CN117977182A - 一种微波天线传感器及煎炸油品质检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微波天线传感器及煎炸油品质检测系统和方法，微波天线传感器包括：矩形介质基板；微带馈线，微带馈线设置于所述矩形介质基板的上表面；贴片组件，贴片组件包括第一矩形金属贴片、曲折线金属贴片以第二矩形金属贴片，第一矩形金属贴片和曲折线金属贴片设置于矩形介质基板的上表面，矩形金属贴片设置于矩形介质基板的下表面。微带天线传感器的谐振频率会发生规律性变化，所设计的微带天线传感器可以通过谐振频率来确定炸油中的总极性组分比例方面表现出显着的灵敏度，该天线可用于食品工业用途，用于市场上煎炸油品质的快速检测。此外，该煎炸油品质检测方法实现了设备便携性，从而实现实时实地的煎炸油品质检测。

Description

一种微波天线传感器及煎炸油品质检测系统和方法

技术领域

本发明涉及微波测量技术领域，特别涉及一种微波天线传感器及煎炸油品质检测系统和方法。

背景技术

煎炸是食品加工中常用的方法之一，煎炸食品在食品工业尤其是在快餐行业中占据了很重要的地位。在高温煎炸过程中，煎炸油和煎炸食品材料在空气、水分存在的条件下，发生一系列复杂的物理化学反应，赋予煎炸食品独特香气和酥脆口感同时会产生氧化聚合物、过氧化物、游离脂肪酸等有害物质，导致煎炸油的总极性物质含量、酸价、过氧化值等指标发生变化，降低油脂品质和食品的营养价值。所以，对食用油在煎炸过程中的品质控制显得尤为重要。基于化学分析方法的煎炸油品质检测方法费时费力、且污染环境，而基于物理方法的新型检测方法，如核磁共振法、红外或近红外法等存在检测仪器比较昂贵、使用过程中需要采用推荐的标准物进行校正等缺点而难以实现实时实地快速检测。基于微波传感器的煎炸油品质快速检测技术是通过直接建立传感参数与煎炸油品质指标之间的关系，通过检测微波传感器的传感参数(如谐振频率或谐振深度)直接反演出对应的煎炸品质，从而实现煎炸油品质的低成本、便携式快速检测。

微波传感技术是一种利用微波辐射进行测量和检测的技术。这种技术通常是使用微波传感参数的信号来感知目标物体的特性，如目标物体的介电常数、位置、大小、形状、运动速度、温度等。微波传感器通过发射特定电磁信号后，通过接收反射和传输信号来感知周围环境因素的变化，具体是通过接收反射或传输的特征信号来提取目标物体信息，如介电常数、位置等。微波传感技术具有许多优点，具体包括发射的微波信号具有穿透性，能够检测目标物体的细节和微小变化，实现非接触式检测；微波传感技术可以在高温、高湿度等恶劣环境下进行使用，同时具备较强的抗干扰性能。这些特点使得微波传感技术在许多领域得到广泛应用，包括食品检测、医学成像、安防监控、雷达系统和自动驾驶等领域。微波传感技术因其在测量溶液时展现的非接触性测量、高灵敏度、能进行实时监测、适用于复杂环境并且无污染等优点被广泛应用于食品质量检测领域。

微带天线传感器是一种小型化的平板结构，通常由印制在介质基板上特定形状的金属贴片构成，这种天线结构广泛用于微波和射频通信系统中。微带天线相对于传统天线来说易于加工、成本低、易于与系统进行集成，基于微带天线的微带天线传感器设计除了可以保持上述优点外，还具有小型化和高灵敏度传感特性。

因此，如何设计出一种适用于煎炸油品质检测的微波天线传感器并基于该微波天线传感器实现煎炸油品质检测是当下亟需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波天线传感器及煎炸油品质检测系统和方法，该微波天线传感器主要由金属贴片和矩形介质基板组成，其中矩形介质基板上表面的金属贴片由微带馈线、矩形金属贴片和曲折线金属贴片组成，作为辐射体结构；矩形介质基板下表面的金属贴片为矩形金属贴片，作为接地面结构。通过对微带天线传感器的尺寸进行了优化设计，实现了一个电尺寸仅为0.1倍工作波长的微带天线传感器。微带天线传感器的馈电方式为同轴转微带线馈电，通过矢量网络分析仪检测微带天线传感器的反射系数，可以反演出待测煎炸油的总极性组分比例，从而判定煎炸油的品质。具体检测方法为：煎炸油中的总极性组分比例随煎炸时间会上升，导致煎炸油的复介电常数发生变化，从而引起设计的微带，微带天线传感器的谐振频率发生变化。因此，当建立总极性组分比例与微带天线传感器谐振频率之间的关系后，可以通过实时检测微带天线传感器谐振频率，可以实现煎炸油品质的快速检测。

