CN115184225A - 一种高q有源传感器 - Google Patents
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Abstract
一种高Q有源传感器，包含无源谐振腔和负阻有源电路。谐振腔形成在两块纵向叠加介质基板中，每块介质基板均设多个金属化通孔，形成谐振腔的金属边界。在无源谐振腔的折叠缝隙区域形成通道，通道内穿过一根聚四氟乙烯管用于装载待测样品。在谐振腔第二和第三谐振频率（TE201与TE102模式），腔体折叠缝隙区域分别存在强磁场和强电场，在该区域注入样品可实现在同一传感区域对磁性材料和介电材料的检测。本发明将折叠技术应用于衬底集成波导谐振腔，利用折叠腔体的两个不同谐振频点进行传感检测。本发明设计的负阻补偿电路极大地提高谐振器在两个谐振频点处的品质因数，是一种高精度的、非侵入式的可分别检测油中铁屑含量和水含量的多功能传感器。
Description
技术领域
本发明属于微波传感器领域，涉及一种共面波导激励、负阻有源电路补偿的基于衬底集成波导技术。
背景技术
随着现代工业科技的发展，润滑油在机械自动化等领域被广泛用于减少机械设备摩擦和密封减少氧化。然而机械设备在高效运转的工作状态下，部件会由于表面的相互摩擦或污染物入侵而产生磨损，使润滑油受到不同程度的污染，对机械系统的整体性能产生影响。机械设备运行时，大量设备运行状态的信息会在油液中体现，例如摩擦产生的金属磨损碎屑、油液中的水滴等污染物都能反映机械设备的运行状态。润滑油污染物检测是保持油清洁度的重要手段，对于机械设备的状态监测和故障诊断具有重要意义。
目前对机械润滑油污染物检测的方法主要有通过化学检测法、光学法和电感电容阻抗法。化学检测法能对油液的状态和理化状态进行全面的检测分析，但是需要依赖实验室中的多种仪器设备以及需要复杂的操作。光学检测法具有较高的检测精度，但不能区分颗粒污染物的属性，并且会受到油液透光度的影响限制。电感电容阻抗法能检测油中金属颗粒与水珠含量，但是只能进行颗粒计数不能直接检测浓度，且难以检测尺寸较小的污染物颗粒。
发明内容
本发明提出一种高Q有源传感器，主要用于检测油中铁屑含量和水等的含量，利用谐振腔在两个不同谐振频点实现润滑油中铁屑含量与水含量的多功能检测。本发明利用折叠结构缩小谐振腔的相对尺寸。本发明在腔体折叠缝隙处注入样品，根据双频率腔体电磁场分布特性实现在同一传感区域对不同物质的检测。为满足油中微量污染物的检测需求，本发明采用耦合负阻电路的方法极大地提高传感器的品质因数与分辨率。另外，本发明利用蠕动泵匀速注入润滑油样品并使样品在腔体中循环流动；在腔体外加载钕磁铁，利用偏置磁场使样品中的铁屑富集于传感区域中；在控制样品流速与铁屑富集时间的基础上可得到传感器频移与铁屑浓度的关系，进一步降低污染物浓度检测下限。
本发明的技术方案如下：
一种高Q有源传感器，主要用于检测油中铁屑含量和水含量，所述传感器包含无源谐振腔与负阻有源电路。
所述传感器由纵向叠合的两块介质基板构成传感器基体，每块介质基板均具有顶层金属层、中间介质层以及底层金属层三层结构。在基体中形成无源谐振腔，所述无源谐振腔是一个矩形谐振腔沿中心线折叠的二分之一模腔。
每一块所述介质基板的中间介质层均刻蚀有多个金属化通孔，呈矩形均匀分布在谐振腔的外围与共面波导的两侧，其目的是用于等效谐振腔的金属边界。
第一介质基板的顶层金属层上分布有三段共面波导传输线。其中两段共面波导均通过SMA转接头连接网络矢量分析仪，一段共面波导通过SMA转接头或直接集成的方法连接负阻有源电路。
