[发明专利]一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器

说明书

本发明涉及一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，属于传感器技术领域。包括介质基板和立体容器结构；所述介质基板包括两个馈电端口、两组λ/4阶跃阻抗谐振器、一个矩形辐射贴片，辐射贴片中间加载CSRR结构；立体容器结构位于介质基板中央，底部为介质基板，通过两条平行耦合线实现馈电。本发明在结构上通过λ/4阶跃阻抗谐振器实现匹配，与传统微带均匀阻抗传输线相比，在设计上多一个自由度，可以通过调节各段传输线的长度和宽度来实现相应的谐振频率，在设计上实现阻抗匹配更加灵活。所设计的传感器利用具有微带结构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。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器。

背景技术

微波法的原理是首先把所希望检测的介电常数转化为传感器可以测量到的与微波有关的电磁参量，如S参数或谐振频率偏移量。然后建立起介电常数与电磁参量之间的测量关系，最后通过一定的换算用后者来表示前者。该方法优势是无接触检测、自动化检测、检测对象的适用范围大以及检测速率快和连续工作时间长。同时，基于微波谐振结构的微波传感器还具有测试精度较高、体积较小等优点。

Fereshteh Sadat Jafari等人提出了一种基于衬底集成波导的腔体传感器（Fereshteh Sadat Jafari, Javad Ahmadi-Shokouh, Reconfigurable microwave SIWsensor based on PBG structure for high accuracy permittivity characterizationof industrial liquids, Sensors and Actuators A: Physical, 283（2018）386-395），采用了光子带隙法和可变电容，利用腔微扰技术来计算相对介电常数，该方法和装置适用于石油老化程序的检测。但是该传感器无法进行固体物质测试，同时灵敏度仅为13.85MHz/单位。

Jha A K等人提出设计并制作了一种新型微波SIW腔液体介电常数传感器（Jha AK, Akhtar M J. SIW cavity based RF sensor for dielectric characterization ofliquids[C]// Antenna Measurements Applications. IEEE, 2014.），用于检测和测定普通液体在2.45GHz下的介电常数。该技术是基于谐振腔微扰理论。所研制的传感器是传统矩形腔体的微型化版本，结构紧凑，灵敏度较高。利用水对制备的SIW腔进行了标定，为微扰系数的计算提供了简便的方法。对不同类型的液体进行了测试，验证了灵敏度，得到的结果与发表的数据吻合较好。

Reyes-Vera Erick等人提出提出了一种非侵入性、可重复使用和可潜水的介电常数传感器（Reyes-Vera Erick, Acevedo-Osorio G, Arias-Correa Mauricio, SeniorDavid E. A Submersible Printed Sensor Based on a Monopole-Coupled Split RingResonator for Permittivity Characterization. [J]. Sensors (Basel,Switzerland), 2019,19(8).），它使用微波技术来表征液体材料的介电特性。该器件由两个集成单极天线激励的分裂环谐振腔构成。传感原理是基于谐振腔在透射系数中引入的陷波，该陷波由于传感器在新型液体材料中的引入而受到影响。然后，陷波的频移和传感器的品质因数与周围介质的变化有关。通过特定的实验程序，使用商用液体获得校准曲线。由此得到了求解未知介电性能液体材料介电常数的数学方程。