CN113960125A - 一种实时监测土壤湿度的无源传感器及其应用 - Google Patents
一种实时监测土壤湿度的无源传感器及其应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113960125A CN113960125A CN202111110916.9A CN202111110916A CN113960125A CN 113960125 A CN113960125 A CN 113960125A CN 202111110916 A CN202111110916 A CN 202111110916A CN 113960125 A CN113960125 A CN 113960125A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- humidity
- soil
- passive sensor
- transmission line
- dielectric substrate
- 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
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 95
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 8
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 3
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 10
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 10
- 230000004044 response Effects 0.000 description 36
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 9
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 3
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000003973 irrigation Methods 0.000 description 2
- 230000002262 irrigation Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000005373 pervaporation Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种实时监测土壤湿度的无源传感器，其结构从上到下分别为微带传输线、介质基底和覆铜层，在覆铜层的中心刻蚀出一个一边具有开口的回形结构的空气缝隙，该空气缝隙大小由回形结构的长、宽和缝隙开口大小决定；将微带传输线的长边平行于介质基底的长边，窄边中点对应于介质基底中点，将微带传输线固定于介质基底的一面，将刻蚀缺陷地结构的覆铜层固定于介质基底的另一面，在微带传输线的左右两端各焊接SMA连接头，即为无源传感器。克服了传统湿度传感器无法实时监测湿度且成本高的缺陷，同时具有大规模部署的潜力。利用缺陷地结构感知土壤介电常数的变化，从而得到湿度值，在无线感知领域是一种未被探讨的湿度感知方法。
Description
技术领域
本发明属于物联网无源感知领域，涉及一种无源传感器，特别是一种实时监测土壤湿度的无源传感器及其应用。
背景技术
十九届五中全会指出，要推动科技创新，提升农业发展质量。在农业生产中，合适的农业土壤湿度有助于提高农作物产量。实时监测土壤湿度既能保证提高农作物产量，又能避免由于灌溉不及时影响农作物生长或由于盲目灌溉浪费水资源。因此低成本高精度的土壤湿度感知技术具有重要意义。
传统的土壤湿度传感器因其较高的价格而难以大范围部署。现有的基于无线通信的传感技术所使用的传感器受限于需要外部供电或低精度的缺陷，在大规模部署时会消耗大量电能，而且其监测精度不高。
综上，现有的土壤湿度监测方法难以同时满足：1)低成本；2)不需要外部供电；3)高精度。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的一个目的在于，提供一种实时监测土壤湿度的无源传感器，该无源传感器是一种新的缺陷地结构，能够实现低成本高精度感知。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种实时监测土壤湿度的无源传感器，其特征在于，该无源传感器的结构从上到下分别为微带传输线、介质基底和覆铜层，其中：
