发展和应用的Single-Spiral Inductive-Capacitive谐振电路为无线传感器,实时表征砂的水分

文摘

无线,被动嵌入传感器设计和制造砂水分监测。传感器,包括一个inductive-capacitive (LC)谐振电路,由印刷螺旋电感器嵌入沙子。当暴露于电磁场时,传感器产生了共鸣在特定频率依赖于电感器的电感和寄生电容。因为水的介电常数是远远高于干砂,样品中水分增加了寄生电容,从而减少传感器的谐振频率。因此,样品的内部湿度可以轻松通过跟踪使用检测线圈的谐振频率。这个传感器的制造工艺相比,更简单的LC传感器,同时包含电容和电感的元素,给它一个经济优势。研究探讨干燥的沙子样本不同的晶粒大小。实验数据显示很强的相关性与实际样品中水分含量。描述传感器技术可以申请长期监测局部水分在土壤和沙要理解这些媒体的环境卫生,或者监控混凝土内湿度支持和公路路面。

1。介绍

监测多孔机械结构水含量是重要的保证和预测他们的机械完整性。例如,监视沥青水含量对评估其结构稳定性至关重要,因为债券可以损坏或降低沥青和骨料颗粒之间的强度由于存在多余的水分。同样,在混凝土搅拌是非常重要的考虑天然骨料的水分含量在组合设计,以确保适当的衰退和抗压强度的混凝土结构(1]。

目前存在的几种方法测量含水量在民事结构。一个常见的方法是确定干燥前后样品的质量。这种方法的缺点包括需要删除材料(或样本),干燥过程的长度,降低样本的可能性由于供暖。时,可能会引起其他并发症moisture-sensitive环境必须臀位收集样本进行干燥。一种更复杂的方法测量含水量包含两个绝缘导体探针。介质的介电常数取决于含水量之间的探测,可以由测量之间的电容探针使用无线电或微波能量(2]。这种方法允许直接测量的样品不需要删除它,但它的准确性依赖于可用的样本数量仍然必须突破和封闭的环境测量。

Thermographic测量技术也被用于测量土壤水分含量和建筑材料(3,4]。这种技术通常利用红外传感的方法来确定传热率在一个表面上,然后可以用来近似表面的水分含量。虽然这种方法提供了一个新颖的水分测量方法,兴趣必须改变表面的温度。此外,这种方法可以测量到的深度成像中是极其有限的,使它不适合大型批量测量。此外,这种检测方法是可能的只有视距路径从探测器到样本,渲染时无效的样本包含或覆盖材料块红外线。

嵌入式水分监测传感器基于平面印刷螺旋电感器。传感器代表了新设计的inductor-capacitor (LC)谐振电路传感器,曾被提出了水分监测在土木工程材料(5- - - - - -10]。的water-sensing分量传感器类似于很多电容式湿度传感器(11- - - - - -13),这是基于电容器电容的变化,反过来LC电路的谐振频率变化。水积累在电容器的表面,在邻近的有效介电常数介质的电容显著增加,由于高介电常数的水(约70 - 80)相比,空气(1)。

图1说明了新的传感器,只由一个正方形螺旋电感器。防止过多的水做空电感,电绝缘涂层应用的传感器。类似于其他信用证传感器,传感器是轻量级的,低成本的,健壮的,便于携带。这种传感器需要之间也没有直接的物理连接传感器和电子数据处理和精确对齐在光学遥测传感器和探测器之间的需要。这使得传感器非常有用的操作,比如建筑、矿业、和农业应用监测站点很难访问的地方。传感器是完全被动的,所以没有电池寿命问题。巷道状态监测等应用程序,LC传感器是负担得起的由于其低成本相对于其他高速公路监控传感器(14- - - - - -16]。在可靠性方面,这项技术可以优于其他被动,无线传感器基于无线射频识别装置(RFID)技术(17- - - - - -19)由于其简单的设计,这是容易失败比电路组件和ICs中RFID传感器。由于其灵活性和无线,被动的自然,LC传感器技术可以应用于广泛的民用基础设施如沥青路面、混凝土桥梁、路面子结构、桩结构和液压结构。

