CN109916925A - 液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法 - Google Patents
液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109916925A CN109916925A CN201910279146.7A CN201910279146A CN109916925A CN 109916925 A CN109916925 A CN 109916925A CN 201910279146 A CN201910279146 A CN 201910279146A CN 109916925 A CN109916925 A CN 109916925A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sample
- fluid channel
- transmission line
- controller
- electromagnetic microwave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 81
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 79
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 66
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 44
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 30
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 17
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 11
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical group [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims description 3
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical group [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims 1
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 42
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000003317 industrial substance Substances 0.000 description 1
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本发明涉及液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法；该检测传感器基底的上表面上设有微带传输线和开口谐振器，基底内部埋设有M条微流道，微流道位于微带传输线和/或开口谐振器下方，微流道的入口和出口均设在基底的上表面上；含有该检测传感器的检测装置中还含有信号处理模块、控制模块、电源模块和M个与微流道连通的储液容器；控制模块中的控制器通过信号处理模块给微带传输线发送信号并接收微带传输线的输出信号；检测方法通过电磁微波信号中的谐振信息计算出样品的复合介电常数，然后判断出样品的种类和浓度；本发明的检测传感器能实现液态化学品的无损、无接触、无添加剂和无泄漏检测，检测装置可实现现场检测，检测方法科学合理。
Description
(一)、技术领域：
本发明涉及液态化学品检测设备及其检测方法，特别涉及液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法。
(二)、背景技术：
液态化学品广泛应用于工业生产和实验领域中，然而，对各种液态化学品的识别和分类是工业界和学术界面临的一个相当大的挑战，这为化学检测技术的发展提供了巨大的机遇。在一些情况下，特别是在测量有毒、易挥发、易燃化学品时，在测量过程中会有爆炸、燃烧和中毒的危险。因此，探索简单、稳定、安全和小型化的测量技术以降低事故风险，具有十分重要的意义。目前，公知的液态化学品检测方法有紫外吸收光谱法、荧光光谱法、红外吸收光谱法和拉曼光谱法等。这些检测方法存在检测设备昂贵、无法实现便携式、样品前期处理步骤复杂、需增加荧光剂和必须暴露在空气中等缺点。如专利《检测水环境中的化学品》(专利号：CN2010800634384)，其检测样品需要复杂的前期处理步骤，导致检测时间久。
(三)、发明内容：
本发明要解决的技术问题是：提供了液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法，该液态化学品检测传感器结构紧凑﹑体积小﹑成本低，且能实现液态化学品的无损、无接触、无添加剂和无泄漏检测，检测装置的检测精度高﹑速度快，可实现现场检测，检测方法科学合理。