所述微带传输线长100mm，宽2.24mm，厚0.018mm，材料为铜；
所述介质基底长100mm，宽为30mm，厚为12mm，材料为环氧树脂，介电常数为4.4；
所述覆铜层长100mm，宽30mm,厚0.018mm，材料为铜；
在覆铜层的中心刻蚀出一个一边具有开口的回形结构的空气缝隙，该空气缝隙大小由回形结构的长(a)、宽(w)和缝隙开口高度(c)决定，该空气缝隙即为缺陷地结构；
将微带传输线的长边平行于介质基底的长边，窄边中点对应于介质基底的中点，将微带传输线固定于介质基底的一面，将刻蚀好缺陷地结构的覆铜层固定于介质基底的另一面，在微带传输线的左右两端各焊接SMA连接头，即为无源传感器。
根据本发明，所述感知结构的尺寸及对应湿度范围分别为：
1)w1＝0.3mm，a1＝8mm，可感知的湿度范围为0％-9％；
2)w2＝0.8mm，a2＝7mm，可感知的湿度范围为10％-18％；
3)w3＝1mm，a3＝6mm，可感知的湿度范围为20％-29％；
4)w4＝0.64mm，a4＝4.9mm，可感知的湿度范围为30％-39％；
5)w5＝1mm，a5＝4.9mm，可感知的湿度范围为40％-50％；
6)w6＝0.6mm，a6＝4.1mm，可感知的湿度范围为51％-60％；
7)w7＝0.9mm，a7＝2mm，可感知的湿度范围为61％-70％；
8)w8＝0.9mm，a8＝4mm，可感知的湿度范围为71％-81％；
9)w9＝1mm，a9＝3.9mm，可感知的湿度范围为82％-93％；
10)w10＝1mm，a10＝3.7mm，可感知的湿度范围为94％-100％。
进一步地，所述两个SMA连接头一个用于接收电磁波，另一个用于辐射电磁波。
本发明的另一个目的在于，将上述实时监测土壤湿度的无源传感器，用于监测土壤湿度的应用。
将实时监测土壤湿度的无源传感器埋入土中，缺陷地结构与土壤接触，根据不同湿度的土壤对信号的衰减程度不同，从接收端信号衰减程度判断土壤湿度，分辨率为2％的湿度感知。
本发明的实时监测土壤湿度的无源传感器，制作简单，成本低廉，利用该无源传感器搭建的无线感知系统，克服了传统湿度传感器无法实时监测湿度且成本高的缺陷，同时具有大规模部署的潜力。利用缺陷地结构感知土壤介电常数的变化，从而得到湿度值，在无线感知领域是一种未被探讨的土壤湿度无源传感器。
附图说明
图1为采用无源传感器应用于监测土壤湿度的场景示意图；
图2为无源传感器结构示意图，
图3为无源传感器实物图，其中(a)图为主视图，(b)图为后视图；(c)为俯视图；
图4为缺陷地结构结构图；
图5为无源传感器等效电路图；
图6介电常数对谐振频率的影响的关系图；
图7电导率对缺陷地结构滤波增益的影响关系图；
图8为仿真设计的6个不同尺寸的缺陷地结构，用于感知6个土壤介电常数范围，每个介电常数对应一个谐振频率的关系图；
图9为感知范围是0％-20％，精度为5％的频响曲线图；
图10为利用Wi-Fi信号进行无源感知的实验部署图；
图11为利用图9所示系统Wi-Fi信号测得的不同土壤湿度对应的频响曲线图；
图12为利用图10所示系统连续监测土壤湿度随时间变化的曲线图；
图2和图3中的标记分别表示：1、微带传输线，2、介质基底。3、覆铜层，4、缺陷地结构，5、SMA连接头。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
缺陷地结构(DGS)是在微带线的接地金属板上刻蚀周期或非周期的栅格结构，改变传输线的分布电感和分布电容，获得带阻特性和慢波特性等。
参见图2和图3，本实施例给出一种实时监测土壤湿度的无源传感器，该无源传感器的结构从上到下分别为微带传输线1、介质基底2和覆铜层3，其中：
所述微带传输线1长100mm，宽2.24mm，厚0.018mm，材料为铜；
所述介质基底2长100mm，宽为30mm，厚为12mm，材料为环氧树脂，介电常数为4.4；
所述覆铜层3长100mm，宽30mm,厚0.018mm，材料为铜；
在覆铜层3的中心刻蚀出一个一边具有开口的回形结构的空气缝隙，该空气缝隙大小由回形结构的长(a)、宽(w)和缝隙开口高度(c)决定，该空气缝隙即为缺陷地结构4(也称感知结构)；
将微带传输线1的长边平行于介质基底2的长边，窄边中点对应于介质基底的中点，将微带传输线1固定于介质基底2的一面，将刻蚀好缺陷地结构4的覆铜层3固定于介质基底2的另一面，在微带传输线2的左右两端各焊接SMA连接头5，即为无源传感器。
所述SMA连接头5是一个对称的结构，其中任何一个都可以用来接收信号或辐射信号。
SMA连接头5适用于频率范围直流至26.5GHz的微波领域的应用。应用范围如电信通讯、网络、无线通讯以及检测和测量仪器。它具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点。
