一種天線型定量檢測傳感器系統及檢測方法與流程
2023-10-11 10:48:24 2
本發明涉及一種傳感器系統，尤其是涉及一種天線型定量檢測傳感器系統。
背景技術：
天線型傳感器因其製作簡單、微小便攜等優點被廣泛地應用在氣體傳感，生物傳感和應力傳感等方面。天線型傳感器常常與Bluetooth、RFID等無線技術結合，被用於食品安全、醫療等領域，但現有的天線傳感器局限於傳統技術無法做到定量檢測，只能以有和無的形式做定性檢測。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種天線型定量檢測傳感器系統。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種天線型定量檢測傳感器系統，該系統包括傳感器，所述的傳感器包括無線發射模塊和天線，該系統還包括無線終端設備，所述的天線為全向型天線，且每個傳感器配備一個定量檢測模型，具體為：
其中，為無線終端設備接收的傳感器的信號強度均值，ψ為傳感器待測參數，d為傳感器與無線終端設備的距離，n為環境因子，C為常數；
無線終端設備接收傳感器的信號並得到信號強度均值同時測量傳感器和無線終端設備的距離d，將和d帶入該傳感器的定量檢測模型並求解得到待測參數的大小。
所述的定量檢測模型需要根據不同的待測參數進行標定，具體為：
(1)將傳感器置於與無線終端設備置於距離1米的位置，傳感器發射信號，並通過無線終端設備獲取傳感器的信號強度，改變待測參數ψ大小，並記錄不同ψ值時對應的信號強度，對f(ψ)+C進行標定；
(2)保持待測參數ψ恆定，改變傳感器線與無線終端設備之間的距離d，並記錄不同d值時無線終端設備檢測的傳感器的信號強度，對環境因子n進行標定。
步驟(1)具體為：
(101)賦值定量檢測模型中的d＝1，得到
(102)在ψ＝ψi時無線終端設備獲取傳感器信號強度並採集多個數據取均值得到信號強度均值ψi為第i次給定的待測參數的數值大小，i＝1,2，……n，n為給定的待測參數數值的總次數；
(103)根據ψi以及對應的進行數據擬合，得到得到f(ψ)的具體函數式以及常數C。
步驟(2)具體為：
(201)保持待測參數ψ恆定，賦值d＝d1、d＝d2……d＝dm；
(202)當d＝dj時無線終端設備獲取傳感器信號強度並採集多個數據取均值得到信號強度均值j＝1,2，……m；
(203)將步驟(103)中f(ψ)的具體函數式以及常數C帶入定量檢測模型，利用lg(d1)、lg(d2)……lg(dm)以及對應的進行線性擬合得到環境因子n的標定值。
一種採用天線型定量檢測傳感器系統進行定量檢測的方法，該方法包括如下步驟：
(1)根據待測參數選擇與之對應的定量檢測模型：
為無線終端設備接收的傳感器的信號強度均值，ψ為傳感器待測參數，d為傳感器與無線終端設備的距離，n為環境因子，C為常數；
(2)測量無線終端設備和傳感器之間的距離d；
(3)多次測量無線終端設備接收的傳感器的信號強度並取均值得到信號強度均值
(4)將得到的信號強度均值和距離d帶入定量檢測模型計算得到傳感器待測參數ψ。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
(1)本發明的定量檢測傳感器系統打破了傳統天線傳感器局限於定性檢測的缺點，通過定量檢測模型實現定量檢測，檢測結果準確可靠；
(2)本發明的定量檢測傳感器通用性強，可以通過對定量檢測模型的參數的標定來使得該定量檢測傳感器能適用不同的檢測參數，如溫度、溼度等。
附圖說明
圖1為本發明天線型定量檢測傳感器系統的結構框圖；
圖2為實施例1溼度傳感器中d＝1時，傳感器的信號強度與不同溼度的線性關係圖；
圖3為不同距離d下傳感器的信號強度與lg(d)的線性關係；
圖4為實施例2應力傳感器中d＝1時，傳感器的信號強度與不同應力的線性關係圖。
圖中，1為無線發射模塊，2為天線，3為敏感材料，4為無線終端設備。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例1
如圖1所示，一種天線型定量檢測傳感器系統，該系統包括傳感器，傳感器包括無線發射模塊和天線，傳感器包括無線發射模塊1和天線2，該系統還包括無線終端設備4，天線2為全向型天線，全向型天線用於避免因天線空間角度變化帶來的測量影響。另外每個傳感器配備一個定量檢測模型，具體為：
其中，為無線終端設備4接收的傳感器的信號強度均值，ψ為傳感器待測參數，d為傳感器與無線終端設備4的距離，n為環境因子，C為常數；
無線終端設備4接收傳感器的信號並得到信號強度均值同時測量傳感器和無線終端設備4的距離d，將和d帶入該傳感器的定量檢測模型並求解得到待測參數的大小。