开发出相应的感应传感器,监测砂材料的含水量。传感器嵌入到砂样品所以内部含水量的样品可以远程测量与检测线圈通过跟踪传感器的谐振频率的变化20.]。虽然新传感器的运行机制是相似的,之前报道LC传感器(20.),新的设计只需要一层螺旋电感取代了旧的多层设计完成inductor-capacitor电路。在新的设计中,螺旋电感的寄生电容作为传感元件。结果,其制造过程简化最终导致更低的制造成本和单位成本较低的传感器。因为这个传感器技术的许多应用程序需要广域监测,利用大量的传感器,新的传感器可以提供一个显著的成本节约。

2。实验

2.1。传感器的描述

传感器是嵌入测试示例监视含水量原位。无线传感器的谐振频率是审问通过测量的阻抗圆检测线圈放置在一个短的距离传感器。测量传感器的响应之前,没有传感器的初始阻抗测量,然后减去从未来所有的测量。图2显示了典型background-subtracted传感器的阻抗、谐振频率被定义为最大频率的阻抗的实部(阻力)。传感器的谐振频率与电感有关和寄生电容螺旋电感的给定的(12]

电感的寄生电容取决于其尺寸和介质的介电常数的接近传感器。水的相对介电常数,约70 - 80,远远高于大多数的土木建筑材料,一般小于5 (21]。因此,传感器附近的水的存在显著增加了电容器的电容,从而减少传感器的谐振频率根据(1)。由于电感是常数在整个实验过程中,(1)表明,传感器的谐振频率是纯粹依赖于电容,用来跟踪介电常数的变化。

2.1.1。传感器制造

传感器是一个单面FR-4玻璃纤维做的印刷电路板(PCB)。广场的外径,24把螺旋电感是50毫米。每个跟踪的宽度是相同的两个相邻电极之间的间距,0.5毫米。传感器是使用数控铣床研磨。一层700μ米厚涂搪瓷(Rustoleum清楚搪瓷)传感器,以防止过多的水做空的电路。纯属捏造的共振传感器绘制在图2,确定共振频率的峰值频率对应于真实的阻抗。应该注意的是,这个传感器设计不对称的,因此,有效介电常数将加权平均的玻璃纤维材料和传感器周围的媒体。因此,对水分的敏感性的改变将会是更大的比另一侧。这可以通过提高补偿传感器设计组成的薄支持材料或通过使用一块刚性导电材料。这个属性也可以用来控制湿度传感器的灵敏度和范围可以测量通过应用各种厚度的导电涂料的痕迹,从而平均整体水介电常数的贡献接近传感器。

2.2。实验装置

一个实验进行了监控砂样品的含水量。天然砂样品(主要是二氧化硅)从路面施工项目获得网站在密歇根州。沙子样本干然后渗不同大小与标准筛瓶。在这项研究中,使用了三个样品,每个样品代表一个范围的粒子大小,也就是说,样本,样本B, C和样本,每一个包含粒子大小从0.15到0.3毫米,0.3 - 0.6毫米,1.18毫米和0.6,分别被用于实验见表1。加水后,抑制了沙重确定的总质量是水和沙子。干砂的重量决定通过测量样品干燥和后加水。如图3塑料容器,10厘米的横截面积10厘米就充满了沙子1厘米。传感器被放置在样品的中心与导电痕迹面对向上,和额外的沙子添加的总高度是2厘米。检测线圈是坚持塑料容器的底部,仍然获得了所有实验。另外,样品的质量是对整个实验比较传感器读数。安捷伦频谱/网络分析仪4396 b是用来测量传感器阻抗1兆瓦的源动力。所有实验的最大测量误差确定为300千赫。错误是由测量共振频率的波动而传感器稳定在干燥的空气。定制的计算机程序,在微软Visual Basic开发的,是用来控制阻抗/频谱分析仪的操作通过通用接口总线。每次实验之前,背景减法进行常规线圈的阻抗传感器的缺失。样品的质量记录与数字规模随着时间的推移,一个相当恒定的温度和相对湿度下20.0 - -22.2°C,分别和45 - 55%相对湿度。 The ventilation of the room was 0.6 m³/ s。