上述实时监测土壤湿度的无源传感器埋入土中，背面的缺陷地结构4与土壤接触，由于不同湿度的土壤对信号的衰减程度不同，可以根据接收端信号衰减程度推测土壤湿度。
同时，为了实现上述实时监测土壤湿度的无源传感器对土壤湿度的全范围高精度感知，申请人选择“分段感知”的方法，使得每一个尺寸的缺陷地结构感知某一组湿度范围，通过HFSS仿真得到合适每一个分段湿度的缺陷地结构4的物理尺寸参数，使得不同尺寸的缺陷地结构4感知不同的湿度范围，完成0％-100％全湿度范围感知。
具体的“分段感知”的方法包括：
使用HFSS仿真软件，建立基于缺陷地结构4的微带天线模型，在某一范围内(如介电常数在10-20范围内)改变介质的介电常数，确定缺陷地结构的4尺寸参数w1和a1(w1为宽度，a1为长度)，使得该范围内最小的介电常数对应的频响曲线在Wi-Fi频带右侧附近，同时改变单位大小的节介电常数(Δε)，使得相邻介电常数对应的频响曲线在Wi-Fi频带内可区分。不断增大介电常数，直到该介电常数对应的频响曲线和相邻的介电常数对应的频响曲线在Wi-Fi频带内无法区分,则该缺陷地结构4的尺寸参数(w1，a1)可以感知的介电常数范围为[εmin，εmax]，在该范围内相邻Δε的介电常数对应的频响曲线都可区分。
在接收端获取信道状态信息，信道状态信息包含64个子载波，将64个子载波拼接为频响曲线，提取滤波增益输入到机器学习模型中预测湿度值。
主要原理如下：
土壤含水率的变化会导致土壤介电常数变化。Topp模型对土壤含水率和土壤介电常数之间的关系建立了数学模型，表达式为：
εr＝f(θ)＝3.03+9.3·ρθ+146·(aθ)2-76.7·(ρθ)3
式中，θ为土壤湿度，ρ为土壤容重，εr为土壤介电常数；
土壤介电常数εr和土壤湿度一一对应，故该缺陷地结构尺寸参数(w1，a1)感知的湿度范围为[f-1(εmin),f-1(εmax)]。
(2)其次，土壤介电常数的变化会导致电路中的电容值发生变化。根据电容决定式：
式中，εr为介质介电常数，s为感知结构的空气缝隙上边界和下边界正对面积，d为电容器极板间距，即空气缝隙上下边界间距，k为静电力常量；
由于电容是随介电常数εr变化的函数，因此，土壤含水率与电容值之间存在一一映射关系。
(3)电容变化影响缺陷地结构对射频信号的频率响应特征，进而影响无线信道的频率响应。
根据上述三条原理可以知道：特定湿度的土壤，会使得无线信道产生唯一可识别的频率响应特征。因此，获取无源传感器对无线信道频率响应的影响，作为土壤湿度特征。在客户端，构建合适的机器学习模型，根据信道频率响应特征估计土壤湿度值。
根据以上方法，在HFSS仿真软件中，改变缺陷地结构4的尺寸，即长度(a)，宽度(w)，缝隙开口(c)的高度(图4)，每一个尺寸的缺陷地结构4对应一个湿度范围，实现土壤湿度的感知。并将全范围湿度(0％-100％)分段为10组，仿真得到10个对应的缺陷地结构4尺寸，每个尺寸的缺陷地结构4感知一组土壤湿度，由此完成全范围湿度感知。
这10个缺陷地结构4的尺寸及对应湿度范围分别为：
1)w1＝0.3mm，a1＝8mm，可感知的湿度范围为0％-9％；
2)w2＝0.8mm，a2＝7mm，可感知的湿度范围为10％-18％；
3)w3＝1mm，a3＝6mm，可感知的湿度范围为20％-29％；
4)w4＝0.64mm，a4＝4.9mm，可感知的湿度范围为30％-39％；
5)w5＝1mm，a5＝4.9mm，可感知的湿度范围为40％-50％；
6)w6＝0.6mm，a6＝4.1mm，可感知的湿度范围为51％-60％；
7)w7＝0.9mm，a7＝2mm，可感知的湿度范围为61％-70％；
8)w8＝0.9mm，a8＝4mm，可感知的湿度范围为71％-81％；
9)w9＝1mm，a9＝3.9mm，可感知的湿度范围为82％-93％；
10)w10＝1mm，a10＝3.7mm，可感知的湿度范围为94％-100％。
根据上述缺陷地结构4的尺寸，制成10个实时监测土壤湿度的无源传感器(以下简称无源传感器)。
然后，利用HFSS仿真软件对上述无源传感器的缺陷地结构进行仿真，在HFSS软件中建立该无源传感器的微带天线模型，同时建立土壤介质模型，将两个模型嵌合来模拟实际应用中土壤与缺陷地结构的接触。
缺陷地结构4与土壤接触，电磁波被无源传感器一端天线接收传输到另一端的过程中，受到土壤对该电磁波的衰减，其频响曲线轮廓为‘V’型，在整个频带内不同湿度的土壤影响频响曲线的中心频点，在Wi-Fi频带内表现为滤波深度的不同，不同的湿度对应不同的滤波深度，当相邻的湿度对应的滤波系数差＞2dB时，可以区分这两个湿度。同时，缺陷地结构的4尺寸也可改变频响曲线的中心频点，通过改变缺陷地结构4尺寸使得尽可能小的土壤湿度差在Wi-Fi频带范围内的滤波系数差＞2dB,从而实现无源传感器对土壤高湿度的精度感知。
具体实施的步骤包括：
