CN115184688B - 基于csrr测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法 - Google Patents

Abstract

基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法，其中微带谐振传感器包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，微带线横跨设置在介质基板背面的中部，CSRR结构设置在介质基板正面的中部，CSRR结构包括从内向外依次套设的三个六边形环且三者形成互补开口谐振环，微带线与互补开口谐振环的中心线上下对应，在介质基板的正面位于互补开口谐振环的位置形成用于放置样品容器的测试区。通过三个六边形环的CSRR结构作为传感元件，随着环数的增加，谐振器的等效电容的增加，谐振器的谐振频率总体上降低，提高了微带线与环之间的电场密度，从而增加了谐振器的Q系数，能快速、准确测量大范围介电常数的危险液体。

Description

基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法

技术领域

本发明涉及微波传感技术领域，具体涉及基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法。

背景技术

在工业和科学领域的许多应用中，都需要在射频和微波条件下对材料进行电学表征。虽然材料可以通过多种参数来表征，但要研究任何材料的电场响应，最重要的参数是材料的介电常数。材料的介电常数是描述材料在电场作用下的行为的特性，而介电常数与材料的其他物理和化学性质密切相关。因此，对材料介电常数的了解可以提供关于其在不同领域可能应用的有价值信息。由于微波测量具有实时性、无损性、低成本等特点，因此，像微波传感器这样的设备，越来越流行在食品加工业、农业、生物医学应用、化学和国防工业等多个领域。

多年来，不同的测量技术被用于测量和研究材料的介电性能，主要分为谐振法和非谐振法。其中，谐振法更受欢迎，因为它们设计简单、制造成本低、易于小型化和实时监测能力。在这种方法中，测试样品通过某种方式引入到传感器中，从而改变了地平面和谐振器之间空间的总介电常数，从而引起场线的微扰。这最终改变了传感器的谐振频率，并且可以从其空载状态观察到谐振频率的偏移，通过谐振频率的变化得到待测物的介电常数值。

近几年，有人提出了加载单个开口谐振环(Split Ring Resonator,SRR)到微带线上实现介电常数测量的方法,该方法只能测量介电常数变化较大的物质，且测量精度有待提高，文献F. Falcone et al., “Babinet principle applied to the design ofmetasurfaces and metamaterials,” Phys. Rev. Lett., vol. 93, no. 19, Nov.2004, Art. no. 197401.中通过巴比内原理对CSRR进行解释验证。据观察，与SRR相比，基于CSRR的微带谐振传感器能够提供更高的灵敏度。

危险液体检测技术是液体安检领域的一项关键技术，其主要内容是识别出所携带的液体是否为液态危险品。目前，对液体货物的检查主要采用人工方法，包括现场闻液或饮用，效率低下，容易出现误判。此外，市场上现有的危险液体检测设备要么很大，要么不准确。因此，迫切需要一种快速、准确、便携式、廉价的危险液体检测设备。

申请公布号CN 111856148 A一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，利用具有微带线的介质基板搭建液体盛放的容器，增强了待测区域的电场强度，对介电常数的变化更加敏感，显著增强了传感器的灵敏度。但是其结构复杂，液体盛放的容器搭建难度大，导致生产加工困难，由于操作的复杂性并由于其结构决定其仅实用于介电常数为1-10的液体，导致其适应性差且不便于推广。

授权公告号 CN209606521U一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，通过待测样本的电容与样本的介电常数εr成线性关系，从而获得待测样品的介电常数，但是将盛有液体的容器直接放置在该发明上进行测量，由于液体和容器的电容不同，所以该发明不适应对液体介电常数的检测。

发明内容

针对现有技术中的问题本发明提供一种基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法，以解决上述问题，达到结构简单，便于生产加工且能快速、准确测量大范围介电常数的危险液体。

基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器，包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，所述微带线为直线结构且横跨设置在所述介质基板背面的中部，所述CSRR结构设置在所述介质基板正面的中部，所述CSRR结构包括从内向外依次套设的第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环且三者形成互补开口谐振环，所述微带线与所述互补开口谐振环的中心线上下对应，在所述介质基板的正面位于所述互补开口谐振环的位置形成用于放置所述样品容器的测试区。

进一步为：所述第一六边形环和第二六边形环之间的距离为0.1mm-0.4mm，所述第二六边形环和第三六边形环之间的距离为0.9mm-1.2mm，所述第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环三者的侧边宽度均为0.1mm-0.4mm，所述第一六边形环内侧对角线的长度为5mm-5.6mm，所述第二六边形环外侧对角线的长度为7.2mm-8mm，所述第三六边形环外侧对角线的长度为11.6mm-12mm，所述互补开口谐振环的开口宽度为0.1mm-0.4mm，所述互补开口谐振环的开口方向与所述微带线垂直设置且位于六边形环的拐角位置。