所述第一介质基板的底层金属层和第二介质基板的顶层金属层在腔体折叠区域均刻蚀有上下位置对应、形状面积相同的长条凹槽，所述凹槽的槽底刻蚀至各自的中间介质层，其目的是允许电磁波从第一介质基板传播到第二介质基板，从而实现折叠形式的电磁场分布模式。所述长条凹槽两两合拢形成并且上下重叠构成矩形通道，用于装载聚四氟乙烯样品管以通入待测样品。
所述矩阵折叠的谐振腔在第二谐振频点（TE201模式）和第三谐振频点（TE102模式）具有不同的场分布。在第二谐振频点（TE201模式），腔体折叠缝隙区域具有强磁场和弱电场，用以检测磁性材料。在第三谐振频点（TE102模式），腔体折叠缝隙区域具有强电场，用以检测介电材料。谐振腔中电磁场的谐振模式TE201与TE102频率接近，场分布不同,通过改变谐振腔的长宽比，本发明使上述两个模式的谐振频率相差150MHz，有利于电路与谐振腔实现双频率阻抗匹配。
无源谐振腔的等效电路模型为Lr、Cr和Rr的并联电路，两段共面波导（1-1和1-2）连接的矢网端口阻抗分别等效为Z1和Z2，与腔体之间的理想变压器模型匝数比分别为1：n1和1:n2，负电阻Rneg与无源谐振器之间的耦合系数为1:n3，进而无源谐振器耦合负电阻Rneg构成负阻有源电路。
所述负阻有源电路的三极管BFP420的发射极e串联变容二极管SMV1430和隔直电容C1后输出负阻Rneg；三极管BFP420的基极b串联反馈电感LB后接地；三极管BFP420的集电极c串联隔直电容C2与负载电阻R1后接地；三个扼流电感L1、L2和L3分别与变容二极管SMV1430阴极、三极管BFP420的发射极e和集电极c和相连。正向偏置电源V1串联扼流电感L1后为变容二极管SMV1430提供偏置电压；反向偏置电源V2串联电阻R2和电感L2后为三极管BFP420发射极e提供偏置电压；正向偏置电源V3串联电阻R3和电感L3后为三极管BFP420集电极c提供偏置电压。
无源谐振腔和负阻有源电路通过转接头相连后，调节电压V3改变三极管BFP420的静态偏置点，可同时改变电路输出负阻的实部和虚部；调节电压V1改变变容二极管SMV1430的电容，可改变电路输出负阻的虚部而不影响负阻实部。为了利用负阻有源电路补偿无源谐振器阻抗消耗的能量（金属电阻损耗与介质损耗等），电路输出负阻与谐振器共面波导处的输入阻抗相抵消。本发明通过调节电压V1和V3可以改变负阻的虚部与实部，以实现无源谐振器在两个谐振频率的负阻匹配。负阻有源电路的输出负阻随频率变化，为实现电路与谐振腔双频率阻抗匹配，本发明通过调整谐振腔长宽比使腔体的TE 201模式和TE 102模式的频率相差150MHz，并通过调整共面波导的偏移位置改变两个频点处该端口的阻抗差。
本发明在无源谐振腔外部对应折叠区域位置放置多片钕磁铁提供偏置静磁场，在样品循环流动的过程中实现传感区域中铁屑的吸附与富集。外加偏置静磁场不影响谐振腔的传输响应。本发明使用蠕动泵注入油类样品，并使样品在腔体内外循环流动。本发明将钕磁铁放置于腔体传感区域的外部，使油类样品的铁屑在循环流动过程中被吸附于样品管壁，有效提高传感区域中测试物浓度使谐振器频移增大。
本发明使用标准样品确定样品浓度与传感响应之间的关系：固定油类样品流速，使用Labview软件实时测量谐振腔TE201模式谐振频率。频移速率反映了油中铁屑浓度，重复测量不同铁屑浓度的油类样品完成校准。此外，该谐振腔TE102模式可用于检测油中水含量。油和水的介电常数相差较大（油的介电常数为2至4，水的介电常数为75至80），通过调节负阻电路提高传感器在第二谐振频点的品质因数和分辨率即可实现油中微水含量检测。
本发明的有益效果具体如下：
1.本发明将折叠技术应用于衬底集成波导谐振腔，即将谐振腔设计为由一个矩形谐振腔沿中心线折叠的二分之一模腔体，在结构加工精度范围内，保证纵向叠合对准精度，结构器件特性和非折叠原始器件特性基本一致（谐振频点和品质因数），这样极大程度地缩减了谐振腔的相对尺寸，克服了现有微波无源传感谐振结构体积大的缺点，满足了现代射频传感检测系统小型化与高度集成化的发展需求，具有更广阔的应用范围。
