CN113295112A - 一种实现高动态范围的微波位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现高动态范围的微波位移传感器，包括定子、动子；定子由三层构成：顶层包括两条金属制的微带；中间层采用介质板；底层是金属薄片；两条微带呈长方形状，两条微带平行同向对称设置于中间层的上表面；底层的金属薄片设置于中间介质板的下表面；动子由两层构成：下层是方形金属补丁；上层采用方形介质板；金属补丁设置于上层的下表面；动子金属补丁的两端与定子的两条微带分别相触而形成电接触，动子能沿定子微带长度方向移动。本发明实现高动态范围的微波位移传感器，能够在较大的尺度上对待测物体的偏移量进行测量，同时可以在一定范围内保证测量的灵敏度。

Description

一种实现高动态范围的微波位移传感器
技术领域
本发明属于微波传感器技术领域，具体涉及一种实现高动态范围且动态范围可调的微波位移传感器。
背景技术
微波传感器以高灵敏度、鲁棒性、低制造和测量成本等优点，在医疗、生物医学、工业等诸多领域发挥着重要作用。基于不同的原理，研究人员开发了诸如材料识别、湿度感应及材料缺陷检测等功能的微波传感器。
由于对某一物体位移量的测量在许多任务中都是至关重要的，如航天飞行器等领域，近年来出现了许多种类的基于各种原理的形态各异的位移、角度传感器。微波位移传感器的一般策略是待测物体与传感器一部分的可动结构相连接，或是谐振结构，或是微波电路的某一部分，而待测物体的移动将携带传感器可动部分一起移动，且这个部分的移动将改变微波电路或其中谐振单元一部分的性质或引发不同的耦合效应，进而可以从传感器端口获得的输出信号中提取待测物体移动量的信息。
对于微波角度/位移传感器而言，几个比较重要的指标有如下几个：第一是灵敏度，测量一个微小的位移量尤其需要更高的灵敏度，更高的灵敏度通常意味着更加精确的测量结果；第二是动态范围，对于不同的应用，需要的动态范围通常是不同的，同时更大的动态范围与更高的灵敏度通常是不可并存的，也就是说动态范围与灵敏度之间需要做出选择，更大的动态范围往往是以灵敏度作为代价的；第三是设计的尺寸相对于动态范围的大小，一些设计在测量一定动态范围内的位移量时使用了很大的电路面积，会使得整体的器件尺寸相对来说过大；第四时传感器的操作频率，从应用的角度考虑，更低的操作频率时更好的。虽然研究人员已经提出了各种类型、各种原理的传感器，然而这些传感器通常动态范围过小，或是灵敏度不足。且对于传感器而言，传感器灵敏度的高低也显得尤为重要，一个传感器拥有更高的灵敏度说明其能够对待测物体位置的微小变化实现更准确、更精确地区分。另外还有一部分微波传感器由于其工作原理的性质难以在尺度上进行扩展，因此其应用范围也受到了限制。因而，研发一种高动态范围高灵敏度同时具备可扩展性的微波位移传感器是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高动态范围的可扩展微波位移传感器，能够在较大的尺度上对待测物体的偏移量进行测量，同时可以在一定范围内保证测量的灵敏度。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种实现高动态范围的微波位移传感器，其包括定子、动子；定子由三层构成：顶层包括两条金属制的微带；中间层采用介质板；底层是金属薄片；两条微带呈长方形状，两条微带平行同向对称设置于中间层的上表面；底层的金属薄片设置于中间介质板的下表面；动子由两层构成：下层是方形金属补丁；上层采用方形介质板；金属补丁设置于上层的下表面；动子金属补丁的两端与定子的两条微带分别相触而形成电接触，动子能沿定子微带长度方向移动。
优选的，两条微带贴近介质板边缘的一端分别为输入端口、输出端口，形成二端口网络，输入端口、输出端口分别与一个SMA头相连接。
优选的，定子的底层采用完整的金属薄片作为整个位移传感器的底面。
优选的，定子介质板的介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为0.762mm。
优选的，定子介质板的长度为30mm，宽度为20mm。
优选的，动子介质板的材料与定子介质板的材料相同。
优选的，动子的长度为19mm，宽度为5mm。
本发明具有可扩展性，可以在制作时通过修改图纸中定子的长度或是以等比缩放的方式调整来改变整体的动态范围或灵敏度。由于结构的工作原理在于动子之上短截线部分的长度改变而影响传输零点的频率点，因此本发明的等效微波电路其他部分由于定子移动而产生的改变对于最终输出结果的影响相较于短截线长度改变的影响基本可以忽略不计，因此可以在由于谐振点的周期性出现导致重叠谐振点的情况出现以前，都可以通过延伸定子上微带结构的长度来在维持灵敏度不改变的情况下增加传感器的动态范围。当出现了传输零点周期性影响测量的情况时，可以通过等比放大的方法来进一步扩大传感器的动态范围。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