步骤一：确定不同湿度的土壤电导率和介电常数的变化对频响曲线的影响。利用HFSS仿真软件进行两组仿真，以研究土壤介电常数和电导率对电路频响曲线的影响。
(1)第一组只改变介电常数的值保持电导率不变，每一个介电常数对应一个湿度值。仿真土壤湿度从23％-29.5％对应的频响曲线，如图6所示。可以看出介电常数增大，频响曲线的中心频率往低频移动。
(2)第二组只改变电导率的值保持介电常数不变。仿真电导率从0-0.2S/m变化的五组值，如图7所示。电导率增大，滤波增益减小。
步骤二：验证土壤湿度与电路的频响特征之间的关系。根据介电常数与频率响应之间的关系，通过数学公式分析，验证频响曲线是土壤湿度θ的函数，实现与步骤一的仿真结果相互印证。
微带天线模型的等效电路为LC震荡电路，如图5所示。ZL是正面传输线的等效感抗，C1是正面传输线和背面金属接地板的等效电容。CC,LC和R分别代表缺陷地结构的等效电容、电感和电阻。ZO为外接的天线的阻抗。频率响应曲线是输出电压和输入电压之比的函数：
其中，
当土壤填充缝隙，它会改变缺陷地的等效电容CC，进而改变谐振电路的谐振频率和频率响应。因此，特定的土壤湿度会产生唯一的谐振频率和频率响应。
由上式可知，缺陷地结构的电容CC影响频率响应曲线。因此，特定的土壤湿度可以使谐振器产生唯一的谐振频率和频率响应。
步骤三：设计合适的谐振器使其可以在WiFi信道内产生唯一可识别的频响特征。使用2.4GHz的Wi-Fi信号，可用信道总带宽是80MHz；因此在频谱上难以横向监测谐振频点的移动实现大范围湿度变化的监测，根据频响曲线频移造成纵向尺度上的滤波深度的差异进行土壤湿度感知。
根据步骤一和步骤二可知，不同的湿度对应不同的介电常数，不同的介电常数对应土壤等效电路中不同的电容，在和基于缺陷地结构的微带天线模型的等效电路耦合时对应不同的耦合后的电容。在HFSS仿真过程中，两条曲线的滤波深度相差大于2dB视为可区分。因此不同湿度的土壤对应不同的滤波深度的差异。由于频移后的频响曲线在不同频段的滤波深度的差值不同，因此，通过调节缝隙尺寸，使得拥有不同缝隙尺寸的无源传感器的频响曲线在Wi-Fi频带内可区分，即滤波深度差值大于2dB。缺陷地结构的缝隙宽度和缝隙长度决定等效电路中的电容和电感，因此改变缝隙尺寸可以实现频响曲线在频谱上的搬移。
为了设计合适的缺陷地结构4的尺寸，提出一种基于HFSS仿真软件的缺陷地设计方法。该方法使用HFSS仿真软件调节缺陷地结构4的缝隙长度和宽度，仿真时设置感知目标介质层的相关参数(介电常数，电导率)，利用HFSS的参数优化功能，遍历搜索最合适的缺陷地结构4的参数，实现土壤湿度感知。图9展示了设计的无源传感器可以在WiFi频带内区分0％，5％，10％，15％和20％的土壤湿度。
步骤四：为了在保持感知精度的同时提高感知范围，基于步骤三的仿真方法，将土壤湿度23％-100％分为连续的六组(对应的介电常数为20-81)，使用HFSS软件进行建模仿真，针对每一个土壤湿度范围，设计合适的缺陷地的缝隙尺寸，使得无源传感器都能在Wi-Fi频带范围内分辨不同的土壤湿度,从而实现无源传感器对土壤湿度的全范围感知(0％-100％)。图8展示了六段曲线，表示六种尺寸的缺陷地结构所形成的无源传感器的中心频率随土壤湿度的变化曲线，中心频率都在2.3GHz-2.6GHz范围内。每个土壤湿度分段所形成的频响曲线都在2.4GHz-2.48GHz范围内可以区分，验证了所提出的缺陷地结构设计方法的有效性。
步骤五：基于以上等效电路理论和仿真结果，利用该无源传感器构建了无源感知系统进行土壤湿度感知，如图1所示。无源感知系统包含三部分，Wi-Fi发送端，无源传感器，Wi-Fi接收端。Wi-Fi发送端和Wi-Fi接收端在软件无线电平台warp上搭建，发送信号为OFDM调制的无线电信号，与Wi-Fi相同。手机，电脑等终端作为信号接收端。
使用无源感知系统在西北大学体育馆外广场进行长时间感知土壤湿度的动态变化，无源感知系统部署如图10所示。
将无源传感器埋入土壤(湿度小于20％)进行湿度感知，通过传感器两端的SMA接口连接阵列天线(为小型化本系统，也可使用尺寸更小的全向天线)，两个天线分别正对Wi-Fi信号发送端和接收端，用于接收Wi-Fi发送端发出的信号，信号经过无源传感器衰减后反射给Wi-Fi接收端。Wi-Fi接收端获取信道状态信息，将13个Wi-Fi信道的信道状态信息拼接成一条频响曲线，如图11所示。为了识别不同的特征所所对应的土壤湿度，建立了基于机器学习的回归模型，输入频响曲线预测得到对应湿度。
基于以上的仿真与实验，已经确定了每个湿度分段对应的缝隙尺寸。使用无源感知系统进行一次长时间的湿度监测验证土壤湿度的动态变化。实验期间不间断的保存数据，经过一段时间的渗透蒸发后，向土壤中加水继续监测土壤湿度的变化，结果如图12所示，可以看出无源感知系统能够长时间稳定的工作。
Claims (5)