为获得良好的阻抗匹配，进一步为：所述微带线的线宽为1.7mm，阻抗为50Ω。

进一步为：所述样品容器为上端开口的圆筒形结构且其材质为高硼硅玻璃，所述样品容器的高度为10mm，所述样品容器的底面壁厚度为0.4mm，所述样品容器的侧壁为0.4mm。

进一步为：在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪。

进一步为：所述介质基板为复合板且包括相互贴合的FR4基板和覆铜层，所述微带线位于所述FR4基板上，所述CSRR结构刻蚀在所述覆铜层上，所述第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环均为凹槽结构。

基于CSRR测量危险液体介电常数的方法，包括所述微带谐振传感器及以下步骤：

步骤1：在圆柱型的样品容器内注入液面大于5mm的待测液体；

步骤2：将所述样品容器放置在所述介质基板上，并使所述样品容器的底面覆盖在CSRR结构上；

步骤3：根据介电常数与谐振频率的经验关系式：ε´=2041.32126*f²-7025.57134*f+6047.61526，从而获得待测液体的介电常数值，其中ε＇为介电常数，f 为微带谐振传感器的谐振频率。

进一步为：所述步骤3中，在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪；将已知介电常数的多种危险液体放置在样品容器中进行采样记录，矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，然后建立所述介电常数与谐振频点的经验关系式，进而根据所述经验关系式得到待测液体的介电常数值。

进一步为：所述样品容器的介电常数和所述介质基板的介电常数相同。

本发明的有益效果：通过三个六边形环的CSRR结构作为传感元件，随着环数的增加，谐振器的等效电容的增加，谐振器的谐振频率总体上有所降低，并提高了微带线与互补开口谐振环之间的电场密度，从而增加了谐振器的Q系数，进而降低损耗且提高效率，并能快速、准确测量大范围介电常数的危险液体。三个六边形环的CSRR结构的性能最佳，因此加入额外的六边形环对传感器性能的影响微不足道。这一配置有效提升了测量区域的电场强度，当不同介电常数的危险液体通过圆筒形样品容器加载到测量区域时，矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，通过建立危险液体介电常数与谐振频点的经验关系式，就能得到待测危险液体的介电常数值，该测量方法灵敏度高，测试方法简单快速，在危险液体安检领域具有较高的应用前景。

附图说明

图1为本发明传感器主体透视结构示意图；

图2为本发明背面的微带线结构和正面的金属铜面示意图；

图3为本发明互补开口谐振环结构尺寸示意图；

图4为本发明互补开口谐振环组成结构示意图；

图5为本发明圆筒形样品容器结构尺寸示意图；

图6为本发明传感器空载时的谐振频率图；

图7为本发明传感器加载样品容器时和传感器空载谐振频率对比图；

图8为本发明加载不同待测液体时谐振频率随液面高度变化的仿真结果图；

图9为本发明加载液体介电损耗角正切tan值为0-0.1时的谐振频率图；

图10为本发明加载不同待测液体时的谐振频率图；

图11为本发明加载不同待测液体时介电常数与谐振频率的拟合曲线图。

其中，1、覆铜层；2、微带线；3、样品容器4、互补开口谐振环；401、第一六边形环；402、第二六边形环、403、第三六边形环、404、第一矩形缺口、 405、第二矩形缺口、406、第三矩形缺口；5、介质基板；6、SMA连接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。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，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明实例中的左、中、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器，结合图1和图2所示，包括介质基板5、微带线2、CSRR结构4和样品容器3，所述微带线2为直线结构且横跨设置在所述介质基板5背面的中部，所述CSRR结构4设置在所述介质基板5正面的中部，结合图4所示，所述CSRR结构4包括从内向外依次套设的第一六边形环401、第二六边形环402和第三六边形环403且三者形成互补开口谐振环，所述微带线2与所述互补开口谐振环的中心线上下对应，在所述介质基板5的正面位于所述互补开口谐振环的位置形成用于放置所述样品容器3的测试区。