第一，微波传感器设计能够较大程度地应用介质板上的空间，使得在测量同等程度的动态范围时，相较于现有技术其他结构器件所占用的空间更小。第二，这一设计拥有更大的动态范围，并且在一定的扩展范围内维持稳定、相对较高的灵敏度，意味着本发明传感器能够在小范围移动下给出更加精确的结果。第三，在面对环境的变化时，如温度、湿度等变化较大的环境因素影响之下，本发明的设计原理仍能保证其可以给出一个相对精确的测量值，且操作频率更低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的参数标注图；
图3是本发明二端口传输系数随动子位移量变化的示意图；
图4为延长定子长度后的二端口传输系数随动子位移量的变化示意图；
图5为延长前与延长后测量时传输零点之间的对比图。
具体实施方式
下面将结合附图具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示为本发明一种优选实施例的结构示意图。本实施例实现高动态范围的微波位移传感器包括定子、动子，两者结构具体如下描述。
定子由三层构成：顶层1-1包括两条金属制的微带；中间层1-2采用罗杰斯4350系列的介质板；底层1-3是金属薄片。
定子顶层的两条微带呈长方形状，两条微带平行同向对称设置于中间层1-2的上表面，终端均近似断路，或可以视为由一电容接至地面。两条微带贴近介质板边缘的一端分别为输入端口1-4、输出端口1-5，形成二端口网络，两个端口分别与一个SMA头相连接，SMA头则与矢量网络分析仪相连接。上述微带结构参数均按照50欧姆的标准进行设置以匹配外部的测量电路，以防止损耗。底层的金属薄片1-3设置于中间介质板1-2的下表面，本实施例中，底层是完整的金属薄片作为整个传感器的底面，保证信号的完整性不受影响。两条微带地另一端各设有通孔1-6。
动子与待测物体相连，以测量其相对定子的位移量。动子由两层构成：下层2-1是方形的金属补丁；上层2-2采用了罗杰斯4350系列的方形介质板。下层金属补丁2-1设置于上层2-2的下表面。
动子金属补丁2-1的两端与定子的两条微带1-1分别相触而形成电接触，动子能沿定子微带长度方向移动，通过动子沿定子移动的相对位移量对处于动子之上定子短截线部分的剩余长度的调整，进而影响输出的传输零点所处的频率点。根据工艺考量，动子的介质板尺度大于其上金属补丁部分尺度，且金属补丁的参数仍然维持50欧姆微带线参数的设置，而介质板的宽度则大于其金属补丁部分的宽度设置为5mm。
本实施例中，定子介质层，其介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为0.762mm。整个定子介质板的长度为30mm，宽度为20mm。动子的介质板材料与定子相同，长度为19mm，宽度为5mm。
如图2所示为结构的参数标注图。其中，L1表示定子介质板的长度，W1表示定子介质板的宽度；L2表示动子介质板的长度，W2表示动子介质板的宽度；Ls表示定子上方形微带结构的长度，Ws表示定子上方微带结构的宽度；Lm表示动子上金属层的长度，Wm表示动子上金属层的宽度；D表示定子上两个微带结构之间横向的距离；Ts表示定子介质板的厚度，Tm表示动子介质板的厚度，Tmetal表示定子、动子上的金属层厚度。通过优化得到各个参数的数值，如下表1所示：
表1
参数 L1 W1 L2 W2 Ls Ws
数值(mm) 30 20 19 5 16 1.69
参数 Lm Wm D Ts Tm Tmetal
数值(mm) 19 1.69 17.85 0.762 0.762 0.035
如图3所示为本发明的双端口一定频率范围内随定子位移量变化的传输系数图。随着动子相对定子向一个方向移动，传输零点的位置发生了单调性的变化。根据输出型号传输零点的位置，即可以推断待测物体位移的情况。此处的测量方式体现出了灵敏度的意义，另外对于环境改变时表现的稳定性作为本发明的优势也能更加精确的给出测量的结果。
如图4所示为本发明在以延长定子的方式增大动态范围时的二端口网络传输系数性质的图，显示了在扩大定子的长度的条件下，传感器的灵敏度依然维持了稳定。延长了定子后，对于相同的动子位移量，定子延长后与未延长的传感器基本给出了一致的结果，而延长定子后的传感器有了更大的动态范围。
如图5所示为延长定子前后的传感器传输零点对比图。在未延长的传感器动态范围内，两个传感器的结果基本重合；而延长以后的传感器则可以测量更大范围的待测物体或动子的移动状况，其代价是会在一度程度上增加器件的尺寸。
本发明中，动子与待测物体相连，一个方向上的运动将会使短截线的长度延长，进而影响传输零点频率的位置。通过传输系数图(如图4)中的传输零点的位置，即可判断物体移动的偏移量。因此，本发明传感器具备测量待测物体不同位移量的功能，不仅具有高灵敏度和高精度的优良性能，而且结构简单、测量范围广、实用性很强。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种实现高动态范围的微波位移传感器，其特征是包括定子、动子；
