器、反馈回路组成；
所述的功分器将信号源等分输入至两路完全相同传感支路；
所述的频率比较器用来鉴定两路传感支路输出的振荡频率；
待测介质放置在其中一路传感支路上的反馈回路。
2.如权利要求1所述的一种高便携性平衡式微波介质传感器，其特征在于反馈回路为谐振器。
3.利用如权利要求1或2所述的一种高便携性平衡式微波介质传感器获取介电常数的方法，其特征在于信号源提供一个频率为ω0的输入信号，通过一个等分的功分器，分别作为两路注入锁定振荡器的输入，其中一路作为参考，即空气作为参考介质；在自由振荡条件下，该传感器支路的输出信号保持为ω0，另一个支路引入待测介质，由于介质材料的影响，其输出信号变为ω1；两路输出信号同时加载在频率比较器上，通过测定频率比较器不同时刻的电压差获得介电常数信息。
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