其中，结合图3和图4所示，所述第一六边形环401和第二六边形环402之间的距离为t=0.1mm-0.4mm，所述第二六边形环402和第三六边形环403之间的距离为d=0.9mm-1.2mm，所述第一六边形环401、第二六边形环402和第三六边形环403三者的侧边宽度均为s=0.1mm-0.4mm，所述第一六边形环401内侧对角线的长度为c=5mm-5.6mm，所述第二六边形环外侧对角线的长度为b=7.2mm-8mm，所述第三六边形环外侧对角线的长度为a=11.6mm-12mm，所述互补开口谐振环的开口宽度为g=0.1mm-0.4mm，第一矩形缺口404、第二矩形缺口405和第三矩形缺口406均为所述互补开口谐振环的开口，所述互补开口谐振环的开口方向与所述微带线2垂直设置且位于六边形环的拐角位置。结合图2所示，所述微带线2的线宽为W₀=1.7mm，线长L₀=44mm，阻抗为50Ω。结合图5所示，所述样品容器3为上端开口的圆筒形结构且其材质为高硼硅玻璃，所述样品容器3介电常数为4.7且其损耗角正切为0.004，所述样品容器3的高度为h₁=10mm，所述样品容器3的底面壁厚度为q=0.4mm，所述样品容器3的侧壁为p=0.4mm。在所述微带线2的两端分别连接有SMA连接头6，所述SMA连接头6固定连接在所述介质基板5上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪。所述介质基板5的厚度为0.87mm，所述介质基板5为复合板且包括相互贴合的FR4基板和覆铜层1，所述微带线2位于所述FR4基板上，所述CSRR结构4刻蚀在所述覆铜层1上，所述第一六边形环401、第二六边形环402和第三六边形环403均为凹槽结构，随着环数的增加，微带线2与互补开口谐振环之间的电场密度进一步提高，在微带线2的作用下，放置在测量区域的危险液体处于强电磁场下。所述介质基板5的正面沿传输方向的侧边尺寸为L=40mm-44mm，所述介质基板5的正面与传输方向相垂直的侧边尺寸为W=30mm-32mm。

本实施例的工作过程如下：

如图6所示，微带谐振传感器在未加载样品容器时的谐振频率为2.17GHz；如图7所示，传感器在加载样品容器时的谐振频率为1.93GHz，位移量为240MHz；如图8所示，样品容器中放置不同的液体时，液面高度对微带谐振传感器谐振频率的影响，液面高度在大于5mm时谐振频率几乎不再随液面高度变化而变化；如图9所示，当所加载液体的介电常数值相同而介电损耗角正切值tan从 0-0.1进行变化时，微带谐振传感器的谐振频率保持不变，但传感器的S₂₁随着tan值的增大而不断增大；如图10所示，传感器加载五种不同液体时的谐振频率图，所对应的谐振频率值从1.78GHz变化为1.54GHz，总位移量为240MHz，可以看出微带谐振传感器加载不同介电常数值危险液体时具有很高的灵敏度。

基于CSRR测量危险液体介电常数的方法，包括所述微带谐振传感器及以下步骤：

步骤1：在圆柱型的样品容器内注入液面大于5mm的待测液体；

步骤2：将所述样品容器放置在所述介质基板上，并使所述样品容器的底面覆盖在CSRR结构上；

步骤3：根据介电常数与谐振频率的经验关系式：ε´=2041.32126*f²-7025.57134*f+6047.61526，从而获得待测液体的介电常数值，其中ε＇为介电常数，f 为微带谐振传感器的谐振频率。

所述步骤3中，在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪；将已知介电常数的多种危险液体放置在样品容器中进行采样记录，矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，然后建立所述介电常数与谐振频点的经验关系式，进而根据所述经验关系式得到待测液体的介电常数值。

如图11所示，危险液体介电常数与传感器谐振频率的关系拟合曲线图，通过将材料的介电常数值与所对应的谐振频率进行数据拟合，得到了介电常数与传感器谐振频率的经验关系式：ε´=2041.32126*f²-7025.57134*f+6047.61526，其中ε＇为介电常数，f 为谐振频率。基于此关系式可求出未知液体的介电常数值，从而实现危险液体的快速鉴别。

与现有技术（申请公布号CN 111856148 A一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器和授权公告号 CN209606521U一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器）相比：

1.采用了三个六边形环的CSRR结构作为传感元件，增加了微带谐振传感器的等效电容，使得微带谐振传感器的谐振频率总体上降低。本发明中的CSRR结构提高了微带线和互补开口谐振环之间的电场密度。另外，进一步添加额外的环对微带谐振传感器的性能影响非常小，因此使用三个六边形环的CSRR结构可实现最佳性能。同时通过介电常数与传感器谐振频率的经验关系，计算得到液体的介电常数，解决了对比文件2无法检测液体介电常数的问题。另外，结合图11所示，本发明的仿真测量的是五种液体，设计了一个由高硼硅玻璃制成的圆形样品容器用于盛放待测液体，待测液体介电常数范围为5-80，与现有技术（授权公告号 CN209606521U一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器）中测量物体的介电常数测量范围1-10不同，测量的高介电常数的不同液体时，传感器的频率也有明显的改变，对于通过频移分辨不同的液体有明显的提高，常见溶液的不同浓度情况下介电常数分布在10-80，能够检测更多的溶液，亦具有区分溶液浓度的功能。

2.在微带谐振器的品质因数方面，当其他结构参数不变时，CSRR结构中环形结构的改变将会引起CSRR等效电容和等效电感的变化。相同直径下，六边形结构的周长比圆形的小，而等效电容和等效电感与周长成正比，因此，六边形结构的等效电容和等效电感小于圆形结构的，由于环形结构改变对耦合电容Cc的影响较小，可忽略不计，由公式

