使用一个微带天线无线水分传感器

文摘

无线水分传感器的基础上开发了微带天线的后向散射特性,而在远场工作没有电池。本研究旨在开发一个无线传感器的通信距离和无线应用程序,如监控包装产品中的水分和表面吸附的过氧化氢生物隔离系统。上的一滴一滴地添加蒸馏水清洗组织显然是被反散射功率的测量传感器的0.954 GHz和2.45 GHz的频率。背散射功率的比例在两个频段可以作为衡量水分指数。

1。介绍

水分含量、水分含量常被用来评估一个产品的质量及其最优处理和加工条件。微波传感器成为有效的工具实时、无损、连续感应的水分含量在各种材料(1- - - - - -4]。微波水分传感器的基本原理是测量复合材料的介电常数,如土壤、食品、建筑结构,介电常数,主要是由液态水的存在(3,4]。提出了一些原则的介电测量,例如,时域反射计(TDR) (5),微带谐振器(6),和输电线路的相移检测4)或平行板电极(7]。在这些传统测量,试验条件下的材料必须接触的自由面临microstripline或者把近场区域的探测电极。因此,传统的方法很难适用于远场的无线应用程序,如监控包装食品中的水分和表面吸附的过氧化氢生物隔离系统。

在本文中,我们提出一个基于无线水分传感器的后向散射特性的微带天线,在远场工作没有电池。提供的权力是一种电磁波从发射机到传感器。

2。传感原理

该传感器由一个微带天线和负载电阻。数据1(一)和1 (b)显示传感器的照片,这是为相同的特征。(一)1.6毫米厚的刚性印制电路板由FR4(玻璃环氧树脂:0.025毫米厚)和(b)挠性印制电路板由cover-lay-coated PI(聚酰亚胺):)被用作基质。挠性印制电路板在电影和容易处理的形式,而是一种FR4印刷电路板用于目前的实验,因为π有点吸湿和不适合重复使用。负载电阻()50欧姆焊接中心的印刷电路板。水的敏感性检测取决于微带天线的形状。进一步的研究是需要找到一个更高度敏感的天线的形状。

图2显示的测量频率响应参数的传感器,传感器的反射系数终止50欧姆的电阻负载。网络分析仪的测量是由同轴电缆连接到传感器。青色线和红色线显示特征的传感器排水和暴露于水分,分别。添加蒸馏水是在清洁组织(日本纸Crecia co .)和金佰利公司,KimWipes)被困在传感器。的水的体积是500μL,组织的重量百分数为77.0%。然而,纸的水分不均匀。的下降显示天线之间的阻抗匹配和电阻负载。在匹配条件,吸收的电磁功率传感器有效地阻负载和消费。另一方面,在频率范围接近于零,电磁功率不是由传感器接收,而是分散到周围的空间。水分的影响观察的转变到低频或长波长的一面,这是一个已知波长的缩短的影响引起的高介电常数介电等水(8]。在2.5 GHz-3 GHz乐队,倾斜的曲线是稍微转移到高频端接触水分,因为显著影响介电损耗引起的水(9]。传感器表面的水分监测通过测量背散射功率比在两个合适的频率。在这工作,0.954 GHz和2.45 GHz被用来测量背散射能力,因为这些频段可用无线射频识别(RFID)系统在日本。然而,重新分配的频段超高频射频识别系统在日本打算使它与全球标准。

0.954 GHz的反射功率增加了水分,而2.45 GHz,却降低了数据2和3。在这种情况下,天线设计必须有不少于两个阻抗匹配频率,排列在小于0.954 GHz频段,超过2.45 GHz。水量的变化的敏感性往往是饱和含水量超过800μl 800年的水量μL等于平均水层厚度0.16毫米的天线。推测,灵敏度饱和造成的厚水层吸收电磁波。因此,该传感器的环境下不能使用太多水的体积,但适用于检测水分或测量材料从外面的小含水量。

在大多数应用程序中,发现水不是蒸馏水但导电。传感器的频率响应2.0 wt天线测量。%氯化钠溶液。但是,没有重大变化可以观察生理盐水。盐溶液的导电率约为33女士/厘米。生理盐水的浓度可能太低改变天线的特点。微带天线的电磁场仿真在导电介质衬底预测阻抗匹配的轻微变化频率的高频和整体频率响应曲线的畸变。天线特性的依赖溶液的浓度应依法追究目标应用程序。

3所示。测量系统

图4显示当前测量系统的框图。这个系统包含两个信号发生器作为发射器(罗德与施瓦茨SVBM100A)和频谱分析仪作为接收机(Tektronix RSA3408B)。在实际系统中,信号发生器,频谱分析仪可以换成了0.954 GHz振荡器,2.45 GHz振荡器和一个接收信号强度指示(RSSI)电路。传感器放置在通信范围散射电磁波传输信号发生器和频谱分析仪检测传感器的电磁功率背散射的变化。背散射电磁波的力量比这小得多的直接传播波发射器。的时间变化的力量直接传播波扰乱了背散射功率的测量。因此,时间变化的传播环境电磁波在通信范围内应该避免。

