[發(fā)明專利]基于微波諧振技術(shù)的傳感器及同時檢測溫濕度的方法

在審

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• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN108151797A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐軍;劉俊;郭浩;劉文耀;朱強(qiáng);高研杰;孫穎;田野;趙彬彬
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發(fā)明公開了一種基于微波諧振技術(shù)的溫濕度傳感器，將微波傳輸線的一端與微波源相連，傳輸線的另一端置于空心玻璃管內(nèi)，將中心信號線彎成環(huán)狀并與外層金屬鋁短接、將鎢絲彎曲成為U型，固定在空心玻璃管內(nèi)，使其保持形狀并與環(huán)形結(jié)構(gòu)形成共振模式。通過分析S₁₁參數(shù)的頻率變化量和強(qiáng)度變化量，則推算出相應(yīng)的溫度和濕度的變化值，從而實現(xiàn)對溫濕度的單片測量表征。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及環(huán)境溫濕度檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于微波諧振技術(shù)的傳感器同時檢測溫濕度的方法，溫濕度是影響眾多儀器設(shè)備以及生物生命的重要參數(shù)，基于微波共振技術(shù)的溫濕度傳感器可以應(yīng)用在各種惡劣環(huán)境以及對微生物的表征檢測領(lǐng)域中。

背景技術(shù)

微波技術(shù)在介電常數(shù)檢測，物質(zhì)形貌分析以及通信領(lǐng)域中已經(jīng)得到極大的發(fā)展和應(yīng)用。微波也由于其響應(yīng)速度快的特性被用于高海拔、高溫等惡劣環(huán)境下的濕度檢測。根據(jù)微波搭載天線的不同，可以制成各種形式的傳感器件。現(xiàn)有基于射頻的陶瓷材料濕度傳感器測試進(jìn)度較高，但由于這種傳感器工作的過程中會吸收環(huán)境中的水分，所以利用這種方法制成的傳感器對濕度的響應(yīng)有很大的延遲作用，而且現(xiàn)有溫濕度傳感器大多是對溫濕度的分別傳感、檢測，然后集成封裝，少有單片測試的方法及材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有溫濕度傳感器難以實現(xiàn)單片傳感測量以及濕度響應(yīng)速度慢的問題，提出一種基于微波諧振技術(shù)的溫濕度傳感器，通過將微波加載到不與水分子發(fā)生作用的材料上，并使該材料與環(huán)境構(gòu)成諧振作用，這樣可以避免由吸收作用造成響應(yīng)時間變慢的問題，實現(xiàn)溫濕度單片同時測量，并滿足濕度的及時響應(yīng)。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于微波諧振技術(shù)的傳感器，包括U型結(jié)構(gòu)的鎢絲和同軸傳輸線，所述同軸傳輸線的中心傳輸線為金屬銅、外層屏蔽線為金屬鋁，所述同軸傳輸線一端的中心傳輸線彎曲成環(huán)狀結(jié)構(gòu)并與外層屏蔽線短接；所述同軸傳輸線一端的環(huán)狀結(jié)構(gòu)與U型結(jié)構(gòu)的鎢絲底部通過固定管形成共振模式，其中，U型結(jié)構(gòu)的鎢絲底部最低點與同軸傳輸線一端的環(huán)形結(jié)構(gòu)的中心同軸；所述同軸傳輸線另一端連接微波源。

本發(fā)明方案設(shè)計利用鎢絲制成的U型結(jié)構(gòu)探針，并使U型結(jié)構(gòu)和其周圍環(huán)境構(gòu)成共振腔系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境的溫濕度發(fā)生改變時，共振腔諧振頻率以及諧振深度會發(fā)生變化。微波由電磁感應(yīng)定律將同軸線上的高頻信號傳導(dǎo)到U型結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)高頻微波傳輸線理論得到的RLC等效電路可以推導(dǎo)出該諧振腔的諧振頻率與周圍環(huán)境介電常數(shù)的關(guān)系，從而實現(xiàn)對溫濕度的快速測量，而且傳感器的制作方法簡單。

基于上述微波諧振技術(shù)的傳感器同時檢測溫濕度的方法，具體為，微波源產(chǎn)生掃頻微波信號，頻率范圍1GHz-2GHz，微波通過同軸線傳輸進(jìn)入環(huán)形結(jié)構(gòu)，環(huán)形結(jié)構(gòu)與U形結(jié)構(gòu)發(fā)生電磁感應(yīng)使微波信號加載到U形結(jié)構(gòu)上，U形結(jié)構(gòu)與其所在環(huán)境形成共振腔系統(tǒng)；當(dāng)其所在環(huán)境的溫濕度發(fā)生變化時，共振腔系統(tǒng)的參數(shù)隨之改變，反應(yīng)在微波信號的S₁₁參數(shù)的變化上。

本發(fā)明利用微波源產(chǎn)生高頻微波信號，微波信號經(jīng)由同軸傳輸線到達(dá)環(huán)形結(jié)構(gòu)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，U型結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)形結(jié)構(gòu)上的高頻微波信號，由傳輸線定理可以得到特定長度的U型結(jié)構(gòu)共振頻率與環(huán)境介電常數(shù)的關(guān)系，共振信息反饋回微波源，實現(xiàn)與發(fā)射信號的對比，通過對微波的回波損耗S₁₁參數(shù)的分析實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的表征。

本發(fā)明提出的溫濕度傳感器實現(xiàn)單片測試溫濕度且濕度響應(yīng)迅速，可以用在惡劣環(huán)境以及敏感微生物細(xì)胞工程等檢測領(lǐng)域，具有很好的市場應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1表示本發(fā)明同時檢測溫濕度的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2表示同時檢測溫濕度的傳感器的工作流程示意圖。

圖中，1-微波源，2-同軸傳輸線，3-固定管，4-U型結(jié)構(gòu)的鎢絲。