本发明的技术方案：
一种液态化学品检测传感器，含有基底，基底的上表面上设有微带传输线和N个开口谐振器，N个开口谐振器布设在微带传输线的一侧或两侧，基底内部埋设有M条弯折的微流道，M条微流道位于微带传输线和/或开口谐振器的下方，每条微流道的入口和出口均设在基底的上表面上，基底的下表面上设有底电极层，N和M均为大于等于1的自然数。
N为偶数，N个开口谐振器形成N/2个开口谐振器对，每个开口谐振器对中的两个开口谐振器对称布设在微带传输线的两侧；M＝N/2，M条微流道分别位于N/2个开口谐振器对的正下方。根据对开口谐振器进行有限元仿真软件分析得到的电磁分布情况看，开口谐振器在开口处的场强最强，因此，让微流道途径开口谐振器的正下方，有利于提高传感器的灵敏度。
基底为长方体形；开口谐振器为方形开口谐振环或圆形开口谐振环，这些形状便于加工，便于电磁感应，开口谐振器的加工方式可采用标准的电路板加工工艺、丝网印刷或导电墨水打印；微流道的弯折形状为弓形弯折，或为回形弯折，或为Ⅲ形弯折，或为Ⅰ形弯折，这些形状可以增加微流道的长度或者横截面积，进而增加通入微流道中的液态化学品体积，增大传感器谐振的改变量，提高传感器的灵敏度。
基底的材质为环氧树脂(FR-4)，或为PTFE玻璃纤维，或为PTFE陶瓷，或为碳氢化合物陶瓷；微带传输线、开口谐振器和底电极层的材质为金，或为银，或为铜，或为钛。底电极层的作用是辅助微带传输线激发准TEM波。
微流道的作用是将待测液态化学品按照特定路径送入传感器中。微流道通过激光切割或线控机床切割进行加工。
一种含有上述液态化学品检测传感器的检测装置，还含有信号处理模块、控制模块、电源模块和M个储液容器；电源模块给信号处理模块和控制模块供电；控制模块中含有控制器，信号处理模块中含有电磁微波发射电路和电磁微波接收电路，电磁微波发射电路的数字输入端与控制器的数字输出端连接，电磁微波发射电路的电磁微波输出端与微带传输线的输入端连接，电磁微波接收电路的电磁微波输入端与微带传输线的输出端连接，电磁微波接收电路的数字输出端与控制器的数字输入端连接；底电极层与信号处理模块的地连接；M个储液容器分别与M条微流道连通，M个储液容器的出口通过M个出口管路分别与M条微流道的入口连通，M个储液容器的入口通过M个入口管路分别与M条微流道的出口连通。
检测装置中还含有M个驱动泵，M个驱动泵分别串接在M个出口管路或M个入口管路上；控制器的M个抽液控制端分别与M个驱动泵的开关端连接。驱动泵能加快和辅助待测液态化学品流入微流道，加快测量速度。
电磁微波发射电路中含有数模转换器、第二匹配电阻、第二匹配电容、信号发生器、第一带通滤波器、第一匹配电容和第一匹配电阻，控制器的数字输出端与数模转换器的输入端连接，数模转换器的输出端与第二匹配电阻的第一端连接，第二匹配电阻的第二端与信号发生器的输入端连接，第二匹配电阻的第二端还通过第二匹配电容接地，信号发生器的输出端与第一带通滤波器的输入端连接，第一带通滤波器的输出端与第一匹配电阻的第一端连接，第一带通滤波器的输出端还通过第一匹配电容接地，第一匹配电阻的第二端与微带传输线的输入端连接；
电磁微波接收电路中含有第三匹配电阻、第三匹配电容、第二带通滤波器、信号接收器、第四匹配电容、第四匹配电阻和模数转换器，微带传输线的输出端与第三匹配电阻的第一端连接，第三匹配电阻的第二端与第二带通滤波器的输入端连接，第三匹配电阻的第二端还通过第三匹配电容接地，第二带通滤波器的输出端与信号接收器的输入端连接，信号接收器的输出端与第四匹配电阻的第一端连接，信号接收器的输出端还通过第四匹配电容接地，第四匹配电阻的第二端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与控制器的数字输入端连接；
电源模块中含有直流电源和二极管，直流电源的正端通过正向连接的二极管与电磁微波发射电路﹑电磁微波接收电路和控制器的电源端连接，直流电源的负端接地。二极管的作用是防止直流电源接反，或者信号处理模块的交流信号反涌损坏直流电源。
数模转换器的型号为：DA9220；模数转换器的型号为：AD9772；信号发生器的型号为：ADF4350；信号接收器的型号为：MAX7033(为超外差接收芯片)；第一带通滤波器的型号为：MAX274；第二带通滤波器的型号为：LTC1562；控制器的型号为：STM32(单片机)；直流电源为锂电池(3.7V)；储液容器为试管或玻璃器皿；驱动泵为蠕动泵。
第一匹配电阻﹑第二匹配电阻﹑第三匹配电阻和第四匹配电阻的阻值为50欧姆；第一匹配电容﹑第二匹配电容﹑第三匹配电容和第四匹配电容的容值为104皮库仑；第一带通滤波器和第二带通滤波器的滤波范围为6GHz～8.5GHz；信号发生器和信号接收器的工作范围为6GHz～8.5GHz。
微带传输线的功能是使电磁微波能够顺畅通过，通过调节微带传输线的宽度和厚度使微波在其中传播的阻抗大小为50欧姆，以实现与后续信号处理模块的阻抗匹配，保证电磁微波的顺畅通过。开口谐振器为传感器的敏感元件，其作用是与微带传输线发生耦合，从而在微带传输线周围的电磁场中产生电磁谐振，提供检测所需的谐振信息。微流道的功能是使得待测液态化学样品按照微流道的路径流过开口谐振器下方，从而被开口谐振器探测。