电磁波的接收功率(插件可以)传感器计算利用背散射(1)Friis传播公式的基础上10] 在哪里是一个从发射机发射功率,是一个波长的电磁波,是一个通信距离,是一个天线增益的传感器,是一个发射机和接收机的天线增益,然后呢是一个转换的损失从圆极化波线性极化波。图5显示了计算接收功率电磁波背散射的传感器。计算的参数表1从无线电行业协会和商业STD-T89 RFID在日本的标准。

最大通信发射机/接收机和传感器之间的距离取决于接收机灵敏度。最小输入信号接收器的无线通信系统通常是低于110−dBm。因此,预计最大通信距离几十米。RFID的通信距离也绘制在图5。额外的损失()发生由于阻抗失配的应答器电路天线和射频识别系统的反向散射调制。此外,被动RFID系统的最大通信距离()强烈依赖于阈值功率的射频识别标签(11),要求操作应答器电路,如图所示 在哪里是阈值功率的射频识别标签和射频识别系统的额外损失。通常是关于−5 dB,取决于应答器的电路。简单的应答器的功耗约为10μW (= 0.01 dBm)。表所示1,0.954 GHz和2.45 GHz的估计为2.73米和1.06米,分别。提出了传感器系统的最大通信距离并不局限的应答器电路的功耗。因此,提出了传感器系统实现通信距离很长。

无线测量水分的流程图如图6。这个流程图是用虚拟仪器实现(国家仪器有限公司)。在测量过程中,干扰其他无线通信系统被移除,然后,功率的比值在0.954 GHz 2.45 GHz对权力是计算。

在初始化过程中,0.954 GHz和2.45 GHz的传播力量的调整低于接收机的最大输入功率水平防止接收机重载。尽可能高的发射功率与广播的范围并不冲突法律适用于执行高灵敏度测量。然后,传输功率比0.954 GHz和2.45 GHz之间调整使接收到的功率比变得接近于零。此外,校准过程需要每个传感器测量水的绝对体积区域。校准曲线是通过测量反射功率比在0.954 GHz和2.45 GHz的传感器上的水的体积。在这部作品中,没有任何执行测量校准检测水湿的相对变化。

4所示。测量结果

跟踪时间的水量的变化是很重要的对于许多实际的目的。时域测量在固定频率是有用的检测传感器上的时间水量的变化,因为电磁波在自由空间的频率扫描不能符合使用收音机,和很难设计统一的传输天线频率响应测量频带。因此,时域测量中执行这项工作。

瞬态响应接收功率的0.954 GHz 2.45 GHz和测量。传播权力设置为0.954 GHz和−−30 dBm 10 dBm 2.45 GHz,分别。沟通的距离是500毫米。这些功率确保3 m的通信距离,根据(1)。图7显示接收功率测量的瞬态响应的频谱分析仪和功率的比值在0.954 GHz和2.45 GHz的频率。中力量比背景下10 kHz的频率带宽。100年的蒸馏水μL被正式列入清洁组织停留在64年代的传感器。的瞬态功率比是观察了大约10 s。这短暂的时间几乎是等于水渗透到纸的时间组织。

的功率比的函数传感器测量上的水的体积。发射功率和通信距离是一样的在前面的实验。添加蒸馏水是在清洁组织困在传感器、功率比是衡量的时候十年代后的水。测量重复了五次,平均价值和波动的测量功率比图所示8。测量功率比的波动主要取决于时间变化的电磁传播环境;人体的运动,微量调节注射器或烧杯传感器打扰周围的电磁传播。功率比的波动可以被时间平均测量反射功率好几次了。然而,很难测量水量依赖的功率比在高湿度地区,由于功率比趋向于饱和高湿度地区超过120人μ组织l (19.6%)。

背散射的力量传感器是传感器衬底的平均介电常数成反比与水和潮湿的组织如果波长的影响被高介电常数介质是缩短。因此,它预计,10个日志的功能(1 /体积)可以安装。两个拟合参数,与水的介电常数和衬底的天线进行了优化以适应测量结果。最小二乘法拟合曲线得到的是放下与测量结果图8。

5。结论

无线水分传感器的基础上开发了微带天线的后向散射特性,而在远场工作没有电池。提供的权力是一种电磁波从发射机到传感器。上的一滴一滴地添加蒸馏水清洗组织显然是被测量的背散射功率在0.954 GHz的频率和2.45 GHz。这些频段的背散射功率的比例可以作为衡量水分指数。

确认

这项工作是支持的科研补助金(C)(20510116),探索性研究补助金(23651136)日本促进社会科学(jsp),通过目标导向和适应力强、无缝技术转让项目研发(AS2121327A)日本科学技术振兴机构(JST)。

引用

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