CN114485970B - 一种无源无线温度传感器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及传感器技术领域，公开了一种无源无线温度传感器及使用方法，该传感器包括发送天线和接收天线；发送天线包括石英管、介质基板、金属板、馈电模块、匹配负载模块和波导模块，金属板上设置有金属过孔；金属板连接介质基板；石英管内部设置有蒸馏水；石英管穿出波导模块，用于与待测电力设备直接接触；石英管外表面设置有金属线，且波导模块内存在结构色散，用于使蒸馏水和所述介质基板的等效介电常数符号相反，激发等效局域表面等离激元。石英管内部蒸馏水的介电常数随温度变化而变化，等效局域表面等离激元对介电常数的变化敏感，可用于温度传感。本发明只利用两个天线和装有蒸馏水的石英管便可实现温度传感，结构简单，稳定性高。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种无源无线温度传感器及使用方法。
背景技术
随着经济发展和技术进步，电力事业也得到快速发展，供电容量不断增大，用户生活水平的提高也会对供电可靠性要求越来越高。如何有效管理电力设备，快速处理故障，提高电力设备供电可靠性和利用效率成为供电企业当前迫切要解决的新问题。
电力系统中，在高压变电器、电缆接头等电力设备发生故障时，往往伴随着温度异常升高的现象。因此对电力设备的温度进行无线监测，可以快速发现温度异常变化，有效防止事故发生。
发明内容
本申请提供了一种无源无线温度传感器及使用方法，以解决现有技术中需要对电力设备的温度进行无线监测的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请第一方面公开了一种无源无线温度传感器，包括发送天线和接收天线；
所述发送天线包括石英管、介质基板、金属板、馈电模块、匹配负载模块和波导模块；
所述石英管穿出所述波导模块，用于与待测电力设备接触；所述金属板包括顶层金属板和底层金属板，所述顶层金属板上设置有用于所述石英管穿出的孔；
所述金属板连接所述介质基板，所述顶层金属板和底层金属板之间设置有金属过孔，用于电磁波在金属过孔和金属板之间的介质中传播；
所述匹配负载模块用于实现所述馈电模块与所述波导模块的阻抗匹配；
所述石英管内部设置有蒸馏水，所述石英管外表面设置有金属线，且所述波导模块内存在结构色散，用于使所述石英管内部的蒸馏水和所述介质基板的等效介电常数符号相反，激发等效局域表面等离激元(Effective Localized Surface Plasmons,ELSPs)；
所述接收天线用于在预设距离内接收所述发送天线发送的信号。
可选的，所述馈电模块采用微带线馈电。
可选的，所述匹配负载模块为梯形结构。
可选的，所述发送天线为H面喇叭天线。
可选的，所述介质基板宽度大于H面喇叭天线喇叭开口处的宽度。
可选的，所述接收天线为H面喇叭天线。
可选的，接收天线为SIW喇叭天线。
可选的，所述金属过孔间隔设置，且所述金属过孔与所述金属板垂直。
可选的，所述金属线环绕所述石英管间隔排列。
可选的，所述发送天线和所述接收天线的极化方式均为垂直极化。
本申请第二方面公开了一种无源无线温度传感器的使用方法，包括以下步骤：
将内部设置有蒸馏水的石英管伸出发送天线外部，与待测电力设备相接触，激发等效局域表面等离激元现象；
在接收天线接收发送天线发送的信号后，获取所述发送天线和所述接收天线的传输曲线；
根据所述传输曲线，获取等效局域表面等离激元的谐振频率；
根据谐振频率的变化确定所述待测电力设备的温度变化情况。
由以上技术方案可知，本申请提供的一种无源无线温度传感器及使用方法，包括发送天线和接收天线。发送天线包括内部填充有蒸馏水的石英管，蒸馏水的介电常数随温度变化而变化，等效局域表面等离激元对介电常数的变化敏感，可用于温度传感。本发明只利用两个天线和装有蒸馏水的石英管便可实现温度传感，结构简单，稳定性高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种无源无线温度传感器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种无源无线温度传感器中，发送天线加载石英管的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的不同温度时发送天线和接收天线的传输曲线图；