2.本发明所提出的基于衬底集成波导折叠谐振腔的多功能传感器为封闭式结构，电磁能量被限制在谐振腔内部，无法向自由空间中辐射，从而保证了谐振腔高品质因数的特性，在此基础上通过减少第一和第二共面波导端口馈电深度进行弱耦合，进一步提高了品质因数以满足高损耗物质的测试需求。封闭式腔体结构有利于外部偏置磁场的加载，被约束于腔体中电磁场不受外加钕磁铁的介电常数与磁导率影响。
3.本发明所提出的无源谐振腔的第三共面波导（1-3）用于连接负阻有源电路，本发明通过增大该端口的馈电深度进行强耦合，减小该端口入端阻抗，即减小对应的有源电路需要提供的负阻和反射系数，降低电路设计难度。
4.本发明在传统谐振腔体传感器的基础上对样品装载方式进行了改进。传统电磁多功能谐振腔传感器检测磁性物质与介电物质需要根据谐振腔的场分布设计两个传感区域。本发明仅需要在腔体折叠区域设计一个传感通道即可分别进行磁性物质和介电物质检测。本发明所提出的折叠谐振腔在第二谐振频点（TE201模式）和第三谐振频点（TE102模式）具有不同的电磁场分布：谐振腔的TE201模式在腔体折叠区域处存在强磁场，TE102模式在该区域存在强电场。在谐振腔TE201模式下，折叠区域磁场强度较高而电场强度几乎为零，在该区域检测磁性物质时物质的介电常数对传感响应的影响极小。本发明进行油中铁屑检测时可以忽略油类样品的不同介电常数、样品中水和气泡等杂质对测量结果的干扰，因此不需要对不同类型的油类样品进行测量校准。
5.本发明所提出的负阻有源电路极大地提高了无源谐振腔的品质因数，即提高了传感器的分辨率和降低了污染物浓度检测下限，有利于实现油中微量铁屑含量和微水含量的精确检测。本发明通过调节三极管和变容二极管的偏置电压可以分别改变电路输出负阻的实部和虚部，使电路在谐振腔的两个谐振频率实现阻抗匹配，补偿无源腔体损耗能量。
6.本发明所提出的折叠型衬底集成波导谐振腔结构具有高度可调的谐振频点，在不改变谐振腔整体尺寸的条件下通过简单调整优化谐振腔内部的关键结构参数即可实现对工作频点的灵活调整，适用范围更广。
附图说明
图1是本发明提出的多功能传感器的截面示意图；
图2(a)是本发明提出的多功能传感器的分解示意图；
图2(b)是本发明提出的多功能传感器的整体示意图；
图3是多片钕磁铁的静磁场幅值分布图；
图4(a)是本发明提出的多功能传感器的第一介质基板的正面示意图；
图4(b)是本发明提出的多功能传感器的第一介质基板的背面示意图；
图5(a)是本发明提出的多功能传感器的第二介质基板的正面示意图；
图5(b)是本发明提出的多功能传感器的第二介质基板的背面示意图；
图6(a)是本发明提出的多功能传感器耦合负阻的等效电路图；
图6(b)是本发明提出的电路的原理图；
图6(c)是本发明提出的电路的版图；
图7(a)是本发明提出的多功能传感器的TE201模式电场强度分布图；
图7(b)是本发明提出的多功能传感器的TE201模式磁场矢量分布图；
图8(a)是本发明提出的多功能传感器的TE102模式电场强度分布图；
图8(b)是本发明提出的多功能传感器的TE102模式磁场矢量分布图；
图9是本发明提出的多功能传感器在不同三极管电压下的传输响应曲线图；
图10(a)是本发明提出的无源和有源传感器的传输曲线与待测样品磁导率的关系示意图；
图10(b)是本发明提出的无源和有源传感器的传输曲线与待测样品介电常数的关系示意图。
具体实施方式
为了更好阐述设计过程和目的，下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明：
