基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法技术

基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法，其中微带谐振传感器包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，微带线横跨设置在介质基板背面的中部，CSRR结构设置在介质基板正面的中部，CSRR结构包括从内向外依次套设的三个六边形环且三者形成互补开口谐振环，微带线与互补开口谐振环的中心线上下对应，在介质基板的正面位于互补开口谐振环的位置形成用于放置样品容器的测试区。通过三个六边形环的CSRR结构作为传感元件，随着环数的增加，谐振器的等效电容的增加，谐振器的谐振频率总体上降低，提高了微带线与环之间的电场密度，从而增加了谐振器的Q系数，能快速、准确测量大范围介电常数的危险液体。量大范围介电常数的危险液体。量大范围介电常数的危险液体。

【技术实现步骤摘要】
基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法


[0001]本专利技术涉及微波传感
，具体涉及基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法。

技术介绍

[0002]在工业和科学领域的许多应用中，都需要在射频和微波条件下对材料进行电学表征。虽然材料可以通过多种参数来表征，但要研究任何材料的电场响应，最重要的参数是材料的介电常数。材料的介电常数是描述材料在电场作用下的行为的特性，而介电常数与材料的其他物理和化学性质密切相关。因此，对材料介电常数的了解可以提供关于其在不同领域可能应用的有价值信息。由于微波测量具有实时性、无损性、低成本等特点，因此，像微波传感器这样的设备，越来越流行在食品加工业、农业、生物医学应用、化学和国防工业等多个领域。
[0003]多年来，不同的测量技术被用于测量和研究材料的介电性能，主要分为谐振法和非谐振法。其中，谐振法更受欢迎，因为它们设计简单、制造成本低、易于小型化和实时监测能力。在这种方法中，测试样品通过某种方式引入到传感器中，从而改变了地平面和谐振器之间空间的总介电常数，从而引起场线的微扰。这最终改变了传感器的谐振频率，并且可以从其空载状态观察到谐振频率的偏移，通过谐振频率的变化得到待测物的介电常数值。
[0004]近几年，有人提出了加载单个开口谐振环(Split Ring Resonator,SRR)到微带线上实现介电常数测量的方法,该方法只能测量介电常数变化较大的物质，且测量精度有待提高，文献F. Falcone et al.,
ꢀ“/>Babinet principle applied to the design of metasurfaces and metamaterials,
”ꢀ
Phys. Rev. Lett., vol. 93, no. 19, Nov. 2004, Art. no. 197401.中通过巴比内原理对CSRR进行解释验证。据观察，与SRR相比，基于CSRR的微带谐振传感器能够提供更高的灵敏度。
[0005]危险液体检测技术是液体安检领域的一项关键技术，其主要内容是识别出所携带的液体是否为液态危险品。目前，对液体货物的检查主要采用人工方法，包括现场闻液或饮用，效率低下，容易出现误判。此外，市场上现有的危险液体检测设备要么很大，要么不准确。因此，迫切需要一种快速、准确、便携式、廉价的危险液体检测设备。
[0006]申请公布号CN 111856148 A一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，利用具有微带线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。但是其结构复杂，液体盛放的容器搭建难度大，导致生产加工困难，由于操作的复杂性并由于其结构决定其仅实用于介电常数为1
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10的液体，导致其适应性差且不便于推广。
[0007]授权公告号 CN209606521U一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，通过待测样本的电容与样本的介电常数εr成线性关系，从而获得待测样品的介电常数，但是将盛有液体的容器直接放置在该专利技术上进行测量，由于液体和容器的电容不同，所以该专利技术不适应对液体介电常数的检测。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的问题本专利技术提供一种基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器及方法，以解决上述问题，达到结构简单，便于生产加工且能快速、准确测量大范围介电常数的危险液体。
[0009]基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器，包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，所述微带线为直线结构且横跨设置在所述介质基板背面的中部，所述CSRR结构设置在所述介质基板正面的中部，所述CSRR结构包括从内向外依次套设的第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环且三者形成互补开口谐振环，所述微带线与所述互补开口谐振环的中心线上下对应，在所述介质基板的正面位于所述互补开口谐振环的位置形成用于放置所述样品容器的测试区。
[0010]进一步为：所述第一六边形环和第二六边形环之间的距离为0.1mm
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0.4mm，所述第二六边形环和第三六边形环之间的距离为0.9mm
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1.2mm，所述第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环三者的侧边宽度均为0.1mm