微带传输线上传输的电磁微波信号在微带传输线周围产生交变电磁场，与开口谐振器产生电磁谐振，将待测液态化学样品通入基底内部的微流道后，微带传输线周围的介电常数受待测液态化学样品影响会发生改变，进而导致传感器的谐振发生改变，通过接收微带传输线输出端的模拟信号获得谐振改变情况，可推算出待测液态化学样品的介电常数，进而确定待测液态化学样品的种类和浓度。
电磁微波发射电路发射电磁微波至微带传输线，通过电磁微波接收电路接收谐振状态改变后的微带传输线中的电磁微波信号，提取谐振信息并转换为能够被控制器识别的数字信号，控制器获得该数字信号后进行数据匹配，匹配成功便可得到化学品的类型和浓度等信息。
一种上述检测装置的检测方法，设定N＝4，M＝2，4个开口谐振器形成2个开口谐振器对，每个开口谐振器对中的两个开口谐振器对称布设在微带传输线的两侧；2条微流道分别位于2个开口谐振器对的正下方；2个储液容器分别为第一储液容器和第二储液容器，2条微流道分别为第一微流道和第二微流道；检测方法如下：
步骤1﹑将样品A和样品B分别加入第一储液容器和第二储液容器中，样品A和样品B分别流入第一微流道和第二微流道中；
步骤2﹑控制器通过电磁微波发射电路输出原始电磁微波信号到微带传输线的输入端后，再通过电磁微波接收电路接收微带传输线的输出端输出的电磁微波信号，然后，控制器提取该电磁微波信号的谐振信息，该谐振信息中含有第一谐振频率X1和第一品质因数Y1；
步骤3﹑用去离子水清洗第一储液容器﹑第二储液容器﹑第一微流道﹑第二微流道以及它们之间连接的出口管路和入口管路,然后，将样品A和样品B分别加入第二储液容器和第一储液容器中，样品A和样品B分别流入第二微流道和第一微流道中；
步骤4﹑控制器通过电磁微波发射电路输出原始电磁微波信号到微带传输线的输入端后，再通过电磁微波接收电路接收微带传输线的输出端输出的电磁微波信号，然后，控制器提取该电磁微波信号的谐振信息，该谐振信息中含有第二谐振频率X2和第二品质因数Y2；
步骤5﹑控制器根据第一谐振频率X1﹑第一品质因数Y1﹑第二谐振频率X2和第二品质因数Y2计算出样品A的复合介电常数和样品B的复合介电常数：
ZA'＝-5.2943X1+0.0232X1 2-3.0205X1 3+0.8395Y1-0.1439Y1 2-0.0065Y1 3
ZA"＝-2.1203X2+0.0087X2 2-1.1348X2 3+68.0887Y2-1.6665Y2 2-0.0007Y2 3
ZB'＝-0.02400X1+0.000453X1 2-0.0000011X1 3+-0.49010Y1-14.93790Y1 2-0.020Y1 3
ZB"＝-4.48272X2+0.02303X2 2-0.0000364X2 3+5.87300Y2-0.12846Y2 2--0.002624Y2 3
其中，ZA'和ZA"分别为样品A的复合介电常数的实部和虚部，ZB'和ZB"分别为样品B的复合介电常数的实部和虚部；
步骤6﹑控制器将样品A的复合介电常数和样品B的复合介电常数与控制器内部存储单元中的复合介电常数数据库进行匹配，得到样品A和样品B的种类和浓度数据。
步骤2和步骤4中，控制器提取电磁微波信号的谐振信息时采用的软件为：网络分析软件，版本号：A.09.10，设计单位：是德科技(中国)有限公司(Keysight)。
本发明的有益效果：
1﹑本发明的液态化学品检测传感器将微带传输线﹑开口谐振器﹑微流道和底电极层安置在一个基底上，结构紧凑﹑体积小﹑便于携带；由于检测传感器的体积小，加工方式可采用常规的电路板加工等工艺，因此，其成本低、可大批量生产。
2﹑本发明的液态化学品检测传感器将待测液态化学品通入基底内部封闭的微流道中，不易发生泄漏、蒸发等危险情况，使用安全，特别适用于危险液态化学品的检测，该检测传感器可实现液态化学品(如：甲醇、乙醇、苯、丙酮、乙酸、丁醇和甘油等)的快速、无损、无接触、无添加剂、无泄漏和低成本检测，为工业化学品的运输、生产及鉴定过程提供了有效的检测方法。
3﹑本发明检测装置中的信号处理模块通过设置匹配电路，能准确地传送电磁微波信号至微带传输线，并能有效地从微带传输线中提取出电磁微波信号，通过带通滤波器滤除干扰信号，为后续信号处理做准备，信号处理模块还能将电磁微波信号转换为数字信号发送给控制器，控制器对接收的信号进行分析处理后实现对多个微流道中的液态化学品的检测；本发明检测装置的检测精度高﹑速度快，可实现现场检测。
4﹑本发明的检测方法能有效准确地提取出电磁微波信号中的谐振信息，并根据谐振信息计算出样品的复合介电常数，再通过与复合介电常数数据库的匹配准确地判断出待测液态化学品的种类和浓度，检测方法科学合理。
(四)、附图说明：
图1为液态化学品检测传感器的结构示意图；
图2为图1中的A-A剖视结构示意图；
图3为图1的仰视结构示意图；
图4为图3中的B-B剖视结构示意图；
图5为开口谐振器的结构示意图之一；
图6为开口谐振器的结构示意图之二；
图7为开口谐振器的结构示意图之三；
图8为开口谐振器的结构示意图之四；
图9为开口谐振器的结构示意图之五；
图10为开口谐振器的结构示意图之六；
图11为微流道的结构示意图之一；
