CN111856148B - 一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，属于传感器技术领域。包括介质基板和立体容器结构；所述介质基板包括两个馈电端口、两组λ/4阶跃阻抗谐振器、一个矩形辐射贴片，辐射贴片中间加载CSRR结构；立体容器结构位于介质基板中央，底部为介质基板，通过两条平行耦合线实现馈电。本发明在结构上通过λ/4阶跃阻抗谐振器实现匹配，与传统微带均匀阻抗传输线相比，在设计上多一个自由度，可以通过调节各段传输线的长度和宽度来实现相应的谐振频率，在设计上实现阻抗匹配更加灵活。所设计的传感器利用具有微带结构的介质基板搭建液体盛放的容器，增强了待测区域的电场强度，对介电常数的变化更加敏感，显著增强了传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器。
背景技术
微波法的原理是首先把所希望检测的介电常数转化为传感器可以测量到的与微波有关的电磁参量，如S参数或谐振频率偏移量。然后建立起介电常数与电磁参量之间的测量关系，最后通过一定的换算用后者来表示前者。该方法优势是无接触检测、自动化检测、检测对象的适用范围大以及检测速率快和连续工作时间长。同时，基于微波谐振结构的微波传感器还具有测试精度较高、体积较小等优点。
Fereshteh Sadat Jafari等人提出了一种基于衬底集成波导的腔体传感器（Fereshteh Sadat Jafari, Javad Ahmadi-Shokouh, Reconfigurable microwave SIWsensor based on PBG structure for high accuracy permittivity characterizationof industrial liquids, Sensors and Actuators A: Physical, 283（2018）386-395），采用了光子带隙法和可变电容，利用腔微扰技术来计算相对介电常数，该方法和装置适用于石油老化程序的检测。但是该传感器无法进行固体物质测试，同时灵敏度仅为13.85MHz/单位。
Jha A K等人提出设计并制作了一种新型微波SIW腔液体介电常数传感器（Jha AK, Akhtar M J. SIW cavity based RF sensor for dielectric characterization ofliquids[C]// Antenna Measurements & Applications. IEEE, 2014.），用于检测和测定普通液体在2.45GHz下的介电常数。该技术是基于谐振腔微扰理论。所研制的传感器是传统矩形腔体的微型化版本，结构紧凑，灵敏度较高。利用水对制备的SIW腔进行了标定，为微扰系数的计算提供了简便的方法。对不同类型的液体进行了测试，验证了灵敏度，得到的结果与发表的数据吻合较好。
Reyes-Vera Erick等人提出提出了一种非侵入性、可重复使用和可潜水的介电常数传感器（Reyes-Vera Erick, Acevedo-Osorio G, Arias-Correa Mauricio, SeniorDavid E. A Submersible Printed Sensor Based on a Monopole-Coupled Split RingResonator for Permittivity Characterization. [J]. Sensors (Basel,Switzerland), 2019,19(8).），它使用微波技术来表征液体材料的介电特性。该器件由两个集成单极天线激励的分裂环谐振腔构成。传感原理是基于谐振腔在透射系数中引入的陷波，该陷波由于传感器在新型液体材料中的引入而受到影响。然后，陷波的频移和传感器的品质因数与周围介质的变化有关。通过特定的实验程序，使用商用液体获得校准曲线。由此得到了求解未知介电性能液体材料介电常数的数学方程。
以上利用微波法测液体溶液的介电常数，目前主要分为两种。一种是将微波谐振器件作为探头式，放入液体溶液中，通过检测探头加入溶液前后的电磁参量变化，反推待测液体的介电常数。这个方法的优点在于溶液和待测样品能充分接触，能增强传感器对待测样品测试的灵敏度，不足在于微波器件侵入液体中，会对液体造成污染，同时也会对传感器造成破坏；另一种方法是在微波谐振结构的电场最强处放置石英玻璃管或塑料管等容器，然后将待测液体盛放于容器中进行测量。这个方法能有效避免待测液体与传感器的相互污染，但是由于传感器多为平面结构，因此容器电场最强的区域一般为一个二维截面，电场作用不强；受容器加工工艺的限制，当容器厚度较大时，传感器产生的电场经过容器会大大衰减，作用到容器内的信号就会比较微弱。这种情况下，传感器的灵敏度会显著降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，包括介质基板8和立体容器结构6；
所述介质基板8包括两个馈电端口1、两组λ/4阶跃阻抗谐振器2、一个矩形辐射贴片3，辐射贴片3中间加载CSRR结构4；
立体容器结构6位于介质基板8中央，底部为介质基板，通过两条平行耦合线5实现馈电。
可选的，所述介质基板8为双端口微波谐振结构，包含50欧姆微带线的馈电端口1，中部为加载CSRR结构4的矩形辐射贴片3，辐射贴片3与微带线通过λ/4阶跃阻抗谐振器2实现匹配。
可选的，所述辐射贴片3通过在金属平面蚀刻出CSRR4来提高微波电路的谐振特性，CSRR结构4的开口方向与微带线平行；
CSRR结构4环缝隙的长度为0.2mm,内径为4mm，内外环相距0.3mm。
可选的，所述立体容器结构6位于介质基板8中央，底部为介质基板，立体容器结构6的四壁外侧为微带线，通过λ/4阶跃阻抗谐振器2处的平行耦合线5实现馈电；内侧为四个与底面CSRR结构4完全相同的SRR结构7。
可选的，所述立体容器结构6四个侧面的内侧中心为四个形状大小完全一致的SRR结构7，其中外环的开口方向朝下；
SRR结构7环缝隙的长度为0.2mm,内径为4mm，内外环相距0.3mm。
可选的，所述介质基板8为Rogers5880，相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm；
所述立体容器结构6的材质为Rogers5880，相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.127mm。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明在结构上通过λ/4阶跃阻抗谐振器实现匹配，与传统微带均匀阻抗传输线相比，在设计上多一个自由度，可以通过调节各段传输线的长度和宽度来实现相应的谐振频率，在设计上实现阻抗匹配更加灵活。
（2）所设计的传感器利用具有微带结构的介质基板搭建液体盛放的容器，使传感器电场最强的区域由一个平面增加到了5个平面，因此对介电常数的变化更加敏感，显著增强了传感器的灵敏度。
（3）本发明在测试结果上，当待测液体介电常数由1变化至10时，谐振频率偏移量达到1.99GHz，单位频偏接近100MHz，灵敏度为3.45%，由此利用反演法计算待测液体介电常数精度较高。
（4）本发明实验过程中，在待测液体与容器壁之间加易于更换的塑料薄膜，将液体盛放于薄膜内，可以有效避免待测液体与传感器的相互污染。同时由于薄膜厚度可以很小，因此传感器的电场损耗较小。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明提供的一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器结构示意图；
图2为本发明的实施例仿真得到的待测液体介电常数与传感器谐振频率关系图；
图3为本发明的实施例仿真得到的待测液体介电常数与谐振频率的关系拟合图；
图4为利用本发明的实施例进行液体介电常数检测的示意图。
附图标记：1-馈电端口，2-λ/4阶跃阻抗谐振器，3-辐射贴片，4-CSRR结构，5-平行耦合线，6-立体容器结构，7-SRR结构，8-介质基板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为本发明提供的一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器结构示意图。1为馈电端口，2为λ/4阶跃阻抗谐振器，3为辐射贴片，4为CSRR结构，5为平行耦合线，6为立体容器结构，7为SRR结构，8为介质基板。传感器由介质基板和立体容器结构组成。介质基板为双端口微波谐振结构，包含50欧姆微带线的输入输出端口，端口长度为14mm，宽度为2.4mm，中部为加载互补开口谐振环（CSRR）结构的矩形辐射贴片，贴片长度和宽度均为12.3mm，辐射贴片与微带线通过λ/4阶跃阻抗谐振器实现匹配，阻抗谐振器长为10mm，宽为1mm。