可知， 微带谐振器品质因数Q值的大小与CSRR的等效电容Cr 、电感Lr以及微带谐振器的等效电阻R和耦合电容Cc 有关，改变CSRR的结构会对Cr和Lr产生影响，而等效电感变化对分母的影响大于等效电容变化对分子的影响，因此六边形CSRR结构的品质因数高于圆形CSRR结构的。其中，Q值一般统称品质因数，它是衡量一个元件或谐振回路性能的一个无量纲单位；简单地说是理想元件与元件中存在的损耗的比值，元件的Q值越高，其损耗越小，效率越高。另外，与现有技术（授权公告号 CN209606521U一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器）相比，将六边形互补开口谐振环的开口位置设置六边形环的拐角上，通过ANSYS HFSS仿真工具模拟建议的传感器，拐角开口的传感器Q值较高，效率较高，对于测量高介电常数的液体时，传感器有着较高的灵敏度，所对应的谐振频率值从1.78GHz变化为1.54GHz，总位移量为240MHz，灵敏度3.24MH/ml。

3.对于液体样品的测量，设计了一个由高硼硅玻璃制成的圆筒形的样品容器，样品容器的介电常数和底部介质基板的介电常数接近或相同，减小了由于介电常数较大变化引起传感器空载时较高的频移。并且样品容器耐物理冲击和化学腐蚀，对于各种危险液体都能测量。它被放置在互补开口谐振环上，保证最大的场相互作用。在实际测量中，可以制造很多个相同规格的容器去测量不同的液体，在测量不同液体的时候只需要更换同样规格的样品容器。这样可以避免用同一种容器测量不同液体时候由于液体残留带来的测量误差。

4. FR4介质基板性能优良且成本低，其工作温度较高，本身性能受环境影响小，具有很高的强度和阻燃性。在加工工艺上，要比其他树脂的玻纤布基板具有很大的优越性。

基于以上特点，保证本本发明可快速、准确测量不同液体特性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.基于CSRR测量危险液体介电常数的方法，包括微带谐振传感器，所述微带谐振传感器包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，其特征在于：所述微带线为直线结构且横跨设置在所述介质基板背面的中部，所述CSRR结构设置在所述介质基板正面的中部，所述CSRR结构包括从内向外依次套设的第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环且三者形成互补开口谐振环，所述微带线的线宽为1.7mm，阻抗为50Ω；所述微带线与所述互补开口谐振环的中心线上下对应，在所述介质基板的正面位于所述互补开口谐振环的位置形成用于放置所述样品容器的测试区；其中，所述第一六边形环和第二六边形环之间的距离为0.1mm-0.4mm，所述第二六边形环和第三六边形环之间的距离为0.9mm-1.2mm，所述第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环三者的侧边宽度均为0.1mm-0.4mm，所述第一六边形环内侧对角线的长度为5mm-5.6mm，所述第二六边形环外侧对角线的长度为7.2mm-8mm，所述第三六边形环外侧对角线的长度为11.6mm-12mm，所述互补开口谐振环的开口宽度为0.1mm-0.4mm，所述互补开口谐振环的开口方向与所述微带线垂直设置且位于六边形环的拐角位置；

通过所述微带谐振传感器测量危险液体的介电常数，所述样品容器为上端开口的圆筒形结构且为高硼硅玻璃材质，在样品容器内注入液面大于5mm的待测液体；将所述样品容器放置在所述介质基板上，并使所述样品容器的底面覆盖在CSRR结构上，所述样品容器的介电常数和所述介质基板的介电常数相同；根据介电常数与谐振频率的经验关系式：ε´=2041.32126*f²-7025.57134*f+6047.61526，从而获得待测液体的介电常数值，其中ε＇为介电常数，f 为微带谐振传感器的谐振频率；其中，在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪；将已知介电常数的多种危险液体放置在样品容器中进行采样记录，矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，然后建立所述介电常数与谐振频点的经验关系式，进而根据所述经验关系式得到待测液体的介电常数值。

2.根据权利要求1所述的基于CSRR测量危险液体介电常数的方法，其特征在于：所述样品容器的高度为10mm，所述样品容器的底面壁厚度为0.4mm，所述样品容器的侧壁为0.4mm。

3.根据权利要求1所述的基于CSRR测量危险液体介电常数的方法，其特征在于：在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪。

4.根据权利要求1所述的基于CSRR测量危险液体介电常数的方法，其特征在于：所述介质基板为复合板且包括相互贴合的FR4基板和覆铜层，所述微带线位于所述FR4基板上，所述CSRR结构刻蚀在所述覆铜层上。

Images