图12为微流道的结构示意图之二；
图13为微流道的结构示意图之三；
图14为检测装置的电路原理示意图；
图15为复合介电常数数据库的局部示意图；
图16为样品A和样品B分别流入第一微流道和第二微流道中时控制器接收到的电磁微波信号的示意图；
图17为样品A和样品B分别流入第二微流道和第一微流道中时控制器接收到的电磁微波信号的示意图；
图18为控制器计算出的样品A的复合介电常数和样品B的复合介电常数的信息图。
(五)、具体实施方式：
参见图1～图18，图中，液态化学品检测传感器含有基底1，基底1的上表面上设有微带传输线3和4个开口谐振器2，4个开口谐振器2布设在微带传输线3的两侧，基底1内部埋设有2条弯折的微流道4，2条微流道4位于微带传输线3和开口谐振器2的下方，每条微流道4的入口5和出口6均设在基底1的上表面上，基底1的下表面上设有底电极层7。
4个开口谐振器2形成2个开口谐振器对，每个开口谐振器对中的两个开口谐振器2对称布设在微带传输线3的两侧；2条微流道4分别位于2个开口谐振器对的正下方。根据对开口谐振器2进行有限元仿真软件分析得到的电磁分布情况看，开口谐振器2在开口处的场强最强，因此，让微流道4途径开口谐振器2的正下方，有利于提高传感器的灵敏度。2个开口谐振器对的大小不同，这样可获得不同的谐振频道，从而实现多频道检测。
基底1为长方体形；开口谐振器2为圆形开口谐振环，开口谐振器2由内﹑外两个同心的圆形开口环组成，两个圆形开口环的开口位置相互反向；对较大的开口谐振器2来说，两个圆形开口环的开口的宽度均为0.2mm，两个圆形开口环的环宽均为0.2mm，两个圆形开口环之间的间距为0.2mm，两个圆形开口环的平均半径为1.03mm；对较小的开口谐振器2来说，两个圆形开口环的开口的宽度均为0.18mm，两个圆形开口环的环宽均为0.18mm，两个圆形开口环之间的间距为0.18mm，两个圆形开口环的平均半径为0.8mm。开口谐振器2也可以采用其它形式的方形开口谐振环(2-1﹑2-3﹑2-4﹑2-6)和圆形开口谐振环(2-2﹑2-5)，这些形状便于加工，便于电磁感应，开口谐振器2的加工方式采用标准的电路板加工工艺。
微流道4的弯折形状为弓形弯折，也可以为回形弯折4-1，或Ⅲ形弯折4-2，或Ⅰ形弯折4-3，这些形状可以增加微流道4的长度或者横截面积，进而增加通入微流道4中的液态化学品体积，增大传感器谐振的改变量，提高传感器的灵敏度。
基底1的材质为环氧树脂(FR-4)；微带传输线3、开口谐振器2和底电极层7的材质为铜。底电极层7为一层铜薄膜，底电极层7的作用是辅助微带传输线3激发准TEM波。
微流道4的作用是将待测液态化学品按照特定路径送入传感器中。微流道4通过激光切割进行加工。
含有上述液态化学品检测传感器的检测装置中还含有信号处理模块Ⅲ、控制模块Ⅱ、电源模块Ⅰ和2个储液容器；电源模块Ⅰ给信号处理模块Ⅲ和控制模块Ⅱ供电；控制模块Ⅱ中含有控制器U1，信号处理模块Ⅲ中含有电磁微波发射电路和电磁微波接收电路，电磁微波发射电路的数字输入端与控制器U1的数字输出端a1连接，电磁微波发射电路的电磁微波输出端与微带传输线3的输入端连接，电磁微波接收电路的电磁微波输入端与微带传输线3的输出端连接，电磁微波接收电路的数字输出端与控制器U1的数字输入端a4连接；底电极层7与信号处理模块的地GND连接；2个储液容器分别与2条微流道4连通，2个储液容器的出口通过2个出口管路分别与2条微流道4的入口5连通，2个储液容器的入口通过2个入口管路分别与2条微流道4的出口6连通。2个储液容器分别为第一储液容器和第二储液容器，2条微流道4分别为第一微流道和第二微流道。
检测装置中还含有2个驱动泵：第一驱动泵和第二驱动泵，2个驱动泵分别串接在2个出口管路上；控制器U1的2个抽液控制端(a5﹑a6)分别与2个驱动泵的开关端连接。驱动泵能加快和辅助待测液态化学品流入微流道4，加快测量速度。
电磁微波发射电路中含有数模转换器H1、第二匹配电阻R2、第二匹配电容C2、信号发生器E1、第一带通滤波器F1、第一匹配电容C1和第一匹配电阻R1，控制器U1的数字输出端a1与数模转换器H1的输入端连接，数模转换器H1的输出端与第二匹配电阻R2的第一端连接，第二匹配电阻R2的第二端与信号发生器E1的输入端连接，第二匹配电阻R2的第二端还通过第二匹配电容C2接地GND，信号发生器E1的输出端与第一带通滤波器F1的输入端连接，第一带通滤波器F1的输出端与第一匹配电阻R1的第一端连接，第一带通滤波器F1的输出端还通过第一匹配电容C1接地，第一匹配电阻R1的第二端与微带传输线3的输入端连接；
电磁微波接收电路中含有第三匹配电阻R3、第三匹配电容C3、第二带通滤波器F2、信号接收器E2、第四匹配电容C4、第四匹配电阻R4和模数转换器H2，微带传输线3的输出端与第三匹配电阻R3的第一端连接，第三匹配电阻R3的第二端与第二带通滤波器F2的输入端连接，第三匹配电阻R3的第二端还通过第三匹配电容C3接地GND，第二带通滤波器F2的输出端与信号接收器E2的输入端连接，信号接收器E2的输出端与第四匹配电阻R4的第一端连接，信号接收器E2的输出端还通过第四匹配电容C4接地GND，第四匹配电阻R4的第二端与模数转换器H2的输入端连接，模数转换器H2的输出端与控制器U1的数字输入端a4连接；