如图1至图5所示，本实施例提出的是用于检测油中铁屑含量和水含量的高Q有源传感器，包含无源谐振腔和负阻有源电路。传感器基体由2块介质基板纵向叠加组成，即第一介质基板（1）和第二介质基板（2），每块介质基板均具有顶层金属层、中间介质层以及底层金属层三层结构。无源谐振腔形成在基体中，是一个矩形谐振腔沿中心线折叠的二分之一模腔， 通过每块介质基板均设多个金属化通孔，金属化通孔呈矩形分布，形成谐振腔的金属边界。
第一介质基板（1）和第二介质基板（2）的中间介质层材料均相同，在本实施例中，该材料为F4BM，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0025。
第一介质基板（1）和第二介质基板（2）的整体长度、宽度和厚度均相同，作为优选，其长度均为80mm，宽度均为47.8mm，厚度均为1.5mm。
共面波导传输线（1-1、1-2和1-3）位于第一介质基板（1）的顶层金属层，馈电线采用锥形渐变结构用于连接SMA转接头。共面波导（1-1和1-2）用于实现谐振腔的激励，实现弱耦合馈电（深度为1.5mm）从而实现提高品质因数的效果；共面波导（1-3）用于连接负阻有源电路，馈电深度16 mm，实现强耦合，降低该端口入端阻抗。作为优选，共面波导（1-1和1-2）的总长度为9mm，共面波导（1-3）的总长度为21.5mm；共面波导（1-1、 1-2和1-3）外侧宽度为3.44mm，内侧宽度为2.7mm。第二介质基板（2）在对应共面波导（1-1和1-2）的位置均刻蚀出矩形缺口（2-1），作为SMA转接头的放置位置。
第一介质基板（1）和第二介质基板（2）的中间介质层均刻蚀有金属化通孔（3），通孔均匀分布在谐振腔腔体的外围及馈电线的两侧，用以等效谐振腔的金属边界，作为优选，金属化通孔（1-5）的直径为0.9mm，两相邻通孔间的圆心距为1.37mm。
第一介质基板（1）的底层金属层和第二介质基板（2）的顶层金属层均刻蚀有上下位置对应、形状面积相同的长条凹槽（4），槽底刻蚀至各自的中间介质层，并在组合时上下对齐。该长条凹槽设计目的是为了允许电磁波从第一介质基板传播到第二介质基板，从而实现折叠形式的电磁场分布模式。该长条凹槽同时作为传感区域，需要刻蚀一定深度以通入聚四氟乙烯样品管（5）。作为优选，长条凹槽（4）的深度为1.1mm，宽度为2mm，长度与介质基板（1和2）相同均为80mm。聚四氟乙烯管（5）的内直径为1.6mm，外直径为2mm。
所述负阻有源电路的三极管BFP420的发射极e串联变容二极管SMV1430和隔直电容C1后输出负阻Rneg；三极管BFP420的基极b串联反馈电感LB后接地；三极管BFP420的集电极c串联隔直电容C2与负载电阻R1后接地；三个扼流电感L1、L2和L3分别与变容二极管SMV1430阴极、三极管BFP420的发射极e和集电极c和相连。正向偏置电源V1串联扼流电感L1后为变容二极管SMV1430提供偏置电压；反向偏置电源V2串联电阻R2和电感L2后为三极管BFP420发射极e提供偏置电压；正向偏置电源V3串联电阻R3和电感L3后为三极管BFP420集电极c提供偏置电压。
无源腔体谐振器的等效电路模型为Lr、Cr和Rr的并联电路，两段共面波导（1-1和1-2）连接的矢网端口阻抗分别等效为Z1和Z2，与腔体之间的理想变压器模型匝数比分别为1：n1和1：n2，负电阻Rneg与无源谐振器之间的匝数比为n3，进而无源谐振器耦合负电阻Rneg构成并联型负阻有源电路。
