[发明专利]软件化智能检测的微波谐振式传感器及其频移检测方法

说明书

本发明公开了一种软件化智能检测的微波谐振式传感器及其频移检测方法，包括硬件电路和软件算法；其中硬件电路包括：压控振荡器，谐振器，探测器，微控制器；软件算法由微控制器实现，按如下步骤处理数据：由数模转换器输出控制电压，扫描压控振荡器的输出频率，同时由模数转换器采集探测器的输出电压，通过锁频算法进行对探测器输出电压的运算，得到谐振器频率的移动量作为传感信号，实现对等效介电常数的传感。本发明一方面大幅简化了硬件电路，实现传感器硬件电路的小型化；另一方面通过微控制器中的软件算法自动计算锁频参数，并对传感信号进行滤波等处理，使得传感信号检测过程更加智能化，提高其环境适应性。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种软件化智能检测的微波谐振式传感器及其频移检测方法。

背景技术

传感器是一种对环境中特定参数产生响应，并将该参数的变化信息转换为电信号，以进行后续信息传输处理的器件、模块或系统。传感器技术，和计算机技术、通信技术一起并称为信息技术的三大支柱。

微波频段的谐振式传感器，其发展可追溯到1959年发明的石英晶体微天平(quartz crystal microbalance)，其可理解为一种有源的谐振式传感器。随着微波印刷电路和微波集成电路的发展，更多灵活的无源谐振结构如微带环、射频识别天线等被用于传感。超材料的概念和设计方法为谐振结构带来更加丰富和灵活的选择，如开口环、左右手传输线等。微波传感器具有和集成电路、印刷电路、无线通信模块天然的兼容性，便于将数据实时采集、传输和处理，随着5G通信、万物互联网等新一代信息技术的兴起受到了越来越多的重视，从工业科技渗透到智慧城市、智能家居、健康检测等方方面面，并向小型化、智能化、无线传感网络等方向发展。

传感系统的性能不仅取决于核心的谐振式传感器，还取决于敏感材料和检测方法等重要的支撑技术。对于谐振式传感器，环境中多种因素可以导致介电常数或等效介电常数的变化，如温度、湿度、气体浓度等；为了实现对单一信号的探测，传感器表面经常需要涂覆一层特异性敏感材料(transducer material)。此外，柔性介质基板受到压力或拉力会产生形变，导致等效介电常数的变化，也会带来印刷在柔性基板上谐振器的谐振峰频移。

在传感相关材料蓬勃发展的同时，小型化集成化的检测方法却没有受到足够的重视，性能优异的传感器多是基于大体积的实验室仪器测量。备受关注的小型化可穿戴传感器，检测电路非常简单，并不能满足其核心传感器的精度需求，传感器系统的整体性能受限于检测电路。近几年虽然有一些团队在开展基于锁相环(phase-locked loop,PLL)的检测芯片研究，但其研究偏重模拟电路基础的PLL精度优化，采用的谐振器为非常简单的环形或交指型谐振器，辅助电路也未根据传感需求进行优化，使得整个检测系统不够高效。综上，检测电路和检测方法的研究，未能和核心谐振器原理以及传感应用的发展相结合。

本发明即基于微波谐振式传感器，采用微控制器中的软件算法实现对谐振器频移信号的跟踪，极大简化硬件电路，并实现对待测信号的智能化适应和传感信号的智能处理。该软件化检测方案不仅在微波谐振式传感领域有重要价值，对光学和太赫兹频段的谐振式传感器，甚至声波、机械波谐振式传感器，都具有普适的应用价值。

发明内容

发明目的：本发明旨在采用微控制器中的软件算法实现对谐振器频移信号的跟踪，极大简化硬件电路，并实现对环境的智能化适应和传感信号的智能处理。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种软件化智能检测的微波谐振式传感器，包括实现传感功能的硬件电路，和实现控制、采集、数据处理功能的软件算法。

其特征在于：所述硬件电路包括压控振荡器、微波谐振器、探测器、微控制器，及蓝牙、晶振、稳压器、电阻、电容等辅助器件和电路。