电源模块中含有直流电源P和二极管D，直流电源P的正端通过正向连接的二极管D与电磁微波发射电路﹑电磁微波接收电路和控制器U1的电源端连接，直流电源P的负端接地。二极管D的作用是防止直流电源P接反，或者信号处理模块的交流信号反涌损坏直流电源P。
数模转换器H1的型号为：DA9220；模数转换器H2的型号为：AD9772；信号发生器E1的型号为：ADF4350；信号接收器E2的型号为：MAX7033(为超外差接收芯片)；第一带通滤波器F1的型号为：MAX274；第二带通滤波器F2的型号为：LTC1562；控制器U1的型号为：STM32(单片机)；直流电源P为锂电池(3.7V)；储液容器为玻璃器皿；驱动泵为蠕动泵。
第一匹配电阻R1﹑第二匹配电阻R2﹑第三匹配电阻R3和第四匹配电阻R4的阻值为50欧姆；第一匹配电容C1﹑第二匹配电容C2﹑第三匹配电容C3和第四匹配电容C4的容值为104皮库仑；第一带通滤波器F1和第二带通滤波器F2的滤波范围为6GHz～8.5GHz；信号发生器E1和信号接收器E2的工作范围为6GHz～8.5GHz。
微带传输线3的功能是使电磁微波能够顺畅通过，通过调节微带传输线3的宽度和厚度使微波在其中传播的阻抗大小为50欧姆，以实现与后续信号处理模块的阻抗匹配，保证电磁微波的顺畅通过。开口谐振器2为传感器的敏感元件，其作用是与微带传输线3发生耦合，从而在微带传输线3周围的电磁场中产生电磁谐振，提供检测所需的谐振信息。微流道4的功能是使得待测液态化学样品按照微流道4的路径流过开口谐振器2下方，从而被开口谐振器2探测。
微带传输线3上传输的电磁微波信号在微带传输线3周围产生交变电磁场，与开口谐振器2产生电磁谐振，将待测液态化学样品通入基底1内部的微流道4后，微带传输线3周围的介电常数受待测液态化学样品影响会发生改变，进而导致传感器的谐振发生改变，通过接收微带传输线3输出端的模拟信号获得谐振改变情况，可推算出待测液态化学样品的介电常数，进而确定待测液态化学样品的种类和浓度。
电磁微波发射电路发射电磁微波至微带传输线3，通过电磁微波接收电路接收谐振状态改变后的微带传输线3中的电磁微波信号，提取谐振信息并转换为能够被控制器识别的数字信号，控制器U1获得该数字信号后进行数据匹配，匹配成功便可得到化学品的类型和浓度等信息。
上述检测装置的检测方法如下：(检测开始前需做好充足准备，如：将样品放入储液容器后接入驱动泵、检查装置的电气连接是否已经连接好。)
步骤1﹑将样品A和样品B分别加入第一储液容器和第二储液容器中，样品A和样品B分别流入第一微流道和第二微流道中；
步骤2﹑控制器U1通过电磁微波发射电路输出原始电磁微波信号到微带传输线3的输入端后，再通过电磁微波接收电路接收微带传输线3的输出端输出的电磁微波信号，然后，控制器U1提取该电磁微波信号的谐振信息，该谐振信息中含有第一谐振频率X1和第一品质因数Y1；
步骤3﹑用去离子水清洗第一储液容器﹑第二储液容器﹑第一微流道﹑第二微流道以及它们之间连接的出口管路和入口管路,然后，将样品A和样品B分别加入第二储液容器和第一储液容器中，样品A和样品B分别流入第二微流道和第一微流道中；
步骤4﹑控制器U1通过电磁微波发射电路输出原始电磁微波信号到微带传输线3的输入端后，再通过电磁微波接收电路接收微带传输线3的输出端输出的电磁微波信号，然后，控制器U1提取该电磁微波信号的谐振信息，该谐振信息中含有第二谐振频率X2和第二品质因数Y2；
步骤5﹑控制器U1根据第一谐振频率X1﹑第一品质因数Y1﹑第二谐振频率X2和第二品质因数Y2计算出样品A的复合介电常数和样品B的复合介电常数：
ZA'＝-5.2943X1+0.0232X1 2-3.0205X1 3+0.8395Y1-0.1439Y1 2-0.0065Y1 3
ZA"＝-2.1203X2+0.0087X2 2-1.1348X2 3+68.0887Y2-1.6665Y2 2-0.0007Y2 3
ZB'＝-0.02400X1+0.000453X1 2-0.0000011X1 3+-0.49010Y1-14.93790Y1 2-0.020Y1 3
ZB"＝-4.48272X2+0.02303X2 2-0.0000364X2 3+5.87300Y2-0.12846Y2 2--0.002624Y2 3
其中，ZA'和ZA"分别为样品A的复合介电常数的实部和虚部，ZB'和ZB"分别为样品B的复合介电常数的实部和虚部；
复合介电常数可表示为：ε＝ε′+jε″，其中，ε′为复合介电常数的实部，ε″为复合介电常数的虚部。
步骤6﹑控制器U1将样品A的复合介电常数和样品B的复合介电常数与控制器内部存储单元中的复合介电常数数据库(该数据库由人事先录入)进行匹配，得到样品A和样品B的种类和浓度数据。
步骤2和步骤4中，控制器U1提取电磁微波信号的谐振信息时采用的软件为：网络分析软件，版本号：A.09.10，设计单位：是德科技(中国)有限公司(Keysight)。
该检测方法还可以引入一种参考样品，通过与参考样品进行对比测试来修正和补偿检测装置的误差。
Claims (10)