定子由三层构成：顶层包括两条金属制的微带；中间层采用介质板；底层是金属薄片；两条微带呈长方形状，两条微带平行同向对称设置于中间层的上表面；底层的金属薄片设置于中间介质板的下表面；
动子由两层构成：下层是方形金属补丁；上层采用方形介质板；金属补丁设置于上层的下表面；动子金属补丁的两端与定子的两条微带分别相触而形成电接触，动子能沿定子微带长度方向移动。
2.如权利要求1所述实现高动态范围的微波位移传感器，其特征是，两条微带贴近介质板边缘的一端分别为输入端口、输出端口，形成二端口网络，输入端口、输出端口分别与一个SMA头相连接。
3.如权利要求1所述实现高动态范围的微波位移传感器，其特征是，定子的底层采用完整的金属薄片作为整个位移传感器的底面。
4.如权利要求1所述实现高动态范围的微波位移传感器，其特征是，定子介质板的介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为0.762mm。
5.如权利要求1所述实现高动态范围的微波位移传感器，其特征是，定子介质板的长度为30mm，宽度为20mm。
6.如权利要求1-5任一项所述实现高动态范围的微波位移传感器，其特征是，动子介质板的材料与定子介质板的材料相同。
7.如权利要求6所述实现高动态范围的微波位移传感器，其特征是，动子的长度为19mm，宽度为5mm。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5072172A (en) * 1989-08-30 1991-12-10 Stolar, Inc. Method and apparatus for measuring the thickness of a layer of geologic material using a microstrip antenna
JPH09292284A (ja) * 1996-04-25 1997-11-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 圧電アクチュエータ及びそれを用いた焦電型赤外線センサ
CN102889866A (zh) * 2012-09-28 2013-01-23 西安交通大学 以石墨烯键长作为计量基准的长度计量溯源方法
CN106441062A (zh) * 2016-10-19 2017-02-22 武汉市工程科学技术研究院 基于双层电磁超材料的线位移传感器
US20180360354A1 (en) * 2017-06-02 2018-12-20 Regents Of The University Of Minnesota 3d isotropic microscale metamaterials and methods of manufacture
CN110360935A (zh) * 2019-07-31 2019-10-22 西北工业大学 一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5072172A (en) * 1989-08-30 1991-12-10 Stolar, Inc. Method and apparatus for measuring the thickness of a layer of geologic material using a microstrip antenna
JPH09292284A (ja) * 1996-04-25 1997-11-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 圧電アクチュエータ及びそれを用いた焦電型赤外線センサ
CN102889866A (zh) * 2012-09-28 2013-01-23 西安交通大学 以石墨烯键长作为计量基准的长度计量溯源方法
CN106441062A (zh) * 2016-10-19 2017-02-22 武汉市工程科学技术研究院 基于双层电磁超材料的线位移传感器
US20180360354A1 (en) * 2017-06-02 2018-12-20 Regents Of The University Of Minnesota 3d isotropic microscale metamaterials and methods of manufacture
CN110360935A (zh) * 2019-07-31 2019-10-22 西北工业大学 一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法

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