CN110274629A - 一种多功能集成式无线传感器组件及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能集成式无线传感器组件机检测方法，其包括检测元件和远端的接收元件，检测元件包括接地板和导体贴片，接地板和导体贴片之间设置有介质基片；导体贴片通过微带馈线与压控振荡器和二极管连接，接地板连接压控振荡器，压控振荡器与二极管连接；接收元件包括变频器，导体贴片通过接收天线与变频器无线连接。检测方法包括步骤S1‑S7；本方案能有效的对待检测物体同时实现压力、温度和湿度的检测，并且检测精度高，通过无线传输的方式向远端发送检测结果，抗干扰能力强。

Description

一种多功能集成式无线传感器组件及检测方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种多功能集成式无线传感器组件及检测方法
背景技术
传感技术在物联网的发展中起着非常重要的作用，通常我们需要同时测量压力、温度和湿度等多种参数，因此需要使用到多参数传感器。然而多参数传感器常常采用多个单一参数传感器集成的方式，通过将每个传感器采集的目标参数信号汇总处理后实现多参数的测量。这种方式的缺点在于每个被测参数都需要一个传感器与之对应，增加了整体电路的设计难度和成本。多参数传感器的另一种实现形式就是采用单一传感器来同时测试多种参数，根据测试数据曲线相位、幅度、周期和偏移等特征来分析不同参数的变化。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种采用单一检测元件实现压力、温度、湿度同时检测的多功能集成式无线传感器组件及检测方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种多功能集成式无线传感器组件，其包括检测元件和远端的接收元件，检测元件包括接地板和导体贴片，接地板和导体贴片之间设置有介质基片；导体贴片通过微带馈线与压控振荡器和二极管连接，接地板连接压控振荡器，压控振荡器与二极管连接；接收元件包括变频器，导体贴片通过接收天线与变频器无线连接。
进一步地，介质基片的材质为混合离子电子有机导电气凝胶。
进一步地，微带馈线与导体贴片一体成型，且微带馈线与导体贴片成“T”形结构。
一种多功能集成式无线传感器组件的检测方法，其包括以下步骤：
S1：当检测元件检测到物体表面的温度或湿度发生变化时，接地板和导体贴片之间产生电压V：
V＝S×ΔT，
其中S是介质基片的塞贝克系数，单位为V/K，ΔT是介质基片内部的温度差，单位为K；
S2：压控振荡器接收到电压V，并产生与电压V对应的温度/湿度差频率fv：
fv＝KVCO×V，
其中，KVCO是压控振荡器调谐线性度，单位为Hz/V；
S3：导体贴片接收远端发送的无线信号fi，然后通过微带馈线发送给二极管；
S4：二极管将无线信号fi和温度/湿度差频率fv进行混频，产生信号fmix：
fmix＝mfi+nfv，
其中，m，n都是整数，m+n称为阶数；
S5：信号fmix经过微带馈线发送给导体贴片，导体贴片再将信号fmix发送给远端的接收天线，进而发送给变频器；
S6：变频器产生本振信号fi对信号fmix进行混频，得到信号fr：
fr＝fmix-ifi＝(m-i)fi+nfv，
取m＝n＝i＝1，得到信号fr＝fv；
S7：采用信号fr中的恒定值fve，计算待测物体的表面温度T2：
其中，T1是待测物体周围的环境温度，Se是介质基片的电子塞贝克系数；
采用信号fr中的峰值信号fvpeak，计算湿度RH：
其中，Si是介质基片的离子塞贝克系数，a是介质基片的比例系数；
采用信号fmix输入矢量网络分析仪测试接地板、导体贴片和介质基片之间的谐振频率，得到检测的压力参数。
本发明的有益效果为：本方案能有效的对待检测物体同时实现压力、温度和湿度的检测，并且检测精度高，通过无线传输的方式向远端发送检测结果，抗干扰能力强；检测时，接地板安装在待检测物体的表面，当物体温度或环境湿度发生变化时，接地板和导体贴片之间会产生对应的温度差电压V。
压控振荡器将电压V作为调谐电压，产生对应的频率fv，并通过无线传输的方式发送给远端的变频器进行变频处理，进而计算出待检测物体的压力、温度和湿度。本方法将直流信号转换成电频信号，进行无线传输，并且单一检测元件可对多项参数进行测试，各参数信号相对独立，互不影响；检测结构简单，性能稳定。
附图说明
图1为多功能集成式无线传感器组件的信号传输原理图。
图2为检测元件的结构示意图。
其中，1、导体贴片，2、微带馈线，3、介质基片，4、接地板。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，多功能集成式无线传感器组件包括检测元件和远端的接收元件，检测元件包括接地板4和导体贴片1，接地板4和导体贴片1之间设置有介质基片3；导体贴片1通过微带馈线2与压控振荡器和二极管连接，接地板4连接压控振荡器，压控振荡器与二极管连接；接收元件包括变频器，导体贴片通过接收天线与变频器无线连接。
介质基片3的材质为混合离子电子有机导电气凝胶。微带馈线2与导体贴片1一体成型，且微带馈线2与导体贴片1成“T”形结构。
本方案能有效的对待检测物体同时实现压力、温度和湿度的检测，并且检测精度高，通过无线传输的方式向远端发送检测结果，抗干扰能力强；检测时，接地板4安装在待检测物体的表面，当物体温度或环境湿度发生变化时，接地板4和导体贴片1之间会产生对应的电压V。
一种多功能集成式无线传感器组件的检测方法包括以下步骤：
S1：当检测元件检测到物体表面的温度或湿度发生变化时，接地板4和导体贴片1之间产生电压V：
V＝S×ΔT，
其中S是介质基片3的塞贝克系数，单位为V/K，ΔT是介质基片3内部的温度差，单位为K；塞贝克效应(Seebeck effect)指出两种不同电导体或半导体的温度差异会引起两种物质间的电压差。
S2：压控振荡器接收电压V，并产生与电压V对应的温度/湿度差频率fv：
fv＝KVCO×V，
其中，KVCO是压控振荡器调谐线性度，单位为Hz/V，电压V作为压控振荡器调谐电压，并且信号fv经馈线进入二极管；
S3：导体贴片1接收远端发送的无线信号fi，然后通过微带馈线2发送给二极管；
S4：二极管将无线信号fi和温度/湿度差频率fv进行混频，产生信号fmix：
fmix＝mfi+nfv，
其中，m，n都是整数，m+n称为阶数；
S5：信号fmix再经过微带馈线2发送给导体贴片1，导体贴片1再将信号fmix发送给远端的接收天线，进而发送给变频器；
S6：变频器产生本振信号fi对信号fmix进行混频，得到信号fr：
fr＝fmix-ifi＝(m-i)fi+nfv，
其中i是正整数，通常m,n和i的值越小，对应信号的功率越大，更容易被接收和进行后续处理，因此选取m＝n＝i＝1，即fmix＝fi+fv，那么混频后fr＝fv。
S7：采用信号fr中的一个恒定值fve，计算待测物体的表面温度T2：
其中，T1是待测物体周围的环境温度，Se是介质基片3的电子塞贝克系数；
Si随相对湿度变化而变化，在一定的湿度环境下，当物体温度变化时，温度差电压V会先升至一个最大值Vpeak，一段时间后再降至一个恒定的电压值Ve＝Se×ΔT；因此温度差信号fv也会先升至一个最大值fvpeak，然后再降至一个恒定值fve。
采用信号fr中的一个峰值fvpeak，计算湿度RH：
其中，Si是介质基片3的离子塞贝克系数，a是介质基片3比例系数；
采用信号fmix输入矢量网络分析仪测试接地板4、导体贴片2和介质基片3之间的谐振频率，得到检测的压力参数。
本方法利用压控振荡器将电压V作为调谐电压，产生对应的频率fv，并通过无线传输的方式发送给远端的变频器进行变频处理，进而计算出待检测物体的压力、温度和湿度。直流信号直接转换成电频信号，进行无线传输，并且单一检测元件可对多项参数进行测试，各个参数信号相对独立，互不影响。