CSRR的开口方向与微带线平行。CSRR环缝隙的长度为0.2mm，内径为4mm，内外环相距0.3mm。立体容器位于介质基板中央，底部为介质基板，容器的四壁外侧为微带线，通过λ/4阶跃阻抗谐振器处的平行耦合线实现馈电，水平方向上，耦合线在介质基板上的长度为9.56mm，与输入输出端口间距0.15mm，与阻抗谐振器距离0.15mm；垂直方向上耦合线在介质基板上的高度为6.5mm，容器的四个侧壁厚度为0.127mm，高度为12.3mm，侧壁的内侧中央为结构完全相同的开口谐振环（SRR），其中外环的开口垂直向下。SRR环缝隙的长度为0.2mm,内径为4mm，内外环相距0.3mm。该传感器的介质基板的板材为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm，尺寸为60.3mm*15mm*0.787mm，上下两层金属铜箔厚度均为0.018mm。容器的板材为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.127mm，每块的尺寸为12.3mm*12.3mm*0.127mm，上下两层金属铜箔厚度均为0.018mm。
图2为本发明的实施例仿真得到的相对介电常数与谐振频率关系图。从其仿真结果可知，当待测液体介电常数由1变化至10时，传感器的谐振频率从7.689GHz偏移至5.669GHz，频率偏移量为1.99GHz，单位频偏达接近200MHz，灵敏度为3.45%。
图3为本发明的实施例仿真得到的介电常数与频率偏移的关系拟合图。其中黑色高亮处为谐振频点的位置，黑色虚线描述了谐振频率随介电常数偏移的轨迹。由该曲线，拟合得到介电常数与传感器谐振频率（GHz）的数字关系如下式所示。
图4为利用本发明的实施例进行液体介电常数检测的示意图。进行介电常数测试的时候，紧贴容器内侧壁添加一层普通塑料薄膜，将待测物体放置于容器薄膜内，传感器两端口连接矢量网络分析仪读取谐振频率，进而通过图3已建立的该电路结构下的液体介电常数计算模型，即可得到待测液体的介电常数。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，其特征在于：包括介质基板（8）和立体容器结构（6）；
所述介质基板（8）包括两个馈电端口（1）、两组λ/4阶跃阻抗谐振器（2）、一个矩形辐射贴片（3），辐射贴片（3）中间加载CSRR结构（4）；
立体容器结构（6）位于介质基板（8）中央，底部为介质基板，通过两条平行耦合线（5）实现馈电；
所述介质基板（8）为双端口微波谐振结构，包含50欧姆微带线的馈电端口（1），中部为加载CSRR结构（4）的矩形辐射贴片（3），辐射贴片（3）与微带线通过λ/4阶跃阻抗谐振器（2）实现匹配；
所述辐射贴片（3）通过在金属平面蚀刻出CSRR（4）来提高微波电路的谐振特性，CSRR结构（4）的开口方向与微带线平行；
CSRR结构（4）环缝隙的长度为0.2mm,内径为4mm，内外环相距0.3mm；
所述立体容器结构（6）位于介质基板（8）中央，底部为介质基板，立体容器结构（6）的四壁外侧为微带线，通过λ/4阶跃阻抗谐振器（2）处的平行耦合线（5）实现馈电；内侧为四个与底面CSRR结构（4）完全相同的SRR（7）。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，其特征在于：所述立体容器结构（6）四个侧面的内侧中心为四个形状大小完全一致的SRR结构（7），其中外环的开口方向朝下；
SRR结构（7）环缝隙的长度为0.2mm,内径为4mm，内外环相距0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，其特征在于：所述介质基板（8）为Rogers5880，相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm；
所述立体容器结构（6）的材质为Rogers5880，相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.127mm。
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