1.一种液态化学品检测传感器，其特征是：含有基底，基底的上表面上设有微带传输线和N个开口谐振器，N个开口谐振器布设在微带传输线的一侧或两侧，基底内部埋设有M条弯折的微流道，M条微流道位于微带传输线和/或开口谐振器的下方，每条微流道的入口和出口均设在基底的上表面上，基底的下表面上设有底电极层，N和M均为大于等于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的液态化学品检测传感器，其特征是：所述N为偶数，N个开口谐振器形成N/2个开口谐振器对，每个开口谐振器对中的两个开口谐振器对称布设在微带传输线的两侧；M＝N/2，M条微流道分别位于N/2个开口谐振器对的正下方。
3.根据权利要求1所述的液态化学品检测传感器，其特征是：所述基底为长方体形；开口谐振器为方形开口谐振环或圆形开口谐振环；微流道的弯折形状为弓形弯折，或为回形弯折，或为Ⅲ形弯折，或为Ⅰ形弯折。
4.根据权利要求1所述的液态化学品检测传感器，其特征是：所述基底的材质为环氧树脂，或为PTFE玻璃纤维，或为PTFE陶瓷，或为碳氢化合物陶瓷；微带传输线、开口谐振器和底电极层的材质为金，或为银，或为铜，或为钛。
5.一种含有权利要求1～4中任一项所述液态化学品检测传感器的检测装置，其特征是：还含有信号处理模块、控制模块、电源模块和M个储液容器；电源模块给信号处理模块和控制模块供电；控制模块中含有控制器，信号处理模块中含有电磁微波发射电路和电磁微波接收电路，电磁微波发射电路的数字输入端与控制器的数字输出端连接，电磁微波发射电路的电磁微波输出端与微带传输线的输入端连接，电磁微波接收电路的电磁微波输入端与微带传输线的输出端连接，电磁微波接收电路的数字输出端与控制器的数字输入端连接；底电极层与信号处理模块的地连接；M个储液容器分别与M条微流道连通，M个储液容器的出口通过M个出口管路分别与M条微流道的入口连通，M个储液容器的入口通过M个入口管路分别与M条微流道的出口连通。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征是：还含有M个驱动泵，M个驱动泵分别串接在M个出口管路或M个入口管路上；控制器的M个抽液控制端分别与M个驱动泵的开关端连接。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征是：所述电磁微波发射电路中含有数模转换器、第二匹配电阻、第二匹配电容、信号发生器、第一带通滤波器、第一匹配电容和第一匹配电阻，控制器的数字输出端与数模转换器的输入端连接，数模转换器的输出端与第二匹配电阻的第一端连接，第二匹配电阻的第二端与信号发生器的输入端连接，第二匹配电阻的第二端还通过第二匹配电容接地，信号发生器的输出端与第一带通滤波器的输入端连接，第一带通滤波器的输出端与第一匹配电阻的第一端连接，第一带通滤波器的输出端还通过第一匹配电容接地，第一匹配电阻的第二端与微带传输线的输入端连接；
电磁微波接收电路中含有第三匹配电阻、第三匹配电容、第二带通滤波器、信号接收器、第四匹配电容、第四匹配电阻和模数转换器，微带传输线的输出端与第三匹配电阻的第一端连接，第三匹配电阻的第二端与第二带通滤波器的输入端连接，第三匹配电阻的第二端还通过第三匹配电容接地，第二带通滤波器的输出端与信号接收器的输入端连接，信号接收器的输出端与第四匹配电阻的第一端连接，信号接收器的输出端还通过第四匹配电容接地，第四匹配电阻的第二端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与控制器的数字输入端连接；
电源模块中含有直流电源和二极管，直流电源的正端通过正向连接的二极管与电磁微波发射电路﹑电磁微波接收电路和控制器的电源端连接，直流电源的负端接地。
8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征是：所述数模转换器的型号为：DA9220；模数转换器的型号为：AD9772；信号发生器的型号为：ADF4350；信号接收器的型号为：MAX7033；第一带通滤波器的型号为：MAX274；第二带通滤波器的型号为：LTC1562；控制器的型号为：STM32；直流电源为锂电池；储液容器为试管或玻璃器皿；驱动泵为蠕动泵。
9.一种权利要求5～8中任一项所述检测装置的检测方法，其特征是：N＝4，M＝2，4个开口谐振器形成2个开口谐振器对，每个开口谐振器对中的两个开口谐振器对称布设在微带传输线的两侧；2条微流道分别位于2个开口谐振器对的正下方；2个储液容器分别为第一储液容器和第二储液容器，2条微流道分别为第一微流道和第二微流道；检测方法如下：
步骤1﹑将样品A和样品B分别加入第一储液容器和第二储液容器中，样品A和样品B分别流入第一微流道和第二微流道中；
步骤2﹑控制器通过电磁微波发射电路输出原始电磁微波信号到微带传输线的输入端后，再通过电磁微波接收电路接收微带传输线的输出端输出的电磁微波信号，然后，控制器提取该电磁微波信号的谐振信息，该谐振信息中含有第一谐振频率X1和第一品质因数Y1；
步骤3﹑用去离子水清洗第一储液容器﹑第二储液容器﹑第一微流道﹑第二微流道以及它们之间连接的出口管路和入口管路,然后，将样品A和样品B分别加入第二储液容器和第一储液容器中，样品A和样品B分别流入第二微流道和第一微流道中；
