CN118032086A - 一种利用谐振传感器测量液位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用谐振传感器测量液位的方法，涉及传感器技术领域，所述谐振传感器包括微波电路和柔性基底，所述微波电路包括谐振结构与激励传输线，所述激励传输线为含共面波导的人工表面等离激元的传输线；所述谐振结构为阵列，分布在谐振传感器的两端；测量液位时，将待测液体容器水平放置，谐振传感器绕过待测液体容器底部并包裹在待测液体容器表面，两端的谐振结构水平对齐；谐振传感器的两端连接矢量网络分析仪，根据相应位置谐振结构的频率是否发生偏移，判断对应谐振结构处的液面位置和液面倾角。本发明利用柔性谐振传感器能穿透容器的特点直接对液体液位进行测量，可以安装在任意形状的容器外侧，测量结果不受电磁干扰影响。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种利用谐振传感器测量液位的方法。
背景技术
在现代生产和生活的工业化进程中，液位是人们经常使用的一个重要参数。从运载火箭、航空飞机、潜艇的发射，到化工生产、石油储运、生物医药、食品饮料等行业，液位检测技术的作用无处不在。在各个领域，存在一些特殊的测量环境，对液位测量方法和仪器提出了特殊的要求。例如，航空航天运载火箭中的液体推进剂罐具有低温、高压等恶劣条件，这就要求传感器不能通过钻孔的方式安装在容器壁上，以避免容器的完整性。内部液体介质可能具有易燃、易爆、易腐蚀等特殊性质，需要在不直接接触被测物体的情况下进行非接触式测量。在斜坡上的油罐车或加速或减速的飞机上，油罐内部的液位是动态的，且表面倾斜。此外，内部介质中可能存在杂质、气泡和污染物。在这种情况下，需要高精度和实时传感器来避免上述因素的干扰。因此，开发一种能与现有传感器互补的新型液位传感器变得越来越重要。
电容式传感器由于需要接触测量，因此无法测量带有腐蚀性性质的液体。当液面出现晃动、倾斜时，需要多个传感器才能进行测量，这增加了测量成本。另外，该传感器易受城市电磁噪声的影响。
雷达液位计为常见的非接触测量设备，它通过测量液面的反射回波信号来判断液位。雷达式液位计必须安装在液体的上方，容器的内部，这对密闭空间的测量带来了困难，也难以保证容器的完整性。另一方面，雷达式液位计无法穿透容器进行测量，也无法测量倾斜液面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用谐振传感器测量液位的方法，能够穿透容器直接对液体进行测量，且基底为柔性，可以安装在任意形状的容器外侧。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用谐振器测量液位的方法，所述谐振传感器包括微波电路和柔性基底，所述微波电路包括谐振结构MSS与激励传输线，所述激励传输线为含共面波导的人工表面等离激元SSPPs的传输线；共面波导直接与传输线相连，其作用为将同轴电缆中的TEM波转化为能在SSPPs传输线上传输的表面波。
所述谐振结构MSS为阵列，分布在谐振传感器的两端；
测量液体液位时，将待测液体容器水平放置，谐振传感器绕过待测液体容器底部并包裹在待测液体容器表面，两端的谐振结构MSS水平对齐；
将谐振传感器的两端连接矢量网络分析仪，根据相应谐振结构MSS位置的频率是否发生偏移，判断对应谐振结构MSS的液面位置和液面倾角。
优选的，所述谐振结构包括开口环谐振器SRR，互补开口环谐振器CSRR。
优选的，所述判断对应谐振结构MSS的液面位置和液面倾角包括以下步骤：
首先：观察某个谐振结构MSS的共振频率是否已经发生了变化；
第二：选择左侧有频率变化且与待测液体容器底部垂直距离最远处的频率，根据该频率对应的谐振结构MSS的位置确定左侧液位，然后根据同样的原理确定右侧液位，最后计算出液面的倾斜角度。
优选的，计算液面的倾斜角度表达式为：
H′i＝Δfi/Δfimax×Ri (2)；
式中，M和N分别代表两端谐振结构对应的共振峰的位移量；Ri表示编号为i谐振结构的直径；dbottom表示容器的底部边缘的长度；H′i表示编号为i的谐振结构上覆盖液体的高度；fi为编号为i的谐振结构MSS的频率当前偏移量；fimax为编号为i的谐振结构MSS的频率最大偏移量。
与现有技术相比较，本发明有如下有益效果：
本发明利用柔性谐振传感器能穿透容器直接对液体液位进行测量，且柔性谐振传感器基底为柔性，可以安装在任意形状的容器外侧。另外，能测量液面的倾角，且不受电磁干扰影响。
附图说明
图1为本发明测量液位时示意图；
图2为本发明实施例测量未倾斜液面的示意图；
图3为本发明实施例S21曲线在液面从0-20mm的变化示意图；
图4为本发明实施例测量倾斜液面的示意图；
图5为本发明实施例对应H＝27.8mm和20mm的S21曲线示意图；
图6为本发明实施例谐振传感器结构示意图；
图中所示
1—柔性基底；2—激励传输线；3—人工表面等离激元SSPPs；4—容器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种利用谐振传感器测量液位的方法，如图6所示，所述谐振传感器包括微波电路和柔性基底，所述微波电路包括谐振结构与激励传输线，所述激励传输线为含共面波导的人工表面等离激元SSPPs的传输线；共面波导直接与传输线相连，其作用为将同轴电缆中的TEM波转化为能在SSPPs传输线上传输的表面波。
所述谐振结构为阵列，分布在谐振传感器的左右两端，对液位的传感由这14个谐振结构完成；所述谐振结构MSS包括但不仅限于开口环谐振器SRR，互补开口环谐振器CSRR等。
测量液体液位时，将待测液体容器水平放置，谐振传感器绕过待测液体容器底部并包裹在待测液体容器表面，两端的谐振结构MSS水平对齐；
将谐振传感器的两端连接矢量网络分析仪，根据相应谐振结构MSS的频率是否发生偏移，判断对应谐振结构的液面位置和液面倾角。
所述判断对应谐振结构MSS的液面位置和液面倾角包括以下步骤：
首先：当某一个谐振结构MSS下方存在液体时，其对应的谐振频率将会发生偏移，而其他谐振结构MSS的谐振频率则不变。将谐振结构MSS按照图2所示进行编号，观察两端的谐振结构MSS的共振频率是否已经发生了变化；
第二：选择左侧有频率变化且与待测液体容器底部垂直距离最远处的频率，根据该频率对应的谐振结构MSS的位置确定左侧液位，然后根据同样的原理确定右侧液位，最后计算出液面的倾斜角度。
计算液面的倾斜角度表达式为：
H′i＝Δfi/Δfimax×Ri (2)；
式中，M和N分别代表两端谐振结构对应的共振峰的位移量；Ri表示编号为i谐振结构的直径；dbottom表示容器的底部边缘的长度；H′i表示编号为i的谐振结构上覆盖液体的高度；fi为编号为i的谐振结构MSS的频率当前偏移量；fimax为编号为i的谐振结构MSS的频率最大偏移量。
H′i可以通过每个谐振结构MSS的谐振频率偏移与被液体覆盖的区域的长度之间的关系获得，也可以通过获得每个的最大频率偏移谐振结构MSS，然后使用公式2计算H′i，但是需要提前向容器内填充液体，直到液位淹没谐振结构MSS区域一次。
本发明排除了对较低编号谐振结构的频率的需要，从而将测量液位的绝对误差限制在最有效谐振结构MSS的编号大小内。整个过程不需要使用编号较低的频率，将测量两侧液位的绝对误差限制在最大编号谐振结构MSS的范围内。
如图2所示，容器的材料为丙烯酸材料，相对介电常数为2.5，损失切线为0.003，厚度为1mm，底部边缘长度为60mm。
#1谐振结构和#2谐振结构距离容器底部20mm，求解采用时域求解器，频带设置为313GHz。“每波长的单元格”被设置为20，为了实现对谐振结构的超薄结构精确分析，将“最大胞元接近模型的分数”设置为6。
图3所示，为系统传输信号S21(矢量网络分析仪输出信号)随着系统的液位从0到20mm的变化曲线，S21曲线在3～4.75GHz和4.75～7.25GHz的频段内表现出14个谐振峰，与#1至#14谐振结构MSS的相对应，#1谐振结构MSS的谐振频率为5.02GHz，3dB带宽为70MHz，Q因子为71.7，其他谐振结构MSS的3dB带宽与MSS#1相似。在液位尚未达到的区域，每个谐振结构MSS的谐振频率不变。
如图4所示，将液面设置为倾斜模式，计算出液面Ⅰ到液面Ⅲ的频率变化情况。如图5所示，液面I和液面II情况下的S21曲线，其中#1谐振结构MSS和#2谐振结构MSS的谐振频率从5.02GHz和5.14GHz改变到4.92GHZ和5.04GHz可以发现谐振频率f1、f2和f4都发生了变化，#4谐振结构MSS谐振频率f4变为5.32GHz，是由于液体覆盖了#4谐振结构MSS的不同区域。
本发明利用柔性谐振传感器可以任意弯曲和缠绕在容器的特点，每个人工表面等离激元SSPPs只对其自身大小范围内的液位变化敏感，并且每个人工表面等离激元SSPPs的响应都是独立的。与其他类型的传感器相比，本发明利用柔性谐振传感器具有灵活性、穿透容器测量的能力测量液体表面倾斜角度。
Claims (4)
1.一种利用谐振传感器测量液位的方法，其特征在于，
所述谐振传感器包括微波电路和柔性基底，所述微波电路包括谐振结构与激励传输线，所述激励传输线为含共面波导的人工表面等离激元SSPPs的传输线；
所述谐振结构为阵列，分布在谐振传感器的两端；
测量液体液位时，将待测液体容器水平放置，谐振传感器绕过待测液体容器底部并包裹在待测液体容器表面，两端的谐振结构水平对齐；
将谐振传感器的两端连接矢量网络分析仪，根据相应谐振结构位置的频率是否发生偏移，判断对应谐振结构处的液面位置和液面倾角。
2.根据权利要求1所述的一种利用谐振传感器测量液位的方法，其特征在于，所述谐振结构包括开口环谐振器SRR，互补开口环谐振器CSRR。
3.根据权利要求1所述的一种利用谐振传感器测量液位的方法，其特征在于，所述判断对应谐振结构的液面位置和液面倾角包括以下步骤：
首先：观察某个谐振结构的共振频率是否已经发生了变化；
第二：选择左侧有频率变化且与待测液体容器底部垂直距离最远处的频率，根据该频率对应的谐振结构的位置确定左侧液位，然后根据同样的原理确定右侧液位，最后计算出液面的倾斜角度。
4.根据权利要求3所述的一种利用谐振传感器测量液位的方法，其特征在于，计算液面的倾斜角度表达式为：
Hi ′＝Δfi/Δfimax×Ri (2)；
式中，M和N分别代表两端谐振结构对应的共振峰的位移量；Ri表示编号为i谐振结构的直径；dbottom表示容器的底部边缘的长度；Hi ′表示编号为i的谐振结构上覆盖液体的高度；fi为编号为i的谐振结构MSS的频率当前偏移量；fimax为编号为i的谐振结构MSS的频率最大偏移量。
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