介电常数微弱变化的高灵敏度测试技术

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河南师范大学物理与电子工程学院 作者:刘伟娜

  提出了一种测量介电常数微弱变化的新型传感器。该传感器利用幅度相同、相位相反的两路信号的相互抵消作用,来消除背景噪声,达到提高灵敏度的作用。此装置主要包括两个相同的威尔金森功分器、一个同相巴伦和一个180°反相巴伦。通过对去离子水与不同浓度乙醇溶液之间介电常数的差异的测量可知,该传感器能够探测到的介电常数的最小绝对变化和相对变化分别为1. 68% 和2. 07% ,与微波湿度传感器相比,所提出的传感器的灵敏度更高。

引言

  测量介电常数微小变化的技术在很多领域都有广泛的应用: 比如在细胞研究,电磁兼容等方面。介电光谱学即测量介电常数及其微小变化的方法有着很多优势,像便于大量生产,易于与其电它电路集成等。现有的微波介电常数测试方法主要有传输法、反射法、自由空间辐射法和谐振腔法等。在这些方法中,传输线是一种重要的高频测量结构。然而,该测量方法由于传输线的背景噪声大而使测量灵敏度受限,通常情况下,这种背景噪声很强而无法忽略。鉴于此,本文设计了一种新型传感器,该传感器利用片上相消技术来提高测量灵敏度。

1、寄生效应的片上相消原理

  1.1、传感器的原理图

  图1 是我们提出的灵敏传感器的原理图,可以看出该传感器由两个相同的威尔金森功分器和两条支路组成。一条支路( 用来放置测量物) 通过一个同相的共面波导- 槽线背靠背巴伦,另一条支路( 用来放置参考物) 通过一个180°反相的共面波导- 槽线背靠背巴。信号由端口1 输入,然后由功分器将输入信号平均分配到两条支路上。最后,两路信号同时到达第二个威尔金森功分器并由端口2 输出。

提出的灵敏传感器原理图及各部分长度

图1 提出的灵敏传感器原理图及各部分长度

4、影响测量精度的因素分析

  对称性是影响测量精度的最重要的因素,该装置中造成结构的不对称的因素如下: 共面波导- 槽线背靠背180°反相巴伦与同相巴伦的不完全对称性; 参考区与测量区粘贴的塑料管是手动操作的,这就难免会由于定位不准影响整个装置的对称性。其它影响测试灵敏度的因素有测量塑料管与参考塑料管的长度(半径) 与高度h。图5 所示为管道的半径不变,高度h 发生变化时,相同的介电常数ε'引起的频率的偏移(fm) 情况。从图5 可以看出,随着测量溶液高度的增加,频率的偏移量也在增加,但是当高度h 高于56μm 时,对测量结果已无影响,因为h=64μm 与h=56μm 两条曲线已经重合。

不同高度h 下,相同的介电常数变化引起的频偏

图5 不同高度h 下,相同的介电常数变化引起的频偏

5、结论

  综上可知,本文提出了一个测量介电常数微小变化的高灵敏度传感器,该传感器利用幅度相同,相位相反的两路信号的相消作用来提高灵敏度。实验结果表明,该传感器能够探测的介电常数的最小绝对变化为1.68,与微波湿度传感器相比,本文提出的方法测试灵敏度更高。后期工作包括测量数据的处理及拓展测试带宽。

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