为了达到上述目的，采用的技术方案如下：

根据本申请的第一方面，提供一种微波天线传感器，其特征在于，包括：

矩形介质基板；

微带馈线，所述微带馈线设置于所述矩形介质基板的上表面；

贴片组件，所述贴片组件包括第一矩形金属贴片、曲折线金属贴片以第二矩形金属贴片，所述第一矩形金属贴片和曲折线金属贴片设置于所述矩形介质基板的上表面，所述矩形金属贴片设置于所述矩形介质基板的下表面。

需要说明的是，该微波天线传感器的结构设计不仅有助于提升谐振性能，而且能够适应多种工作环境和检测对象。

进一步地，所述矩形介质基板采用FR4材料或者类似于FR4板材材料制造而成。

需要说明的是，矩形介质基板材料为类似于FR4板材等其它常见材料，首先，FR4材料的相对介电常数较为稳定，这有助于保持微带天线传感器工作频率稳定性；其次，FR4具有良好的机械强度和刚性，为微带天线传感器提供了结构上的支撑，同时在制造过程中易于处理；此外，FR4成本相对较低，使得它成为广泛采用的天线传感器的基板选择之一。

优选的，所述矩形介质基板的材料为类似于FR4板材等其它常见材料,介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。

进一步地，所述矩形介质基板的上表面设置的微带馈线、第一矩形金属贴片和曲折线金属贴片形成所述微波天线传感器的辐射体。

优选的，所述微带天线传感器的矩形介质基板上表面为经过设计的微带馈线与曲折线金属贴片，该曲折线金属贴片的长度与宽度对微带天线传感器的谐振频率产生影响，该曲折性金属贴片的设计可以缩小微带天线传感器的尺寸。矩形介质基板上表面的微带馈线根据采用的矩形介质基板材料和厚度可计算出微带馈线的宽度。

进一步地，所述第二矩形金属贴片作为所述微波天线传感器的接地面。

优选的，矩形介质基板下表面设计为矩形金属贴片，作为接地面，提高了微带天线传感器的辐射效率，通过良好的接地面结构设计，可以使电流分布更加均匀，提高了微带天线传感器的性能。

进一步地，所述微波天线传感器采用同轴转微带线馈电，其特性阻抗为50Ω。

需要说明的是，通过同轴微带线馈电，可以保持微带天线传感器良好的结构性能，也可以提供良好的阻抗匹配优化空间，从而提高微带天线传感器的辐射效率。

进一步地，所述微波天线传感器的电尺寸为0.155λ。

需要说明的是，微带天线传感器上表面的曲折线金属贴片的曲折结构通常比直线结构具有更长电流路径，从而现实微波天线传感器结构的尺寸小型化，并有效提高微波天线传感器的灵敏度。因此，所述微波天线传感器可以在更小的尺寸范围内完成所期望的要求，微波天线传感器的电尺寸仅为0.155λ，是一种结构紧凑的设计，适应于有限的煎炸油检测空间。

根据本申请的第二方面，提供一种煎炸油品质检测系统，其特征在于，包括如本申请第一方面所述的微带天线传感器以及矢量网络分析仪，所述微带天线传感器的同轴馈电端口通过同轴线缆连接到矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪用于测量所述微带天线传感器的反射系数并根据分析反射系数中谐振频率变化，反演出待测煎炸油的品质变化。