步骤4﹑控制器通过电磁微波发射电路输出原始电磁微波信号到微带传输线的输入端后，再通过电磁微波接收电路接收微带传输线的输出端输出的电磁微波信号，然后，控制器提取该电磁微波信号的谐振信息，该谐振信息中含有第二谐振频率X2和第二品质因数Y2；
步骤5﹑控制器根据第一谐振频率X1﹑第一品质因数Y1﹑第二谐振频率X2和第二品质因数Y2计算出样品A的复合介电常数和样品B的复合介电常数：
ZA'＝-5.2943X1+0.0232X1 2-3.0205X1 3+0.8395Y1-0.1439Y1 2-0.0065Y1 3
ZA"＝-2.1203X2+0.0087X2 2-1.1348X2 3+68.0887Y2-1.6665Y2 2-0.0007Y2 3
ZB'＝-0.02400X1+0.000453X1 2-0.0000011X1 3+-0.49010Y1-14.93790Y1 2-0.020Y1 3
ZB"＝-4.48272X2+0.02303X2 2-0.0000364X2 3+5.87300Y2-0.12846Y2 2--0.002624Y2 3
其中，ZA'和ZA"分别为样品A的复合介电常数的实部和虚部，ZB'和ZB"分别为样品B的复合介电常数的实部和虚部；
步骤6﹑控制器将样品A的复合介电常数和样品B的复合介电常数与控制器内部存储单元中的复合介电常数数据库进行匹配，得到样品A和样品B的种类和浓度数据。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征是：所述步骤2和步骤4中，控制器提取电磁微波信号的谐振信息时采用的软件为：网络分析软件，版本号：A.09.10，设计单位：是德科技(中国)有限公司。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910279146.7A CN109916925B (zh) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | 液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910279146.7A CN109916925B (zh) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | 液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109916925A true CN109916925A (zh) | 2019-06-21 |
| CN109916925B CN109916925B (zh) | 2024-04-26 |
Family
ID=66968962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910279146.7A Active CN109916925B (zh) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | 液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109916925B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112033979A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-12-04 | 中南大学 | 一种基于超材料的化学液体微波传感器及其应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6707307B1 (en) * | 2000-05-30 | 2004-03-16 | Esi Environmental Sensors Inc. | Fluid sensor |
| CN102332896A (zh) * | 2011-08-18 | 2012-01-25 | 南京誉葆科技有限公司 | 嵌入式低相噪抗载稳频源及其设计方法 |
| CN106646023A (zh) * | 2016-10-25 | 2017-05-10 | 深圳安科高技术股份有限公司 | 一种射频发射线圈谐振点的检测方法和系统 |
| CN109031310A (zh) * | 2018-08-16 | 2018-12-18 | 南京信息工程大学 | S波段降水粒子散射测量仪、测量系统及测量方法 |
| CN209745845U (zh) * | 2019-04-09 | 2019-12-06 | 重庆大学 | 液态化学品检测传感器及检测装置 |
-
2019
- 2019-04-09 CN CN201910279146.7A patent/CN109916925B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6707307B1 (en) * | 2000-05-30 | 2004-03-16 | Esi Environmental Sensors Inc. | Fluid sensor |
| CN102332896A (zh) * | 2011-08-18 | 2012-01-25 | 南京誉葆科技有限公司 | 嵌入式低相噪抗载稳频源及其设计方法 |
