CN112985635B - 基于pt对称的无线温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PT对称的无线温度传感器，包括：损耗层、第一电感层、第二电感层和增益层，其中，近距离传感时，无线温度传感器由损耗层、第一电感层和增益层依次相连而成，损耗层和第一电感层之间为铌酸锂材料，其余空间为空气；远距离传感时，无线温度传感器由损耗层、第一电感层、第二电感层和增益层依次相连而成，损耗层与第一电感层之间为铌酸锂材料，第一电感层和第二电感层之间为空气，第二电感层和增益层之间为空气。该无线温度传感器采取读取固定波长处的透射率大小，可以简化数据读取过程，同时，可以通过改变传感器中电感层的放置方式和个数，可调整传感器近距离传感模式和远距离传感模式，实现在高温恶劣环境下温度的测试。

Description

基于PT对称的无线温度传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种基于PT对称结构的无线温度传感器。

背景技术

21世纪是信息化的时代，传感技术作为信息产业的支柱之一，已经成为衡量国家信息化程度的重要标准。在过去的数十年，尤其是在认识到一些满足宇称时间(Parity-time,PT)对称性的非厄米算符具有类似于厄米算符的实数本征值性质之后，基于PT对称系统的传感设计受到科研工作者们的广泛关注。PT对称系统增强弱微扰传感灵敏度的性质得到理论解释之后，被广泛应用于各种物理参数的传感研究，主要包括粒子检测、温度传感、折射率传感、光学陀螺仪和石墨烯生物化学传感等方面。

温度是主要的环境参数之一，温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器占整个传感器总需求量的40％以上。但传统的温度传感器存在以下不足：第一，制造过程的复杂性使其成本很高。第二，大多数传感方案采取测量透射峰的位置移动，读取数据方面比较繁琐。第三，传统温度传感器没有增益机制，存在透射波强度太小以至于无法检测的问题。第四，传统的引线式温度传感器在高温环境下容易失效。因此本发明提出一种基于PT对称结构的无线温度传感器。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于PT对称的无线温度传感器。

为达到上述目的，本发明实施例提出了基于PT对称的无线温度传感器，包括：损耗层、第一电感层、第二电感层和增益层，其中，近距离传感时，从左至右依次设置所述损耗层、所述第一电感层和增益层，所述损耗层和所述第一电感层之间为铌酸锂材料，所述第一电感层和所述增益层之间为空气，且所述损耗层和所述第一电感层之间的距离与所述第一电感层和所述增益层之间的距离相同；远距离传感时，从左至右依次设置所述损耗层、所述第一电感层、所述第二电感层和所述增益层，所述损失层和所述第一电感层之间为铌酸锂材料，所述第一电感层和所述第二电感层之间为空气，所述第二电感层和所述增益层之间为空气，且所述损耗层和所述第一电感层之间的距离与所述第二电感层和所述增益层之间的距离相同。

本发明实施例的基于PT对称的无线温度传感器，利用PT对称结构对入射波进行放大，即使透射峰位置随气体浓度变化幅度很小，透射率也可以发生数个dB的变化，且透射率的绝对值都大于0dB，不仅简化了后续处理流程，也有助于提升传感器灵敏度；同时，可以通过改变传感器中电感层的放置方式和个数，实现传感器近距离传感模式和远距离传感模式，以适应更加灵活多变的应用场景。

另外，根据本发明上述实施例的基于PT对称的无线温度传感器还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，近距离传感时，所述损耗层和所述第一电感层之间的距离为四分之一波长，所述第一电感层和所述增益层之间的距离为四分之一波长。

进一步地，在本发明的一个实施例中，远距离传感时，所述损耗层和所述第一电感层之间的距离为四分之一波长，所述第二电感层和所述增益层之间的距离为四分之一波长。

进一步地，在本发明的一个实施例中，远距离传感时，所述第一电感层和所述第二电感层之间的距离为预设波长的整数倍。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述损失层的表面阻抗与空气波阻抗匹配为377Ω，所述增益层的表面阻抗为-377Ω。

进一步地，在本发明的一个实施例中，近距离传感和远距离传感的电磁波均从所述损耗层一侧入射。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的基于PT对称的近距离无线温度传感器的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的基于PT对称结构的近距离无线温度传感器的等效传输线模型图；

图3是本发明一个实施例的基于PT对称结构的近距离无线温度传感器的等效电路模型图；

图4是本发明一个实施例的基于PT对称的远距离无线温度传感器的结构示意图；

图5是本发明一个实施例的基于PT对称结构的远距离无线温度传感器的等效传输线模型图；

图6是本发明一个实施例的基于PT对称近距离传感结构的透射幅度曲线图；

图7是本发明一个实施例的基于PT对称近距离传感结构在固定频率处透射谱的变化与铌酸锂材料介电常数的曲线图；

图8是本发明一个实施例的基于PT对称近距离传感结构在固定频率处透射峰的大小与铌酸锂材料介电常数的关系图；

图9是本发明一个实施例的基于PT对称近距离传感结构在固定频率处透射峰的变化与温度的关系图；

图10是本发明一个实施例的基于PT对称远距离传感结构透射峰的大小和两个电感层之间的距离的曲线图；

图11是本发明一个实施例的基于PT对称远距离传感结构在固定频率处透射峰的变化与温度的关系图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于PT对称的无线温度传感器。

该基于PT对称的无线温度传感器10包括：损耗层100、第一电感层200、第二电感层300和增益层400。

如图1所示，近距离传感时，从左至右依次设置损耗层100、第一电感层200和增益层400，损耗层100和第一电感层200之间为铌酸锂材料，第一电感层200和增益层400之间为空气，且损耗层100和第一电感层200之间的距离与第一电感层200和增益层400之间的距离相同。

其中，铌酸锂材料在加热过程中会引起介电常数的变化，可将温度变化量转换为某一固定波长处的光强变化量或光谱漂移量，因此可将其应用于温度检测。

进一步地，如图2和3所示，对于近距离传感结构，损耗层100和第一电感层200之间的距离为四分之一波长，第一电感层200和增益层400之间的距离为四分之一波长，损耗层100表面阻抗与空气波阻抗匹配为377Ω，增益层为-377Ω，电感层为0.1pH。

举例而言，在预设频率为6GHz下，损耗层100与第一电感层200之间的距离为四分之一波长，即d₁＝25mm，第一电感层200与增益层400之间的距离也为四分之一波长，即d₂＝25mm。

进一步地，对于近距离的无线温度传感器结构采用单侧激励，电磁波从损耗层100一侧入射，其中，该电磁波设计的频率在微波段，即可以拓展到太赫兹，红外以及可见光波段。

如图4所示，远距离传感时，从左至右依次设置损耗层100、第一电感层200、第二电感层300和增益层400，损失层100和第一电感层200之间为铌酸锂材料，第一电感层200和第二电感层300之间为空气，第二电感层300和增益层400之间为空气，且损耗层100和第一电感层200之间的距离与第二电感层300和增益层400之间的距离相同。

进一步地，如图5所示，远距离传感时，损耗层100和第一电感层200之间的距离为四分之一波长，第二电感层300和增益层400之间的距离为四分之一波长，第一电感层200和第二电感层300之间的距离为预设波长的整数倍，损耗层100表面阻抗与空气波阻抗匹配为377Ω，增益层为-377Ω，电感层为0.1pH。其中，随着距离的增大，传感性能不会下降。

举例而言，在预设频率为6GHz下，损耗层100与第一电感层200之间的距离为四分之一波长，即d₁＝25mm，两个电感层之间的距离为波长的整数倍，本发明采取方案为12倍波长，即d_f＝600mm，第二电感层300与增益层400之间的距离也为四分之一波长，即d₂＝25mm。

进一步地，对于远距离的无线温度传感器结构采用单侧激励，电磁波从损耗层100一侧入射，其中，该电磁波设计的频率在微波段，即可以拓展到太赫兹，红外以及可见光波段。

具体地，本发明提出的基于PT对称的近距离无线温度传感器的工作过程为：在PT对称结构中嵌入热光材料铌酸锂，该材料的特点是折射率会随温度变化而变化，传感器的折射率与透射率存在一一对应的关系，利用传输矩阵法计算透射率谱线，结果显示出在不同的温度下，铌酸锂的折射率发生变化，对于固定波长的入射波，该传感结构透射率会随着折射率变化而变化，因此通过检测透射率就可以实现温度传感，并且由于PT对称的配置导致结构具有独特的增益放大效应，可以使透射率远大于一不仅简化了后续处理流程，也有助于提升传感器灵敏度，另外，还可通过改变传感器的结构配置，可以实现近距离和远距离两种传感模式，以适应更加灵活多变的使用场景。

下面通过实验数据对本发明提出的基于PT对称结构的无线温度传感器进一步说明。

根据图6可以看出，超窄带和尖峰散射响应可用于设计高灵敏度和高分辨率的温度传感器。并且PT对称结构对入射波具有放大作用，透射率大于30dB。

如图7所示，通过改变铌酸锂材料的介电常数，PT对称传感结构的透射率在固定频率处发生了变化，介电常数的三个值52、53和54分别对应于固定频率5.99GHz处的三个峰值。从图中可以看出，透射率和介电常数是一一对应的。

图8和图9分别展示了对于近距离传感结构中固定频率处透射率的大小和介电常数、温度的关系，传感器的透射率分别在450℃和500℃时达到了极大值35.196dB和极小值31.396dB，这意味着温度每变化1摄氏度，透射率将变化约2％。整个温度区间内灵敏度几乎为一固定值，这样有利于传感器进行线性标定，从而能够正确读数。这不仅简化了后续处理流程，也有助于提升传感器灵敏度。

如图10所示，对于远距离传感结构，当铌酸锂材料介电常数为55时，第一电感层和第二电感之间的距离分别为3倍波长，6倍波长，9倍波长，12倍波长时的透射谱，从图中可以看出随着距离的增大，左边的谐振峰峰值在减小。当两个电感层之间的距离越远，越有利于传感，可以把左边透射峰的影响降低到最小。因此本发明选取了12倍波长的距离，用来研究了透射率和温度之间的关系。

如图11所示，从图中可以看出传感器的透射率分别在450℃和500℃时达到了极大值34.997dB和极小值31.198dB，这意味着温度每变化1摄氏度，透射率将变化约2％。从图11可以看到和近距离传感相比，远距离传感的性能并没有下降。

本发明实施例提出的基于PT对称的无线温度传感器，利用PT对称结构对入射波进行放大，即使透射峰位置随气体浓度变化幅度很小，透射率也可以发生数个dB的变化，且透射率的绝对值都大于0dB，不仅简化了后续处理流程，也有助于提升传感器灵敏度；同时，可以通过改变传感器中电感层的放置方式和个数，实现传感器近距离传感模式和远距离传感模式，以适应更加灵活多变的应用场景。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于PT对称的无线温度传感器，其特征在于，包括：损耗层、第一电感层、第二电感层和增益层，其中，

近距离传感时，从左至右依次设置所述损耗层、所述第一电感层和增益层，所述损耗层和所述第一电感层之间为铌酸锂材料，所述第一电感层和所述增益层之间为空气，且所述损耗层和所述第一电感层之间的距离与所述第一电感层和所述增益层之间的距离相同均为四分之一波长；

远距离传感时，从左至右依次设置所述损耗层、所述第一电感层、所述第二电感层和所述增益层，所述损耗 层和所述第一电感层之间为铌酸锂材料，所述第一电感层和所述第二电感层之间为空气，所述第二电感层和所述增益层之间为空气，且所述损耗层和所述第一电感层之间的距离与所述第二电感层和所述增益层之间的距离相同均为四分之一波长。

2.根据权利要求1所述的基于PT对称的无线温度传感器，其特征在于，远距离传感时，所述第一电感层和所述第二电感层之间的距离为预设波长的整数倍。

3.根据权利要求1所述的基于PT对称的无线温度传感器，其特征在于，所述损耗 层的表面阻抗与空气波阻抗匹配为377Ω，所述增益层的表面阻抗为-377Ω。

4.根据权利要求1所述的基于PT对称的无线温度传感器，其特征在于，近距离传感和远距离传感的电磁波均从所述损耗层一侧入射。

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