确定潜在的探测距离传感器,传感器测量的信号强度在其位置的线圈发生了变化。用于实验的设置见图4,传感器嵌入在一个圆柱体容器装满沙子。检测线圈放置在容器的底部。干燥和潮湿的沙子样本与0.6毫米粒度被用来模拟干和湿样品监测条件。分离距离增加了加砂所需的距离,将传感器放置在沙滩上,然后添加2厘米的沙子上。确定传感器和线圈之间的允许偏差,传感器嵌入在所需的分离距离,和整个容器从中心对齐表面的线圈如图4(完美对齐时定义传感器的中心和线圈的中心上轴)。对所有实验,单回路,10.5厘米直径的线圈传感器用来审问。因为检测范围取决于传感器的检测线圈的耦合,这个范围将取决于传感器和线圈尺寸。

3所示。结果与讨论

3.1。监控砂含水量的样品

用图所示的实验装置4,传感器的谐振频率的变化量作为时间的函数。三个样品粒度开始平均水的质量平均37.0 g和350.7 g的总质量。抑制了砂被晾干了至少70小时而分析仪测量共振频率的变化。同样的程序是用于样本B和c表2列出了所有样本平均初始质量和水的质量。

图5情节砂样品的水分含量从样品的质量随时间的变化。样本,平均粒径为0.3毫米,吸收水相关的最高金额约11.8%的砂的质量,这是超过两倍的样本B和c,因此,水蒸发率样本远远低于样本B和c的特性曲线在图相关的预期行为对流的干燥条件下砂干燥下(22]。理想情况下,干燥的第一阶段包括线性关系对应的表面蒸发,随后一个指数衰减的地区在沙地上毛细管作用有关。

图6说明了典型传感器的谐振频率随时间的变化。传感器的谐振频率随着时间的增加,说明样品的干燥。曲线显示稳步上升的水被蒸发,直到达到平衡时,沙子样本干燥。这预计因为水分的存在会增加整体的介电常数沙子。自谐振频率介电常数成反比,增加水开始蒸发。很明显,砂样品的晶粒尺寸影响传感器的响应。类似于水的蒸发曲线在图5,花了超过60个小时为传感器的谐振频率曲线为样品饱和,而曲线样本B和C花了大约30个小时饱和。

图7显示了一个线性相关性的变化水和共振频率响应。如图所示,传感器的谐振频率随含水量增加而降低。传感器的响应在所有砂样品非常相似。

实验进行调查的影响线圈的位置和距离传感器。而结果显示共振频率无显著变化(少于100 kHz),传感器的信号振幅降低的传感器和检测线圈之间的距离增加,分离或它们之间的对齐方式发生了改变。结果,确定最大距离传感器可以准确地监测,进行了一个实验,测量传感器的信号强度的变化由于增加分离线圈的距离和偏差。

如图8,当传感器和线圈是一致的(传感器的中心和线圈的中心在同一轴),最大分离传感器和线圈之间的距离是9.5厘米保持至少2的信噪比干砂(信噪比决定传感器的最大信号幅度超过最大噪声值)。传感器的最大分离距离减少到6厘米时监测湿砂由于电磁能量衰减,水分的湿沙。传感器还可以与一些功能失调的线圈。如图9(一个),传感器信号对齐下降,下降和传感器信号下降更快增加分离的距离。如图10,传感器可以保持信噪比为2的偏差约6厘米分离时小于5厘米,但造成的偏差更快速减少分离时大。同样,对偏差减少传感器在湿砂(见图9 (b)和10)。探测范围可进一步提高通过增加传感器大小和增加电力通过检测线圈。在实际应用中,探测器的位置也可以不同,直到到达一个位置的最大振幅。

4所示。结论

本文提出了一个无线的设计和制造,被动嵌入含水监测传感器用在民用建筑的应用潜力。这个简单的和具有成本效益的传感器是基于单层螺旋形成一个inductive-capacitive谐振电路由于电感的寄生电容。传感器能够检测样品中不同数量的水通过测量传感器的谐振频率的变化。相比其他LC电感和电容组成的传感器或传感器基于射频识别、传感器的制造工艺技术是简单得多,给它一个经济优势。特别是当嵌入式传感器需要监测大面积,因此需要许多传感器。使用三个砂样品不同粒径和含水量,传感器显示较慢的共振频率响应高含水量,反之亦然。从测试获得的数据表现出传感器的谐振频率附近的线性关系和含水量的样品。

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