优选的，所采用的为矢量网络分析仪(LiteVNA64-4寸-0.3.1版本)，可测量的频率范围为50kHz-6.3GHz。

优选的，该煎炸油品质检测系统还包括上位机，所述矢量网络分析仪采用数据线缆与所述上位机信号连接。

根据本申请的第三方面，提供一种煎炸油品质检测方法，基于本申请的第二方面所提供的煎炸油品质检测系统，所述方法包括：

对含有不同总极性组分比例有特种煎炸油进行介电频谱测量，构建煎炸油介电频谱与总极性组分比例之间的关系；

根据煎炸油介电特性变化对设计的微带天线传感谐振频率的影响，构建微带天线传感谐振频率与煎炸油的总极性组分比例之间的关系曲线，并采用公式对关系曲线进行拟合；

将微带线传感器侵入待测煎炸油，根据微带线传感器的反射系数，分析微带天线传感器的谐振频率；

利用构建的微带天线传感器的谐振频率与煎炸油的总极性组分比例之间的关系，获得待测煎炸油的总极性组分比例。

进一步地，采用标准介电常数测试设备，对含有不同总极性组分比例有特种煎炸油进行介电频谱测量。

进一步地，根据微带线传感器的反射系数，分析微带天线传感器的谐振频率，包括：

采用矢量网络分析仪对测量微带线传感器的反射系数，并通过数据线传输至上位机，分析微带天线传感器的谐振频率。

本发明的有益效果是：

本发明可以实现煎炸油中总极性组分比例的快速检测。该微带天线传感器的结构紧凑、尺寸较小，在实验中，随着总极性组分比例的增加，微带天线传感器的谐振频率会发生规律性变化，所设计的微带天线传感器可以通过谐振频率来确定炸油中的总极性组分比例方面表现出显着的灵敏度，该天线可用于食品工业用途，用于市场上煎炸油品质的快速检测。此外，该煎炸油品质检测方法实现了设备便携性，从而实现实时实地的煎炸油品质检测。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例1的一种微波天线传感器的结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例2的一种基于微带天线传感器的煎炸油检测系统的结构示意图。

图3示出了根据本发明实施例3的微波天线传感器在含有不同总极性组分比例条件下的反射系数模|S11|频谱图。

图4示出了根据本发明实施例3的微波天线传感器在含有不同总极性组分比例条件下的谐振频率曲线图。

图中，1为矩形介质基板，2为微带馈线，3为第一矩形金属贴片，4为曲折线金属贴片，5为第二矩形金属贴片，6为SMA接头，7为微带天线传感器，8为待测煎炸油，9为待测煎炸油容器，10为矢量网络分析仪的同轴线缆，11为连接矢量网络分析仪与上位机的数据线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

本发明实施例提供一种微波天线传感器，如图1所示，该微带天线传感器包括：矩形介质基板1，所述介质基板设置为矩形贴片，其尺寸为22mm×21.5mm×0.8mm。

所述矩形介质基板1的上表面为金属贴片，作为辐射体，具体包括：微带馈线2、第一矩形金属贴片3、曲折线金属贴片4。

所述矩形介质基板1的下表面为第二矩形金属贴片5，作为接地面。

所述微带馈线2连接有同轴转微带馈线的SMA接头6。

实施例2：

基于实施例1所提供的微波天线传感器，本发明实施例还提供一种煎炸油品质检测系统，如图2所示，包括：微带天线传感器7、待测煎炸油8、待测煎炸油容器9、连接微带天线传感器7与矢量网络分析仪的同轴线缆10、连接矢量网络分析仪与上位机的数据线11。