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0.4mm，所述第一六边形环内侧对角线的长度为5mm
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5.6mm，所述第二六边形环外侧对角线的长度为7.2mm
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8mm，所述第三六边形环外侧对角线的长度为11.6mm
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12mm，所述互补开口谐振环的开口宽度为0.1mm
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0.4mm，所述互补开口谐振环的开口方向与所述微带线垂直设置且位于六边形环的拐角位置。
[0011]为获得良好的阻抗匹配，进一步为：所述微带线的线宽为1.7mm，阻抗为50Ω。
[0012]进一步为：所述样品容器为上端开口的圆筒形结构且其材质为高硼硅玻璃，所述样品容器的高度为10mm，所述样品容器的底面壁厚度为0.4mm，所述样品容器的侧壁为0.4mm。
[0013]进一步为：在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪。
[0014]进一步为：所述介质基板为复合板且包括相互贴合的FR4基板和覆铜层，所述微带线位于所述FR4基板上，所述CSRR结构刻蚀在所述覆铜层上，所述第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环均为凹槽结构。
[0015]基于CSRR测量危险液体介电常数的方法，包括所述微带谐振传感器及以下步骤：步骤1：在圆柱型的样品容器内注入液面大于5mm的待测液体；步骤2：将所述样品容器放置在所述介质基板上，并使所述样品容器的底面覆盖在CSRR结构上；步骤3：根据介电常数与谐振频率的经验关系式：ε
´
=2041.32126*f2‑
7025.57134*f+6047.61526，从而获得待测液体的介电常数值，其中ε＇为介电常数，f 为微带谐振传感器的谐振频率。
[0016]进一步为：所述步骤3中，在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪；将已知介电常数的多种危险液体放置在样品容器中进行采样记录，矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，然后建立所述介电常数与谐振频点的经验关系式，进而根据所述经验关系式得到待测液体的介电常数值。
[0017]进一步为：所述样品容器的介电常数和所述介质基板的介电常数相同。
[0018]本专利技术的有益效果：通过三个六边形环的CSRR结构作为传感元件，随着环数的增
加，谐振器的等效电容的增加，谐振器的谐振频率总体上有所降低，并提高了微带线与互补开口谐振环之间的电场密度，从而增加了谐振器的Q系数，进而降低损耗且提高效率，并能快本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器，包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，其特征在于：所述微带线为直线结构且横跨设置在所述介质基板背面的中部，所述CSRR结构设置在所述介质基板正面的中部，所述CSRR结构包括从内向外依次套设的第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环且三者形成互补开口谐振环，所述微带线与所述互补开口谐振环的中心线上下对应，在所述介质基板的正面位于所述互补开口谐振环的位置形成用于放置所述样品容器的测试区。2.根据权利要求1所述的基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器，其特征在于：所述第一六边形环和第二六边形环之间的距离为0.1mm
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0.4mm，所述第二六边形环和第三六边形环之间的距离为0.9mm
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1.2mm，所述第一六边形环、第二六边形环和第三六边形环三者的侧边宽度均为0.1mm
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0.4mm，所述第一六边形环内侧对角线的长度为5mm
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5.6mm，所述第二六边形环外侧对角线的长度为7.2mm
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8mm，所述第三六边形环外侧对角线的长度为11.6mm
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12mm，所述互补开口谐振环的开口宽度为0.1mm
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0.4mm，所述互补开口谐振环的开口方向与所述微带线垂直设置且位于六边形环的拐角位置。3.根据权利要求2所述的基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器，其特征在于：所述微带线的线宽为1.7mm，阻抗为50Ω。4.根据权利要求3所述的基于CSRR测量危险液体介电常数的微带谐振传感器，其特征在于：所述样品容器为上端开口的圆筒形结构且其材质为高硼硅玻璃，所述样品容器的高度为10mm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩雪云，彭培东，马中军，李肖松，周应平，付成豪，乔磊，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：