解读四大微波谐振传感器的工作原理

根据其工作原理,微波谐振传感器可分为:频率变化传感器、相位变化传感器、分频传感器、耦合调制传感器和差模传感器。

  在物联网(IoT)时代,人们对使用微波信号进行传感的需求越来越大,它们的低成本、高灵敏度、对恶劣环境的鲁棒性,以及它们在非侵入式和无线传感方面的潜力,都是微波传感器的优势。

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  其中,平面微波谐振传感器近年来引起了众多研究者的关注。由于谐振元件对其周围介质的特性敏感,基于谐振元件的微波传感器已经应用于许多不同的情况,包括材料特性、生物传感、环境监测、缺陷检测、运动控制、化学分析、微流体。此外,由于各种原因,平面技术中的传感器实现是有趣的,包括开发低剖面和低成本传感器的可能性、共形传感器(例如柔性基板中的传感器)、可回收传感器(例如基于有机或可堆肥基板的传感器)、可穿戴传感器、集成传感器,潜水式传感器,或与其他技术兼容的传感器(如微流体、基于基片集成波导的传感器、芯片上实验室传感器等)。

  平面微波谐振传感器可根据工作频率、应用领域或工作原理等不同标准进行分类。然而,可能最方便的传感器分类方案是它们的工作原理,因为它简化了传感器比较。也就是说,如果器件在不同的工作原理下工作,就相关的传感器参数(如灵敏度、分辨率、动态范围、线性度等)比较传感器性能是困难的。然而,应该提到的是,有些传感器同时利用了一些工作原理。

  根据其工作原理,微波谐振传感器可分为:频率变化传感器、相位变化传感器、分频传感器、耦合调制传感器和差模传感器。

频率变化传感器

  在频率变化传感器中,感兴趣的变量(被测对象)基于谐振器修改传感元件的谐振频率和幅度(根据具体实现方式,可以是峰值或凹口)。可以考虑几种具体的实现,包括加载有单个或多个谐振器的传输线,或加载谐振器的天线等。这种传感器简单易设计,而且非常常见。频率变化传感器对于材料特性具有特殊的意义,因为传感谐振器的共振频率受到接触或接近材料的存在的扰动。然而,频率变化传感器需要宽带询问信号用于测量目的,特别是在具有显著输入动态范围的情况下,这会降低与生成此类信号所需的电子设备相关的成本。此外,频率变化传感器受到交叉灵敏度的影响,例如,由环境因素的变化引起的。

相位变化传感器

  相位变化传感器通常以单一频率工作,因此构成了降低电子设备成本的良好解决方案(单音调或谐波信号足以用于测量目的)。然而,测量信号的相位并不总是简单的,至少与幅度相比是如此。为此,人们提出了基于相量转换器的相位变化传感器。基于具有极高灵敏度的普通曲折线的相位变化传感器已经被证明是以牺牲大的传感面积为代价的。然而,由于人工线中色散图的可控性,人们已经报道了基于复合左右手线、慢波传输线和电感应波(EIW)传输线的高灵敏度小型相位变化传感器。这些传感器最典型的应用是介电常数测量和材料表征。然而,还报道了用于测量空间变量,特别是角位移和速度的相位变化传感器。

耦合调制传感器和分频传感器

  为了缓解环境因素(如温度、湿度等)影响引起的交叉敏感,基于对称截断和差模的传感器构成了一个很好的解决方案。基于对称性的传感器主要有两类,即耦合调制传感器和分频传感器。在耦合调制传感器中,传输线由对称谐振器对称加载。在完全对称的情况下,谐振器加载线对信号传播是透明的,只要线和谐振器的对称面是不同的电磁类型(一个是磁壁,另一个是电壁)。然而,当对称性被截断时,例如,通过线和谐振器之间的相对位移,或通过谐振元件的不对称介电负载,则会产生缺口响应,并且缺口的大小可用于传感,因为它与输入变量引起的不对称程度密切相关(通常,但不完全是位移)。相比之下,在分频传感器中,一条线对称地加载一对相同的谐振器。在完全对称的情况下,频率响应出现一个缺口。然而,当对称性由于输入变量引起的扰动而被破坏时,原始凹口被分成两个凹口,其分离程度与不对称程度有关。通常,这些传感器已应用于介电特性。与以前的耦合调制传感器相比,分频传感器也需要宽带信号才能进行测量。在耦合调制和分频这两种传感器类型中,对称性都是在环境因素的变化下保持的,只要这种变化(如果存在的话)发生在比传感器的典型尺寸高得多的尺度上。因此,这种传感器对环境因素引起的交叉敏感具有鲁棒性。

  相比之下,在分频传感器中,一条线对称地加载一对相同的谐振器。在完全对称的情况下,频率响应出现一个缺口。然而,当对称性由于输入变量引起的扰动而被破坏时,原始凹口被分成两个凹口,其分离程度与不对称程度有关。通常,这些传感器已应用于介电特性。与以前的耦合调制传感器相比,分频传感器也需要宽带信号才能进行测量。在耦合调制和分频这两种传感器类型中,对称性都是在环境因素的变化下保持的,只要这种变化(如果存在的话)发生在比传感器的典型尺寸高得多的尺度上。因此,这种传感器对环境因素引起的交叉敏感具有鲁棒性。

差模传感器

  差模传感器基于两个独立的传感元件,并且对环境因素的变化也具有鲁棒性,因为这种变化被视为此类传感器的共模刺激。基于谐振元件的差模传感器有很多种。在一些实现中,一对线被加载一对相同的谐振器,并且输出变量是交叉模式传输系数,指示两条传感线中传输系数之间的差异。通常,这些传感器基于前面讨论的一些原理,例如相位或频率变化。报道了一些用于液体表征的差模传感器的实例,并通过在敏感区域上添加射流通道来实现。还应提及的是,还提出了基于反射而非传输的差模传感器。在后一种传感器中,端口数量减少到两个,并且通常这些传感器较小,特别适合于某些应用,例如潜水传感器。

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