图4为本申请实施例提供的等效局域表面等离激元的谐振频率随温度变化的曲线图；
图示说明：
其中，1-发送天线，11-介质基板，121-顶层金属板，122-底层金属板，13-馈电模块，14-匹配负载模块，15-波导模块，16-金属过孔，2-石英管，21-金属线，3-接收天线。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
参见图1，为本申请实施例提供的一种无源无线温度传感器的结构示意图。
本申请实施例提供的无源无线温度传感器，包括发送天线1和接收天线3。
所述发送天线1包括石英管2、介质基板11、金属板、馈电模块13、匹配负载模块14和波导模块15；
所述石英管2穿出所述波导模块15，用于与待测电力设备接触；所述金属板包括顶层金属板121和底层金属板122，所述顶层金属板121上设置有用于所述石英管2穿出的孔；
所述金属板连接所述介质基板11，所述顶层金属板121和底层金属板122之间设置有金属过孔16，用于电磁波在金属过孔16和金属板之间的介质中传播；进一步的，所述金属过孔16间隔设置，且所述金属过孔16与所述金属板垂直，可以更好的模拟波导的磁壁,保留大部分传统波导的传输性质。
所述匹配负载模块14用于实现所述馈电模块13与所述波导模块15的阻抗匹配；
其中，发送天线1可以等效成金属波导，金属过孔16就相当于矩形波导的两个侧壁，电磁波在金属过孔和金属板之间的介质中传播。图1中，发送天线1的极化方式为垂直极化，接收天线3的极化方式也为垂直极化。
参见图2，所述石英管2内部设置有蒸馏水，所述石英管2外表面设置有金属线21，且所述波导模块15内存在结构色散，用于使所述石英管2内部的蒸馏水和所述介质基板11的等效介电常数符号相反，激发等效局域表面等离激元。
其中，金属线21可以通过金属线环绕的方式设置在石英管2外表面，参见图2，有所述金属线21包括水平布置的多条金属线和环绕石英管2且设置在水平布置的多条金属线两端的金属线，水平布置的多条金属线分别由环绕石英管2且设置在水平布置的多条金属线两端的金属线环绕连接，从而在石英管2外表面设置金属线21。
其中，金属线21用于抑制波导模块15中波导结构的TM模，波导结构中的TE模可激励等效局域表面等离激元。金属线21可以抑制波导内TM模和TE模之间的耦合干扰，缺少金属线21便无法激励出等效局域表面等离激元。进一步的，所述金属线21环绕所述石英管2间隔排列，可以更好的抑制波导内TM模和TE模之间的耦合干扰。
所述波导模块15内存在结构色散，使所述石英管2内部蒸馏水和所述介质基板11的等效介电常数符号相反，激发等效局域表面等离激元，当温度变化时，所述蒸馏水的介电常数发生变化，等效局域表面等离激元的谐振频率也随之变化。可以通过观察石英管2中心位置的电场分布，有明显的场约束现象，即激发出等效局域表面等离激元。
金属波导内部存在结构色散，可定义介质基板和蒸馏水的等效介电常数。若等效介电常数的符号相反，可实现与局域表面等离激元相似的电磁模式，发生电场约束和局域增强现象。蒸馏水的介电常数随外界温度变化，引起等效局域表面等离激元的谐振频率发生变化，结合发送天线和接收天线进行信号的收发，从而实现温度的传感。
所述接收天线3用于在预设距离内接收所述发送天线1发送的信号。其中预设距离根据实际应用场景进行确定。
进一步的，所述馈电模块13采用微带线馈电。
进一步的，所述匹配负载模块14为梯形结构。
进一步的，所述发送天线1为H面喇叭天线。
进一步的，所述介质基板11宽度大于H面喇叭天线喇叭开口处的宽度。
进一步的，所述接收天线3为H面喇叭天线。
进一步的，所述接收天线3为SIW(Substrate integrated waveguide，基片集成波导)喇叭天线。
参见图3，为本申请实施例提供的不同温度时发送天线和接收天线的传输曲线图；其中，发送天线和接收天线的传输系数为S21，通过观察S21可以获得等效局域表面等离激元的谐振频率。参见图4，为本申请实施例提供的等效局域表面等离激元的谐振频率随温度变化的曲线图。
由以上技术方案可知，本申请提供的一种无源无线温度传感器，包括发送天线1和接收天线3。发送天线包括内部填充有蒸馏水的石英管2，蒸馏水的介电常数随温度变化而变化，等效局域表面等离激元对介电常数的变化敏感，可用于温度传感。本发明只利用两个天线和装有蒸馏水的石英管便可实现温度传感，结构简单，稳定性高。