1.一种实时监测土壤湿度的无源传感器，其特征在于，该无源传感器的结构从上到下分别为微带传输线、介质基底和覆铜层，其中：
所述微带传输线长100mm，宽2.24mm，厚0.018mm，材料为铜；
所述介质基底长100mm，宽为30mm，厚为12mm，材料为环氧树脂，介电常数为4.4；
所述覆铜层长100mm，宽30mm,厚0.018mm，材料为铜；
在覆铜层的中心刻蚀出一个一边具有开口的回形结构的空气缝隙，该空气缝隙大小由回形结构的长(a)、宽(w)和缝隙开口大小(c)决定，该回形结构即为缺陷地结构；
将微带传输线的长边平行于介质基底的长边，窄边中点对应于介质基底的中点，将微带传输线固定于介质基底的一面，将刻蚀好缺陷地结构的覆铜层固定于介质基底的另一面，在微带传输线的左右两端各焊接SMA连接头，即为无源传感器。
2.如权利要求1所述的实时监测土壤湿度的无源传感器，其特征在于，所述感知结构的尺寸及对应湿度范围分别为：
1)w1＝0.3mm，a1＝8mm，可感知的湿度范围为0％-9％；
2)w2＝0.8mm，a2＝7mm，可感知的湿度范围为10％-18％；
3)w3＝1mm，a3＝6mm，可感知的湿度范围为20％-29％；
4)w4＝0.64mm，a4＝4.9mm，可感知的湿度范围为30％-39％；
5)w5＝1mm，a5＝4.9mm，可感知的湿度范围为40％-50％；
6)w6＝0.6mm，a6＝4.1mm，可感知的湿度范围为51％-60％；
7)w7＝0.9mm，a7＝2mm，可感知的湿度范围为61％-70％；
8)w8＝0.9mm，a8＝4mm，可感知的湿度范围为71％-81％；
9)w9＝1mm，a9＝3.9mm，可感知的湿度范围为82％-93％；
10)w10＝1mm，a10＝3.7mm，可感知的湿度范围为94％-100％。
3.如权利要求1所述的实时监测土壤湿度的无源传感器，其特征在于，所述两个SMA连接头一个用于接收电磁波，另一个用于辐射电磁波。
4.权利要求1至3其中之一所述的实时监测土壤湿度的无源传感器，用于监测土壤湿度的应用。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，将实时监测土壤湿度的无源传感器埋入土中，缺陷地结构与土壤接触，根据不同湿度的土壤对信号的衰减程度不同，从接收端信号衰减程度判断土壤湿度，分辨率为2％的湿度感知。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111110916.9A CN113960125B (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 一种实时监测土壤湿度的无源传感器及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111110916.9A CN113960125B (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 一种实时监测土壤湿度的无源传感器及其应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113960125A true CN113960125A (zh) | 2022-01-21 |
| CN113960125B CN113960125B (zh) | 2023-12-08 |
Family
ID=79462235
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111110916.9A Active CN113960125B (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 一种实时监测土壤湿度的无源传感器及其应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113960125B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110040498A1 (en) * | 2008-02-15 | 2011-02-17 | Haiying Huang | Passive Wireless Antenna Sensor for Strain, Temperature, Crack and Fatigue Measurement |
| CN206076461U (zh) * | 2016-10-14 | 2017-04-05 | 厦门大学 | 一种基于复合左右手谐振器的双工器 |
| US20190298234A1 (en) * | 2018-04-03 | 2019-10-03 | Trustees Of Tufts College | System and Method of Using a Tooth Antenna |
