无线无源温度/压力传感器技术理论与研究

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传感器是信息化和物联网的重要组成部分,其广泛应用于工业生产、环境保护、资源调查、生物医学等领域。近年来,基于无线无源原理的传感器因其功耗低、集成度高、成本低廉等优势得到了研究人员以及工业界的广泛关注。本文主要进行无线无源传感器的相关理论分析以及仿真建模,研究不同的传感器结构,设计出无线无源温度以及压力传感器,并分别对其进行了验证。本文主要研究内容如下:(1)针对温度的无线测试需求,设计了一种基于微波散射原理的无线温度传感器。温度传感器基于介质谐振器/缝隙天线的集成结构,根据相关理论计算出其理论结构参数值。使用高频电磁仿真软件HFSS对温度传感器进行建模,结合参数扫描功能对结构参数值进行扫描优化,得到最优参数值。进行温度参数的仿真,得到传感器在0°C~700°C温度范围内的平均灵敏度为185.71k Hz/°C,Q值约为100。选用耐高温氧化铝材料作为介质基板,结合丝网印刷工艺加工制作出温度传感器的实物模型,并进行测试,证明其无线温度测试的可行性。(2)针对柔性无线无源压力传感器的设计需求,提出并设计了一种基于LC谐振式原理的无线无源压力传感器模型。设计了基于单层平面LC谐振回路结构的压力传感器模型,根据相关理论计算出LC谐振回路的理论结构参数值。使用高频电磁仿真软件HFSS对压力传感器进行建模,结合参数扫描功能实现压力参数的仿真,证明其无线压力测试的可行性。通过距离参数的仿真,得到传感器其最远工作距离约为25mm。选用柔性PDMS薄膜作为介质基板,结合丝网印刷工艺实现基于单层LC谐振结构压力传感器的实物模型制备,搭建压力测试平台,实现0~10k Pa压力范围的测试。(3)为了进一步增加传感器的测试距离,在单层LC谐振回路结构的基础上,设计基于双层LC谐振回路结构的压力传感器。使用高频电磁仿真软件HFSS对传感器进行建模,结合参数扫描功能进行距离参数的仿真,得到该结构传感器的最远工作距离约为35mm,较之单层结构的传感器增加了10mm。
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