Claims (4)

1.一种多功能集成式无线传感器组件，其特征在于，包括检测元件和远端的接收元件，所述检测元件包括接地板(4)和导体贴片(1)，所述接地板(4)和导体贴片(1)之间设置有介质基片(3)；所述导体贴片(1)通过微带馈线(2)与压控振荡器和二极管连接，所述接地板(4)连接压控振荡器，所述压控振荡器与二极管连接；所述接收元件包括变频器，所述导体贴片通过接收天线与变频器无线连接。
2.根据权利要求1所述的多功能集成式无线传感器组件，其特征在于，所述介质基片(3)的材质为混合离子电子有机导电气凝胶。
3.根据权利要求1所述的多功能集成式无线传感器组件，其特征在于，所述微带馈线(2)与导体贴片(1)一体成型，且微带馈线(2)与导体贴片(1)成“T”形结构。
4.一种权利要求1-3任一项所述的多功能集成式无线传感器组件的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：当检测元件检测到物体表面的温度或湿度发生变化时，接地板(4)和导体贴片(1)之间产生电压V：
V＝S×ΔT，
其中S是介质基片(3)的塞贝克系数，单位为V/K，ΔT是介质基片(3)内部的温度差，单位为K；
S2：压控振荡器接收到电压V，并产生与电压V对应的温度/湿度差频率fv：
fv＝KVCO×V，
其中，KVCO是压控振荡器调谐线性度，单位为Hz/V；
S3：导体贴片(1)接收远端发送的无线信号fi，然后通过微带馈线(2)发送给二极管；
S4：二极管将无线信号fi和温度/湿度差频率fv进行混频，产生信号fmix：
fmix＝mfi+nfv，
其中，m，n都是整数，m+n称为阶数；
S5：信号fmix经过微带馈线(2)发送给导体贴片(1)，导体贴片(1)再将信号fmix发送给远端的接收天线，进而发送给变频器；
S6：变频器产生本振信号fi对信号fmix进行混频，得到信号fr：
fr＝fmix-ifi＝(m-i)fi+nfv，
取m＝n＝i＝1，得到信号fr＝fv；
S7：采用信号fr中的恒定值fve，计算待测物体的表面温度T2：
其中，T1是待测物体周围的环境温度，Se是介质基片(3)的电子塞贝克系数；
采用信号fr中的峰值信号fvpeak，计算湿度RH：
其中，Si是介质基片(3)的离子塞贝克系数，a是介质基片(3)的比例系数；
采用信号fmix输入矢量网络分析仪测试接地板(4)、导体贴片(1)和介质基片(3)之间的谐振频率，得到检测的压力参数。
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