| CN110768011A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-02-07 | 北京邮电大学 | 单层宽带滤波功能融合的高增益cpw差分天线 |
| CN110806417A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-02-18 | 杭州电子科技大学 | 基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器 |
| JP2020089209A (ja) * | 2018-11-30 | 2020-06-04 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 送受電器およびそれを用いる無線電力伝送システム |
| CN111426885A (zh) * | 2019-01-09 | 2020-07-17 | 华北电力大学（保定） | 用于测量复介电常数的csrr微带谐振传感器及其应用 |
| KR102226213B1 (ko) * | 2019-11-14 | 2021-03-10 | 대구대학교 산학협력단 | 미앤더 라인 슬롯이 장하된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나 |
-
2021
- 2021-09-23 CN CN202111110916.9A patent/CN113960125B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110040498A1 (en) * | 2008-02-15 | 2011-02-17 | Haiying Huang | Passive Wireless Antenna Sensor for Strain, Temperature, Crack and Fatigue Measurement |
| CN206076461U (zh) * | 2016-10-14 | 2017-04-05 | 厦门大学 | 一种基于复合左右手谐振器的双工器 |
| US20190298234A1 (en) * | 2018-04-03 | 2019-10-03 | Trustees Of Tufts College | System and Method of Using a Tooth Antenna |
| JP2020089209A (ja) * | 2018-11-30 | 2020-06-04 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 送受電器およびそれを用いる無線電力伝送システム |
| CN111426885A (zh) * | 2019-01-09 | 2020-07-17 | 华北电力大学（保定） | 用于测量复介电常数的csrr微带谐振传感器及其应用 |
| CN110768011A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-02-07 | 北京邮电大学 | 单层宽带滤波功能融合的高增益cpw差分天线 |
| CN110806417A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-02-18 | 杭州电子科技大学 | 基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器 |
| KR102226213B1 (ko) * | 2019-11-14 | 2021-03-10 | 대구대학교 산학협력단 | 미앤더 라인 슬롯이 장하된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113960125B (zh) | 2023-12-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gil et al. | Differential sensor based on electroinductive wave transmission lines for dielectric constant measurements and defect detection | |
| CN110531164B (zh) | 基于siw-csrr的用于测量介电常数的微波传感器 | |
| CN204732538U (zh) | 一种Sierpinski分形微带阵列天线 | |