谐振器和负阻电路通过转接头相连后，调节电压V3改变三极管BFP420的静态偏置点，同时改变电路输出负阻的实部和虚部；调节电压V1改变变容二极管SMV1430的电容，可改变电路输出负阻的虚部而不影响负阻实部。为了利用负阻有源电路补偿无源谐振器阻抗消耗的能量（金属电阻损耗与介质损耗等），本发明通过改变偏置电压V1和V3，使电路输出负阻Rneg与谐振腔共面波导（1-3）的入端阻抗Rr/ QUOTE 之和为零,即可抵消谐振腔阻抗Rr提高传输响应S21的品质因数(Q=ωL/Rr)。本发明通过调节电压V1和V3可以得到不同的负阻实部与虚部，以实现无源谐振器在两个谐振频率的负阻匹配。有源电路的输出负阻随频率变化，为实现电路与谐振腔双频率阻抗匹配，本发明通过调整谐振腔长宽比使腔体TE201与TE102模式的频率相差150MHz，并通过调整共面波导（1-3）的偏移位置改变两个频点处该端口的阻抗差。
负阻有源电路中基极串联反馈电感LB选择为1.5nH，该电感主要影响输出负阻的实部。实际电路调试中可更换不同电感值的电感LB，以改变负阻虚部和实部随电压V1和V3调节的范围。
本发明在无源谐振腔外部放置钕磁铁（6）提供偏置静磁场，在样品循环流动的过程中实现传感区域中铁屑的吸附与富集。外加偏置静磁场不影响谐振腔的传输响应。本发明使用蠕动泵注入油类样品，并使样品在腔体内外循环流动。本发明将钕磁铁放置于腔体传感区域的外部，使油类样品的铁屑在循环流动过程中被吸附于样品管壁，有效提高传感区域中测试物浓度使谐振器频移增大。
本发明使用标准样品确定样品浓度与传感响应之间的关系：固定油类样品流速，使用Labview软件实时测量谐振腔TE201模式谐振频率。频移速率反映了油中铁屑浓度，重复测量不同铁屑浓度的油类样品完成校准。此外，该谐振腔TE102模式可用于检测油中水含量。油和水的介电常数相差较大（油的介电常数为2至4，水的介电常数为75至80），通过调节负阻电路提高传感器在第二谐振频点的品质因数和分辨率即可实现油中微水含量检测。
本发明所提出的用于检测油中铁屑含量和水含量的高Q有源传感器的工作原理为腔体微扰法。如图6和图7所示，本发明所提出的折叠谐振腔在第二谐振频点（TE201模式）和第三谐振频点（TE102模式）具有不同的电磁场分布：谐振腔的TE201模式在腔体折叠区域处存在强磁场，TE102模式在该区域存在强电场。因此仅需要在折叠区域设计一个传感通道即可分别进行磁性物质和介电物质检测。在谐振腔TE201模式下，折叠区域磁场强度较高而电场强度几乎为零，在该区域检测磁性物质时物质的介电常数对传感响应的影响极小。本发明进行油中铁屑检测时可以忽略油类样品的不同介电常数、样品中水和气泡等杂质对测量结果的干扰，因此不需要对不同类型的油类样品进行测量校准。
图9为本发明提出的多功能传感器在不同三极管电压下的传输响应曲线图。通过调节三极管偏置电压，可以选择性地提高腔体两个谐振频率的S21的品质因数Q。图10（a）与图10（b）分别为传感区域样品磁导率μ与介电常数ε改变时S21响应，其中无源谐振器由于品质因数较低，难以确定谐振频点，分辨率无法满足测试需求；连接了负阻电路不会影响谐振器的灵敏度，而进行负阻补偿的有源谐振器具有更高的品质因数和分辨率，该方案有效降低了污染物浓度检测下限。
由以上说明可知，本申请基于衬底集成波导的用于检测油中铁屑含量和水含量的高Q有源谐振器，采用微波材料检测方法，根据污染物介电常数与磁导率的不同直接检测污染物的浓度。采用双频点谐振腔实现油中铁屑与水含量的多功能检测，其中可适应双频点的可调谐负阻有源电路和外加静磁场吸附的测试方法进一步降低污染物浓度检测下限。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (8)
1.一种高Q有源传感器，其特征在于：所述传感器包含无源谐振腔和负阻有源电路；