本实施例中，待测煎炸油8的液体高度为20mm，煎炸油容器9的半径和高度分别为50mm和50.5mm，壁厚为3mm，容器材料为玻璃。

本实施例中，微带天线传感器7通过谐振频率的变化感知煎炸油介电特性的变化，进一步感知煎炸油中总极性组分的变化，从而实现煎炸油品质检测。

本实施例中，矢量网络分析仪用于测试微带天线传感器7的谐振频率。

本实施例中，上位机用于分析微带天线传感器的谐振频率，并反演出煎炸油中总极性组分的比例。

实施例3：

于上述实施例1中的一种微带天线传感器，本申请还提出一种使用上述设计的微波传感器的煎炸油品质检测方法，包括以下步骤：

步骤1，如图2第一部分所示，将微带天线传感器的曲折线金属贴片部分侵入待测煎炸油8中，通过其谐振频率感知待测煎炸油的介电特性，进一步反演煎炸油的总极性组分比例。

步骤2，如图2第二部分所示，采用一款微型矢量网络分析仪8对微带天线传感器的反射系数频谱进行测量，并通过数据线7传递到上位机；

步骤3，如图2第三个部分所示，上位机软件对微带天线传感器的反射系数频谱进行分析，获得微带天线传感器的谐振频率(最小反射系数模对应的工作频率)。

步骤4，如图3所示，对已知总极性组分比例的煎炸油进行微带天线传感器电磁仿真，获得仿真的反射系数频谱与实际测量反射系数频谱进行对照。

步骤5，如图4所示，对已知总极性组分比例的煎炸油进行微带天线传感器电磁仿真，获得仿真的谐振频率与实际测量的谐振频率进行对照，使用Rational Taylor模对谐振频率与总极性组分比例之间的关系曲线进行拟合，拟合拟合优度R²＝0.99631。

将微带天线传感器侵入未知总极性组分比例的煎炸油，对其谐振频率进行测量，参照上述拟合关系曲线，获得待测煎炸油的总极性组分比例，进一步判定煎炸的品质。

参考图4所示的拟合关系曲线，未使用过的新鲜油脂都是弱极性，总极性组分比例在5％左右，随着煎炸时间增长，煎炸油的总极性组分比例可以超过30％。根据我国现行国家标准GB 2716-201规定煎炸油的总极性组分比例上限值为27％，超过上限值的食用油必须废弃。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种微波天线传感器，其特征在于，包括：

矩形介质基板；

微带馈线，所述微带馈线设置于所述矩形介质基板的上表面；

贴片组件，所述贴片组件包括第一矩形金属贴片、曲折线金属贴片以第二矩形金属贴片，所述第一矩形金属贴片和曲折线金属贴片设置于所述矩形介质基板的上表面，所述矩形金属贴片设置于所述矩形介质基板的下表面。

2.如权利要求1所述的微波天线传感器，其特征在于，所述矩形介质基板采用FR4材料或者类似于FR4板材材料制造而成。

3.如权利要求1所述的微波天线传感器，其特征在于，所述矩形介质基板的上表面设置的微带馈线、第一矩形金属贴片和曲折线金属贴片形成所述微波天线传感器的辐射体。

4.如权利要求1所述的微波天线传感器，其特征在于，所述第二矩形金属贴片作为所述微波天线传感器的接地面。

5.如权利要求1所述的微波天线传感器，其特征在于，所述微波天线传感器采用同轴转微带线馈电，其特性阻抗为50Ω。

6.如权利要求1所述的微波天线传感器，其特征在于，所述微波天线传感器的电尺寸为0.155λ。

7.一种煎炸油品质检测系统，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的微带天线传感器以及矢量网络分析仪，所述微带天线传感器的同轴馈电端口通过同轴线缆连接到矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪用于测量所述微带天线传感器的反射系数并根据分析反射系数中谐振频率变化，反演出待测煎炸油的品质变化。

8.如权利要求7所述的煎炸油品质检测系统，其特征在于，还包括上位机，所述矢量网络分析仪采用数据线缆与所述上位机信号连接。

9.一种煎炸油品质检测方法，其特征在于，基于权利要求7至8中任一项所述的煎炸油品质检测系统，所述方法包括：

对含有不同总极性组分比例有特种煎炸油进行介电频谱测量，构建煎炸油介电频谱与总极性组分比例之间的关系；

根据煎炸油介电特性变化对设计的微带天线传感谐振频率的影响，构建微带天线传感谐振频率与煎炸油的总极性组分比例之间的关系曲线，并采用公式对关系曲线进行拟合；

将所述微带线传感器侵入待测煎炸油，根据微带线传感器的反射系数，分析微带天线传感器的谐振频率；

利用构建的微带天线传感器的谐振频率与煎炸油的总极性组分比例之间的关系，获得待测煎炸油的总极性组分比例。

10.如权利要求9所述的煎炸油品质检测方法，其特征在于，根据微带线传感器的反射系数，分析微带天线传感器的谐振频率，包括：

采用矢量网络分析仪对测量微带线传感器的反射系数，并通过数据线传输至上位机，分析微带天线传感器的谐振频率。