| CN108828321B (zh) | 一种用于测量介电常数的差分微波传感器 | |
| Keshavarz et al. | Highly sensitive differential microwave sensor for soil moisture measurement | |
| Ahmed et al. | Designing a high bandwidth Patch Antenna and comparison with the former Patch Antennas | |
| CN108872710B (zh) | 一种用于测量介电常数的微型双层磁耦合微波传感器 | |
| Kiti et al. | Soil moisture sensors based on metamaterials | |
| Omam et al. | Simple and high-sensitivity dielectric constant measurement using a high-directivity microstrip coupled-line directional coupler | |
| Xue et al. | Double-frequency passive deformation sensor based on two-layer patch antenna | |
| CN113960125B (zh) | 一种实时监测土壤湿度的无源传感器及其应用 | |
| Muñoz-Enano et al. | Microwave comparator based on defect ground structures | |
| Chen et al. | A miniaturized evanescent mode HMSIW humidity sensor | |
| Bouchalkha et al. | Planar Microstrip Antenna Sensor for pH Measurements | |
| Kanth et al. | Study on Glass‐Epoxy‐Based Low‐Cost and Compact Tip‐Truncated Triangular Printed Antenna | |
| Sarmah et al. | Surrogate Model Assisted Design of CSRR Structure using Genetic Algorithm for Microstrip Antenna Application. | |
| El-Refaay et al. | Angular displacement sensor based on planar circular split ring resonator | |
| Park et al. | Design and measurement of a 28 GHz glass band pass filter based on glass interposers for 5G applications | |
| Wang et al. | Investigation of impedance compensation in radio frequency circuits with bonding wire | |
| Škiljo et al. | Small printed antenna for soil sensors | |
| Basravi et al. | Design of a single-layer circuit analog absorber using double-circular-loop array via the equivalent circuit model | |
| US20230075934A1 (en) | Position independent and long read range resonant sensor | |
| Ashok et al. | Inter-Vehicular Communication Using Split Ring Resonator | |
| CN117829070A (zh) | 一种有源频率选择表面分析方法及系统 | |
| Gürel et al. | New determination of dynamic permittivity and resonant frequency of tunable circular disk microstrip structures |
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 |