在实际应用中，本申请实施例公开了一种无源无线温度传感器的使用方法，包括以下步骤：使用时发送天线1靠近待测物体，接收天线3在接收端放置，相距一定距离。将石英管2伸出发送天线1外部，与待测电力设备相接触，激发等效局域表面等离激元现象。发送天线1向空间辐射电磁波，接收天线3在预设距离内接收电磁波。在接收天线3接收发送天线1发送的信号后，获取所述发送天线1和所述接收天线3的传输曲线。根据所述传输曲线，获取等效局域表面等离激元的谐振频率。根据谐振频率的变化确定所述待测电力设备的温度变化情况。
具体来说，石英管2伸出发送天线1外部，与电缆接头等设备相接触，石英管内蒸馏水的介电常数受温度影响发生变化。介质基板11和蒸馏水的等效介电常数符号相反，激发等效局域表面等离激元现象，通过测量发送天线和接收天线的传输曲线的传输曲线S21可获取等效局域表面等离激元的谐振频率，谐振频率随温度变化。例如令管内蒸馏水温度从40摄氏度变化到90摄氏度，谐振频率对应的从4.33GHz变化到4.448GHz，观察谐振频率随温度的变化曲线，近似单调递增变化，则通过测量谐振频率的变化可反推温度变化情况。本实施例具有结构简单、鲁棒性好等优点。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
将内部设置有蒸馏水的石英管（2）伸出发送天线（1）外部，与待测电力设备相接触，激发等效局域表面等离激元现象；
在接收天线（3）接收发送天线（1）发送的信号后，获取所述发送天线（1）和所述接收天线（3）的传输曲线；
根据所述传输曲线，获取等效局域表面等离激元的谐振频率；
根据谐振频率的变化确定所述待测电力设备的温度变化情况；
所述无源无线温度传感器，包括发送天线（1）和接收天线（3）；
所述发送天线（1）包括石英管（2）、介质基板（11）、金属板、馈电模块（13）、匹配负载模块（14）和波导模块（15）；
所述石英管（2）穿出所述波导模块（15），用于与待测电力设备接触；所述金属板包括顶层金属板（121）和底层金属板（122），所述顶层金属板（121）上设置有用于所述石英管（2）穿出的孔；
所述金属板连接所述介质基板（11），所述顶层金属板（121）和底层金属板（122）之间设置有金属过孔（16），用于电磁波在金属过孔（16）和金属板之间的介质中传播；
所述匹配负载模块（14）用于实现所述馈电模块（13）与所述波导模块（15）的阻抗匹配；
所述石英管（2）内部设置有蒸馏水，所述石英管（2）外表面设置有金属线（21），且所述波导模块（15）内存在结构色散，用于使所述石英管（2）内部的蒸馏水和所述介质基板（11）的等效介电常数符号相反，激发等效局域表面等离激元；
所述接收天线（3）用于在预设距离内接收所述发送天线（1）发送的信号。
2.根据权利要求1所述的无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，所述馈电模块（13）采用微带线馈电。
3.根据权利要求1所述的无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，所述匹配负载模块（14）为梯形结构。
4.根据权利要求1所述的无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，所述发送天线（1）为H面喇叭天线。
5.根据权利要求4所述的无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，所述介质基板（11）宽度大于H面喇叭天线喇叭开口处的宽度。
6.根据权利要求1所述的无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，所述接收天线（3）为H面喇叭天线。
7.根据权利要求1所述的无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，所述金属过孔（16）间隔设置，且所述金属过孔（16）与所述金属板垂直。
8.根据权利要求1所述的无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，所述金属线（21）环绕所述石英管（2）间隔排列。
9.根据权利要求1所述的无源无线温度传感器的使用方法，其特征在于，所述发送天线（1）和所述接收天线（3）的极化方式均为垂直极化。
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