所述传感器的基体是由两块上下叠合的介质基板构成，在基体中形成无源谐振腔，所述无源谐振腔是一个矩形谐振腔沿中心线折叠的二分之一模腔；每块所述介质基板均具有顶层金属层、中间介质层以及底层金属层，两块所述介质基板的中间介质层均刻蚀有多个金属化通孔（3），呈矩形均匀分布形成所述无源谐振腔的外围，等效无源谐振腔的金属边界；
在无源谐振腔的折叠缝隙区域形成通道，所述通道紧邻谐振腔矩形平面的一条边，通道内穿过一根聚四氟乙烯管（5）用于装载待测样品；
在第一介质基板（1）的顶层金属层上布置有三段共面波导传输线，其中两段共面波导传输线通过SMA转接头连接矢量网络分析仪，一段共面波导传输线通过SMA转接头连接负阻有源电路；所述第二介质基板（2）的边缘刻蚀矩形凹槽（2-1），布置其中两段共面波导传输线所连接的SMA转接头；
所述传感器利用谐振腔的第二谐振频点即腔体谐振模式TE 201和第三谐振频点即腔体谐振模式TE 102进行传感检测；在无源谐振腔第二和第三谐振频点处，无源谐振腔的折叠缝隙区域分别存在强磁场和强电场，在该区域注入待测样品即实现在同一传感区域对磁性材料和介电材料的检测。
2.根据权利要求1所述的高Q有源传感器，其特征在于：所述通道是通过在第一介质基板（1）的底层金属层和第二介质基板（2）的顶层金属层刻蚀上下位置对应、形状面积相同的长条凹槽（4），且两长条凹槽（4）纵向叠合而形成，长条凹槽（4）槽底刻蚀至各自的中间介质层并留有余厚。
3.根据权利要求1所述的高Q有源传感器，其特征在于：在无源谐振腔外的对应折叠缝隙区域的位置放置多片钕磁铁（6）用于富集待测样品中的铁屑。
4.根据权利要求1所述的高Q有源传感器，其特征在于：三段共面波导传输线分别从矩形的谐振腔的除所述通道邻近的一条边之外的另三条边馈入。
5.根据权利要求1所述的高Q有源传感器，其特征在于：谐振腔中电磁场的谐振模式TE201与TE102频率接近，场分布不同，通过改变谐振腔的长宽比，使两个模式的谐振频率相差150MHz，有利于电路与腔体在不同频段进行阻抗匹配；腔体的谐振模式TE 201在折叠缝隙处磁场强度较高而电场强度几乎为零，该模式适用于磁性物质的检测，且在检测样品时不受样品介电常数与其他杂质的影响；模式TE102在腔体折叠缝隙区域具有强电场分布，用于检测介电物质；两个谐振频率变化时不会相互影响，实现同谐振器结构、同传感区域的多功能检测。
6.根据权利要求1所述的高Q有源传感器，其特征在于：无源谐振腔的等效电路模型为Lr、Cr和Rr的并联电路，两段共面波导传输线所连接的矢网端口阻抗分别为Z1与Z2，两段共面波导传输线与谐振腔之间的理想变压器模型匝数比分别为1:n1与1:n2；连接负电阻Rneg的一段共面波导传输线与无源谐振腔之间的匝数比为1:n3，进而无源SIW谐振器耦合负电阻Rneg构成负阻有源电路。
7.根据权利要求6所述的高Q有源传感器，其特征在于：所述负阻有源电路的三极管BFP420的发射极e串联变容二极管SMV1430和隔直电容C1后输出负阻Rneg；三极管BFP420的基极b串联反馈电感LB后接地；三极管BFP420的集电极c串联隔直电容C2与负载电阻R1后接地；三个扼流电感L1、L2和L3分别与变容二极管SMV1430阴极、三极管BFP420的发射极e和集电极c和相连；
正向偏置电源V1串联扼流电感L1后为变容二极管SMV1430提供偏置电压；反向偏置电源V2串联电阻R2和电感L2后为三极管BFP420发射极e提供偏置电压；正向偏置电源V3串联电阻R3和电感L3后为三极管BFP420集电极c提供偏置电压。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的高Q有源传感器，其特征在于：用于检测油中铁屑含量和水含量。
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