| CN106646023A (zh) * | 2016-10-25 | 2017-05-10 | 深圳安科高技术股份有限公司 | 一种射频发射线圈谐振点的检测方法和系统 |
| CN109031310A (zh) * | 2018-08-16 | 2018-12-18 | 南京信息工程大学 | S波段降水粒子散射测量仪、测量系统及测量方法 |
| CN209745845U (zh) * | 2019-04-09 | 2019-12-06 | 重庆大学 | 液态化学品检测传感器及检测装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| HONG ZHOU ET AL.: "Multi-Band Sensing for Dielectric Property of Chemicals Using Metamaterial Integrated Microfluidic Sensor", 《SCIENTIFIC REPORTS》, vol. 8, pages 1 - 11 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112033979A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-12-04 | 中南大学 | 一种基于超材料的化学液体微波传感器及其应用 |
| CN112033979B (zh) * | 2020-09-03 | 2021-06-15 | 中南大学 | 一种基于超材料的化学液体微波传感器及其应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109916925B (zh) | 2024-04-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN209745845U (zh) | 液态化学品检测传感器及检测装置 | |
| CN107490727B (zh) | 一种复合微波传感器以及被测物的介电常数测量方法 | |
| CN102954948B (zh) | 光声光谱气体传感器 | |
| CN106483384B (zh) | 电介质介电常数微波测量装置 | |
| Sun et al. | Unloaded Q measurement-the critical points method | |
| CN110531164A (zh) | 基于siw-csrr的用于测量介电常数的微波传感器 | |
| CN204101640U (zh) | 非接触式cvt介质损耗测量系统 | |
| CN101975763A (zh) | 一体化探头式微球腔传感器 | |
| CN109916925A (zh) | 液态化学品检测传感器、检测装置及其检测方法 | |
| CN110133376A (zh) | 用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的微波传感器 | |
| CN108732472A (zh) | 基于高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统 | |
| CN107462774A (zh) | 一种新型介电特性测试装置以及测量方法 | |
| CN109253986A (zh) | 一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器 | |
| CN108802588A (zh) | 内置式gis用局部放电特高频与光脉冲联合检测系统及方法 | |
| CN114384095A (zh) | 一种基于三角形谐振器的平面微波传感器及浓度测量方法 | |
| CN107703159A (zh) | 管道内壁检测系统及方法 | |
| CN108279332A (zh) | 基于微流通道的流体介电常数微波测量装置 | |
| CN103091340A (zh) | 一种微带表面回音壁模传感器 | |
| CN208076659U (zh) | 基于高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统 | |
| CN1269201C (zh) | 太阳电池少数载流子寿命分析仪 | |
| CN113466263B (zh) | 一种非接触式溶液浓度无线测量装置 | |
| CN108572281A (zh) | 一种近场通信场强强度简易检测装置 | |
| CN102798659B (zh) | 一种用于检测传热管内壁缺陷的传感器 | |
| Gupta et al. | Modeling and simulation of on-chip probe for portable NMR applications | |
| CN102680781B (zh) | 一种校准器件及超材料谐振频率测试平台 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |