CN209789828U - 一种用于帕金森高危人群检测的超材料传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，包括基板、带通滤波器和开口谐振环地板；带通滤波器设于基板的正面，包括沿X轴方向依次设置并相接的第一单元、第二单元组、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元和第七单元；第二单元组包括两个弯折单元；开口谐振环地板包括地板本体和该地板本体上镂空的第一谐振环单元和第二谐振环单元；地板本体设于基板的背面；第一谐振环单元和第二谐振环单元均由两个同心设置、开口相反的镂空环体构成；基板的相对的两个侧面分别具有馈电端口，馈电端口的一端与带通滤波器相接，另一端与开口谐振环地板的地板本体相接。本实用新型具有尺寸小、精度高、使用简单等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于生物医学电磁学领域，涉及一种用于检测的传感器，尤其涉及一种帕金森高危人群检测的超材料传感器。
背景技术
生物医学电磁学是研究电磁场与生物系统相互关系相互作用的一门跨越传统学科边界的交叉学科。它与生命科学以及生物医学工程学都有着密切的关系。现如今的生物医学与电磁学结合更加紧密，生物医学电磁学发展更为迅速。
我国人口老龄化日趋严重，到2035年将有超过4亿的65岁以上老年人口。而帕金森病的发病率与人口老龄化密切相关，目前中国65岁以上老年人的患病率约为1.7％，随着中国人口老龄化的加剧，发病率也将逐年升高。由于帕金森病治疗需要患者长期住院以监测其病情的进展，同时随着时间的推移调整对病人的治疗，以便对治疗做出客观和可靠的评估并减少处方药物的潜在副作用。因此帕金森症发病率的增加将给国家医疗和病患家庭带来巨大的负担。如何识别处于疾病早期的帕金森病高危人群，建立适合中国人群的高危人群早期预警方法越来越受到各方关注。
然而目前非专业临床医生还没有对帕金森病进行明确诊断的方法，特别是在疾病的早期阶段，症状可能是隐匿的和特征不明显的。这会导致很高的漏诊率(非专科医生的误诊率高达25％)，而且患者在确诊前可能已患病多年。这就需要有一种更准确、客观的早期诊断手段。
手指敲击试验是帕金森病统一评定量表的一项，它对上运动神经元损伤高度敏感，可以提供了关于上肢精细运动技能的信息，已经被作为客观评估工具来评估健康受试者和一些神经和神经心理学患者的运动表现。通过对手指敲击运动进行评估，可以有效的评估帕金森病的进展。
实用新型内容
本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，可作为检测帕金森病症的基础核心工具，与其他采集数据设备和输出设备结合，可有效精准地检测帕金森病症。
为实现上述目的，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，包括基板、带通滤波器和开口谐振环地板；带通滤波器设于基板的正面，包括沿X轴方向依次设置并相接的第一单元、第二单元组、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元和第七单元；第一单元、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元和第七单元均呈矩形，矩形的边分别与X轴和Y轴方向一致；第二单元组包括两个弯折单元，两个弯折单元沿Y轴方向分布、且中心对称；弯折单元包括依次相接的短水平段、竖直段和长水平段；短水平段与长水平段平行，设置方向均与X轴方向一致，且二者的一端对齐；竖直段设于短水平段与长水平段对齐的一端，并垂直于短水平段，竖直段的两个端部分别与短水平段和长水平段的外侧边平齐；两个弯折单元的长水平段相邻；上方的弯折单元的长水平段与第一单元相接，下方的弯折单元的长水平段与第三单元相接；第一单元、第三单元和第七单元的中心线、以及第二单元组的对称中心均位于同一直线上；第一单元、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元和第七单元的底边均平齐；开口谐振环地板包括地板本体和该地板本体上镂空的第一谐振环单元和第二谐振环单元；地板本体设于基板的背面；第一谐振环单元和第二谐振环单元均由两个同心设置、开口相反的镂空环体构成，第一谐振环单元和第二谐振环单元沿X轴方向依次分布，第一谐振环单元的外径大于第二谐振环单元的外径；基板的相对的两个侧面分别具有馈电端口，馈电端口的一端与带通滤波器相接，另一端与开口谐振环地板的地板本体相接。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：其中，基板呈矩形，其较长的边沿X轴方向设置；第一单元的中心线位于基板的X轴方向中心线上；第一谐振环单元和第二谐振环单元的中心均位于基板的X轴方向中心线上。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：其中，在带通滤波器中，设定各单元和单元组的沿X轴方向的长度为水平长度、沿Y轴方向的长度为竖直长度；第一单元、第五单元和第七单元的水平长度大于其竖直长度；第三单元、第四单元和第六单元的水平长度小于其竖直长度。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：其中，第一单元的水平长度小于第七单元的水平长度；第三单元的水平长度大于第五单元的水平长度；第四单元和第六单元的水平长度相等，小于第一单元的水平长度，大于第三单元的水平长度；第二单元组的水平长度小于第一单元的水平长度，大于第四单元的水平长度；第四单元位于基板的中心上；第一单元、第三单元和第七单元的竖直长度相等；第五单元的竖直长度小于第一单元的竖直长度；第二单元组的竖直长度大于第一单元的竖直长度；第四单元和第六单元的竖直长度相等，大于第二单元组的竖直长度。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：其中，弯折单元中，短水平段、长水平段和竖直段的段宽均相等，竖直段的段长小于短水平段的段长，短水平段的段长小于长水平段的段长；短水平段与长水平段之间的间隙小于短水平段的段宽；两个弯折单元之间的间隙小于短水平段的段宽；下方的弯折单元与第一单元之间的间隙小于短水平段的段宽。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：其中，第一谐振环单元和第二谐振环单元中，内外两个环体的开口间隙相等；第一谐振环单元和第二谐振环单元中，各圈半径由外向内等量递减，递减量与其环体的开口间隙相等。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：其中，第一谐振环单元和第二谐振环单元中，内外两个镂空环体的开口沿Y轴方向分布，内环的开口朝向Y轴的正方向，外环的开口朝向Y轴的负方向。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：其中，第一谐振环单元和第二谐振环单元分别位于基板的中心的两侧。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：还包括防腐蚀薄膜，附着在基板的正面，将带通滤波器包覆在内。
进一步，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，还可以具有这样的特征：其中，带通滤波器和开口谐振环地板的地板本体均为铜片。
本实用新型的有益效果在于：第一、传感器的尺寸较小，且传感器结构设计简单，制作成本低。第二、传感器的精度高，使用简单，可广泛应用于老年人群中，故便于在社区推广。第三、传感器为平面结构，故十分易于与智能终端集成，进而供个人使用，这就使持续、实时记录个体帕金森病发展情况成为可能。
附图说明
图1是传感器的立体结构示意图；
图2是传感器的主视图；
图3是开口谐振环地板的结构示意图；
图4是传感器的仰视图；
图5a是有无手指敲击传感器时的S21参数对比图；
图5b是手指敲击传感器偏移时的S21参数对比图；
图5c是手指不同力度敲击传感器时的S21参数对比图；
图6a是无手指敲击时传感器周围电场分布；
图6b是有手指敲击时传感器周围电场分布。
具体实施方式
以下结合附图来说明本实用新型的具体实施方式。
如图1所示，本实用新型提供一种帕金森高危人群检测的超材料传感器，包括基板1、带通滤波器2、开口谐振环地板3和防腐蚀薄膜。
基板1呈矩形，其较长的边沿X轴方向设置，较短的边沿Y轴方向设置。
基板1的材质为聚苯醚，其相对介电常数为3.6，具有收缩率低，尺寸稳定性好且耐腐蚀等优点。
基板1的较长边的长度为L＝26mm，较短边的长度为W＝19.5mm，厚度为1mm。
如图1、2和4所示，带通滤波器2设于基板1的正面，包括沿X 轴方向依次设置并相接的第一单元21、第二单元组、第三单元23、第四单元24、第五单元25、第六单元26和第七单元27。
第一单元21、第三单元23、第四单元24、第五单元25、第六单元 26和第七单元27均呈矩形，这些矩形的边分别与X轴和Y轴方向一致。
第二单元组包括两个弯折单元22。两个弯折单元22沿Y轴方向分布、且中心对称。两个弯折单元22沿Y轴方向分布是指，两个弯折单元 22的分布方向与带通滤波器2中各单元的分布方向相垂直。
弯折单元22包括依次相接的短水平段221、竖直段222和长水平段 223。短水平段221、竖直段222和长水平段223均为端部与侧边相垂直的细矩形条状。
短水平段221与长水平段223平行，设置方向均与X轴方向一致，即短水平段221和长水平段223的各侧边均与X轴方向一致。短水平段 221和长水平段223的一端对齐。
竖直段222设于短水平段221与长水平段223对齐的一端，并垂直于短水平段221，即竖直段222的侧边与Y轴方向一致。竖直段222的两个端部分别与短水平段221和长水平段223的外侧边平齐。
两个弯折单元22的长水平段223相邻，即两个弯折单元22的长水平段223设置在第二单元组的内部，短水平段221设置在第二单元组的外侧。
上方的弯折单元22的长水平段223与第一单元21相接，下方的弯折单元22的长水平段223与第三单元23相接。
其中，第一单元21、第三单元23和第七单元27的中心线、以及第二单元组的对称中心均位于基板1的X轴方向的中心线上。
第一单元21、第三单元23、第四单元24、第五单元25、第六单元 26和第七单元27的底边均平齐。
在带通滤波器2中，设定各单元和单元组的沿X轴方向的长度为水平长度、沿Y轴方向的长度为竖直长度。
第一单元21、第五单元25和第七单元27的水平长度大于其竖直长度。第三单元23、第四单元24和第六单元26的水平长度小于其竖直长度。
第一单元21的水平长度L21小于第七单元27的水平长度L27。第三单元23的水平长度L23大于第五单元25的水平长度L25。第四单元 24的水平长度L24和第六单元26的水平长度L26相等，小于第一单元 21的水平长度L21，大于第三单元23的水平长度L23。
第二单元组的水平长度小于第一单元21的水平长度L21，大于第四单元24的水平长度L24。
第四单元位于基板1的中心上。
第一单元21的竖直长度W21、第三单元23的竖直长度W23和第七单元27的竖直长度W27均相等。第五单元25的竖直长度W25小于第一单元21的竖直长度W21。
第二单元组的竖直长度大于第一单元21的竖直长度L21。
第四单元24和第六单元26的竖直长度相等，大于第二单元组的竖直长度。
弯折单元22中，短水平段221、长水平段223和竖直段222的段宽DW均相等，竖直段222的段长DL2小于短水平段221的段长DL1，短水平段221的段长DL1小于长水平段223的段长DL3。
短水平段221与长水平段223之间的间隙小于短水平段221的段宽 DW。两个弯折单元22之间的间隙小于短水平段221的段宽DW。下方的弯折单元22与第一单元21之间的间隙小于短水平段221的段宽DW，上方的弯折单元22与第三单元23之间的间隙小于短水平段221的段宽DW。
如图1、3和4所示，开口谐振环地板3包括地板本体31和该地板本体31上镂空的第一谐振环单元321和第二谐振环单元322。
地板本体31设于基板1的背面，呈矩形，与基板1的形状相匹配。
第一谐振环单元321和第二谐振环单元322均由两个同心设置、开口相反的镂空环体构成。镂空环体是指地板本体31镂空，镂空部分的形状为具有开口的环体。
第一谐振环单元321和第二谐振环单元322沿X轴方向依次分布。第一谐振环单元321和第二谐振环单元322的中心均位于基板1的X轴方向中心线上。第一谐振环单元321和第二谐振环单元322分别位于基板1的中心的两侧。
第一谐振环单元321和第二谐振环单元322中，内外两个镂空环体的开口沿Y轴方向分布，内环的开口朝向Y轴的正方向，外环的开口朝向Y轴的负方向。
第一谐振环单元321的外径大于第二谐振环单元322的外径。
第一谐振环单元321和第二谐振环单元322中，内外两个环体的开口间隙相等。第一谐振环单元321和第二谐振环单元322中，各圈半径由外向内等量递减，递减量与其环体开口的间隙相等。由外向内，各圈半径依次指外环体的外半径、外环体的内半径、内环体的外半径和内环体的内半径。
如图2和3所示，优选的，基板1、带通滤波器2和开口谐振环地板3中各结构的尺寸如下表所示。
| L | 26 | W | 19.5 |
| L21 | 8.5 | W21/W23/W27 | 1.4 |
| DW | 0.4 | DL2 | 1 |
| DL1 | 1.6 | W25 | 0.7 |
| DL3 | 2.4 | W26-27 | 1.2 |
| L23 | 1.3 | W1 | 9.05 |
| L24/L26 | 1.5 | W3 | 8.05 |
| L25 | 0.8 | R1 | 1.7 |
| L27 | 9.4 | R2 | 1.3 |
| L31 | 1.7 | G1 | 0.3 |
| L32 | 10 | G2 | 0.2 |
其中，W26-27为第六单元26与第七单元27的竖直长度之差；W1 为第七单元27的侧边至基板1的较长边的距离；R1为第一谐振环单元321的外半径；R2为第二谐振环单元322的外半径；G1为第一谐振环单元321的环体的开口间隙；G2为第二谐振环单元322的环体的开口间隙； W3为第一谐振环单元321的外圈至至基板1的较长边的距离；L31为第一谐振环单元321和第二谐振环单元322之间的距离；L32为第二谐振环单元322的外圈至基板1的较短边的距离。
基板1的相对的两个侧面分别具有馈电端口11。一个馈电端口11 的一端与带通滤波器2的第一单元21相接，另一端与开口谐振环地板3 的地板本体31相接；另一个馈电端口11的一端与带通滤波器2的第七单元27相接，另一端与开口谐振环地板3的地板本体31相接。即馈电端口11一端与带通滤波器2相接，另一端与开口谐振环地板3的地板本体31相接，形成回路。
通电使用传感器时，馈电端口11为SMA接口，SMA接口的导体探针一端与带通滤波器相接，另一端与开口谐振环地板的地板本体相接，形成回路，并完成馈电。
防腐蚀薄膜附着在基板1的正面，将带通滤波器2包覆在内。
带通滤波器2和开口谐振环地板3的地板本体31均为铜片。
传感器正面的中间区域为手指敲击落点基准区域。中间区域指传感器的中心及其周围手指大小的区域，由于传感器尺寸较小，仅为26mm× 19.5mm，敲击的手指落至传感器的中心位置即可。带通滤波器和开口谐振环地板的互补开口谐振环结构，使传感器具有一个对接近媒质敏感的通频带，当手指敲击传感器时，将带来传感器周边电场的改变，通过带通滤波器，电场的改变就转换为通频带内传输系数参数的变化，结合可采集和输出通频带内传输系数参数的设备，即可获得检测结果，采集数据设备与传感器的连接方式，根据采集数据设备的类型而设定。
当手指未敲击时，传感器存在相对平坦的通带，而当手指敲击后，平坦的通带内传输系数会出现较大幅度的衰减，对此衰减值进行处理可以确定手指完成了一次敲击。而当手指落点与基准区域出现偏移时，通带内传输系数变化情况则表现为手指落点偏移值越大，相应传输系数与落于基准区域处的传输系数偏差就越大。当手指敲击力度发生变化时，传输系数也会发生相应的变化。
总之，无论是敲击落点还是敲击力度的变化都会带来带通滤波器的通频带内传输系数发生相应的变化。已经患有或者将会患有但是还处于早期而无法确诊的帕金森症患者，在不刻意去控制手指敲击在基准区域的时候，多次敲击传感器，必定会导致手指落点多次发生偏移以及敲击力度始终不稳的的情况发生，而健康的老人在不刻意去控制手指敲击在基准区域的情况下敲击传感器，手指基本上不会偏离基准区域或者很少有几次敲击会偏移，并且敲击力度也基本恒定。
先后对多位健康老年人和已患有帕金森症的老年人进行敲击的数据采集后，对任意未知是否有帕金森症早期特征的老年人进行手指敲击实验得出的数据与收集的健康老人与帕金森症老人的敲击数据进行比对，当该老年人敲击数据与健康组的敲击数据相近，即可判定该老年人不存在帕金森症的早期特征；当该老年人的敲击数据与帕金森症组的敲击数据相近时，即可判定该老年人存在帕金森症的早期特征。
为了模拟手指敲击时对S21参数的影响，按照人体手指结构和各部分组织的相对介电常数、电导率合理地建立了人体手指模型。手指模型从下往上分为以下几个部分：皮肤层(相对介电常数31.1、电导率 8.01S/m)、脂肪层(相对介电常数8.8、电导率1.71S/m)、肌肉层(相对介电常数42.8、电导率10.6S/m)、骨骼层(相对介电常数12.7、电导率3.86S/m)。图5a是有无手指敲击传感器时的S21参数对比图，没有手指敲击的时候，该传感器在9GHz-12.5GHz带宽内有较为平整的通带，当有手指敲击的时，该通带的平整性被破坏，故由此可以辨别有无手指敲击。图5b是手指敲击传感器偏移时对S21参数影响的比对图，其中偏移为0mm代表手指敲击在传感器的基准区域，可见当手指偏移基准区域越远，9GHz-11GHz内的S21值越大，故可以实现对手指偏移与否以及偏移量大小的辨别。图5c为用不同力度敲击传感器时的S21参数对比图(不同力度敲击传感器在模型的建立上反映为手指模型离传感器垂直距离的远近)，可见敲击传感器的力度越弱，9GHz-11GHz内的S21值越大，故可辨别手指敲击力度是否正常。
如图6a和6b所示，有无手指敲击时传感器周围电场分布明显不同。
Claims (10)
1.一种用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
包括基板、带通滤波器和开口谐振环地板；
所述带通滤波器设于所述基板的正面，包括沿X轴方向依次设置并相接的第一单元、第二单元组、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元和第七单元；
所述第一单元、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元和第七单元均呈矩形，矩形的边分别与X轴和Y轴方向一致；
所述第二单元组包括两个弯折单元，两个弯折单元沿Y轴方向分布、且中心对称；
所述弯折单元包括依次相接的短水平段、竖直段和长水平段；
所述短水平段与长水平段平行，设置方向均与X轴方向一致，且二者的一端对齐；
所述竖直段设于所述短水平段与长水平段对齐的一端，并垂直于所述短水平段，所述竖直段的两个端部分别与短水平段和长水平段的外侧边平齐；
两个所述弯折单元的长水平段相邻；
上方的所述弯折单元的长水平段与所述第一单元相接，下方的所述弯折单元的长水平段与第三单元相接；
所述第一单元、第三单元和第七单元的中心线、以及所述第二单元组的对称中心均位于同一直线上；
所述第一单元、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元和第七单元的底边均平齐；
所述开口谐振环地板包括地板本体和该地板本体上镂空的第一谐振环单元和第二谐振环单元；
所述地板本体设于所述基板的背面；
所述第一谐振环单元和第二谐振环单元均由两个同心设置、开口相反的镂空环体构成，所述第一谐振环单元和第二谐振环单元沿X轴方向依次分布，所述第一谐振环单元的外径大于所述第二谐振环单元的外径；
所述基板的相对的两个侧面分别具有馈电端口，馈电端口的一端与所述带通滤波器相接，另一端与所述开口谐振环地板的地板本体相接。
2.根据权利要求1所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
其中，所述基板呈矩形，其较长的边沿X轴方向设置；
所述第一单元的中心线位于所述基板的X轴方向中心线上；
所述第一谐振环单元和第二谐振环单元的中心均位于所述基板的X轴方向中心线上。
3.根据权利要求1所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
其中，在所述带通滤波器中，设定各单元和单元组的沿X轴方向的长度为水平长度、沿Y轴方向的长度为竖直长度；
所述第一单元、第五单元和第七单元的水平长度大于其竖直长度；
所述第三单元、第四单元和第六单元的水平长度小于其竖直长度。
4.根据权利要求3所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
其中，所述第一单元的水平长度小于所述第七单元的水平长度；
所述第三单元的水平长度大于所述第五单元的水平长度；
所述第四单元和第六单元的水平长度相等，小于所述第一单元的水平长度，大于所述第三单元的水平长度；
所述第二单元组的水平长度小于所述第一单元的水平长度，大于所述第四单元的水平长度；
所述第四单元位于所述基板的中心上；
所述第一单元、第三单元和第七单元的竖直长度相等；
所述第五单元的竖直长度小于所述第一单元的竖直长度；
所述第二单元组的竖直长度大于所述第一单元的竖直长度；
所述第四单元和第六单元的竖直长度相等，大于所述第二单元组的竖直长度。
5.根据权利要求3所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
其中，所述弯折单元中，所述短水平段、长水平段和竖直段的段宽均相等，竖直段的段长小于短水平段的段长，短水平段的段长小于长水平段的段长；
所述短水平段与长水平段之间的间隙小于所述短水平段的段宽；
两个所述弯折单元之间的间隙小于所述短水平段的段宽；
下方的所述弯折单元与所述第一单元之间的间隙小于所述短水平段的段宽。
6.根据权利要求1所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
其中，所述第一谐振环单元和第二谐振环单元中，内外两个环体的开口间隙相等，各圈半径由外向内等量递减，递减量与其环体的开口间隙相等。
7.根据权利要求1所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
其中，所述第一谐振环单元和第二谐振环单元中，内外两个镂空环体的开口沿Y轴方向分布，内环的开口朝向Y轴的正方向，外环的开口朝向Y轴的负方向。
8.根据权利要求1所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
其中，所述第一谐振环单元和第二谐振环单元分别位于所述基板的中心的两侧。
9.根据权利要求1所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
还包括防腐蚀薄膜，附着在所述基板的正面，将所述带通滤波器包覆在内。
10.根据权利要求1所述的用于帕金森高危人群检测的超材料传感器，其特征在于：
其中，所述带通滤波器和所述开口谐振环地板的地板本体均为铜片。
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Cited By (2)
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| CN112966557A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-06-15 | 南京信息工程大学 | 一种用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法 |
| CN115128702A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-09-30 | 江南大学 | 一种复合型微波传感器及检测方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112966557A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-06-15 | 南京信息工程大学 | 一种用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法 |
| CN112966557B (zh) * | 2021-02-03 | 2023-06-27 | 南京信息工程大学 | 一种用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法 |
| CN115128702A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-09-30 | 江南大学 | 一种复合型微波传感器及检测方法 |
| CN115128702B (zh) * | 2022-06-07 | 2023-07-04 | 江南大学 | 一种复合型微波传感器及检测方法 |
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