其中，傳感器的定量檢測模型通過下述方式推導得到：
無線模塊為傳感天線提供一個穩定的輸入功率Ps，但由於阻抗匹配的問題，傳感天線實際獲得的功率Pt＝Ps(1-Γ)，Γ為反射係數。由於傳感天線自身阻抗會隨著待測參數發生改變，反射係數Γ也會隨之發生變化。
無線接收終端在與傳感天線相聚d時的接收信號強度Pr(d)可以通過弗裡斯自由傳輸方程計算得到：
這裡Gt(ψ)是傳感天線的增益，Gr是無線終端天線的增益，λ是傳輸信號的波長，ψ是待測參數，如本實施例中的相對溼度。將等式(1)寫成分貝形式：
但是真實的測量環境並非自由空間，我們在考慮路徑損耗的同時還需考慮遮蔽效應、多徑效應等影響因素，那麼參考經驗公式：
這裡Pr(d0)在參考距離d0下的接收信號強度，n是環境影響因子，Xσ正態分布的隨機變量。因此最終我們可以得到在現實環境下的接收信號強度模型：
因為傳感元件與終端設備是全向型天線的關係，所以有：
同時將常數部分整合，可以得到接收信號強度的簡化式：
由於Γ(ψ)是一個複雜未知的函數，所以我們最終可以將模型簡化為：
即為上述
定量檢測模型需要根據不同的待測參數進行標定，具體為：
(1)將傳感器置於與無線終端設備4置於距離1米的位置，傳感器發射信號，並通過無線終端設備4獲取傳感器的信號強度，改變待測參數ψ大小，並記錄不同ψ值時對應的信號強度，對f(ψ)+C進行標定；
(2)保持待測參數ψ恆定，改變傳感器線與無線終端設備4之間的距離d，並記錄不同d值時無線終端設備4檢測的傳感器的信號強度，對環境因子n進行標定。
步驟(1)具體為：
(101)賦值定量檢測模型中的d＝1，得到
(102)在ψ＝ψi時無線終端設備4獲取傳感器信號強度並採集多個數據取均值得到信號強度均值ψi為第i次給定的待測參數的數值大小，i＝1,2，……n，n為給定的待測參數數值的總次數；
(103)根據ψi以及對應的進行數據擬合，得到得到f(ψ)的具體函數式以及常數C。
步驟(2)具體為：
(201)保持待測參數ψ恆定，賦值d＝d1、d＝d2……d＝dm；
(202)當d＝dj時無線終端設備4獲取傳感器信號強度並採集多個數據取均值得到信號強度均值j＝1,2，……m；
(203)將步驟(103)中f(ψ)的具體函數式以及常數C帶入定量檢測模型，利用lg(d1)、lg(d2)……lg(dm)以及對應的進行線性擬合得到環境因子n的標定值。
本實施例提供了一種定量檢測溼度的天線型傳感器系統，傳感器由無線發射模塊1、2.4GHz全向型天線和敏感材料3組成，發射模塊1採用藍牙發射模塊，傳感器發射信號，無線終端設備4為藍牙接收終端，天線2通過凹版印製，再將敏感材料3塗覆在天線2上。
傳感器發射信號，接收終端接收信號並獲得指示接收信號強度的測量值。對由此獲得的多個指示接收信號強度的測量值數據，計算得到測量值均值和標準差。將上一步得到的測量值均值代入測量值與待測參數的定量檢測模型當中，從而求得待測參數。
對f(ψ)+C進行標定具體為：
(1)將傳感器與藍牙接收終端設備置於相距1.0m的位置，傳感器發射信號，藍牙接收終端接收信號得到測量值；
(2)改變待測變量相對溼度ψ(40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％)，對應不同得到不同的測量值(不同參數條件下，分別獲取200個數據點)，計算得到測量值均值；
(3)根據步驟(2)得到的多個測量值均值和對應的待測參數ψ，通過數據擬合得到對應的函數關係式f(ψ)+C。圖2展示了在相距1.0m的位置，相對溼度40％到80％對應下測量值均值，以及所擬合出來的函數線段，可以得到：d＝1時，
環境因子n通過以下方式得到：圖3展示了傳感器在恆定溼度60％的狀態下，測試距離從0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m到3.0m變化與測量值均值的變化情況，測量值均值與lg(d)成線性關係，擬合數據得到環境因子n＝2.37。
所以最終得到定量檢測模型為：那麼在確定距離的情況下，可以根據此模型定量算出環境的相對溼度。
採用上述天線型定量檢測傳感器系統進行環境相對溼度定量檢測的方法，該方法包括如下步驟：
(1)根據待測參數選擇與之對應的定量檢測模型：
(2)測量無線終端設備和傳感器之間的距離d；
(3)多次測量無線終端設備接收的傳感器的信號強度並取均值得到信號強度均值
(4)將得到的信號強度均值和距離d帶入定量檢測模型計算得到環境相對溼度ψ。
實施例2
本實施例提供了一種基於ZigBee無線技術的定量檢測應力的天線型傳感器，傳感器由ZigBee無線模塊、2.4GHz全向型天線組成，傳感器發射信號，由ZigBee接收終端接收並獲取指示接收信號強度的測量值。
天線2使用石墨烯油墨通過凹版印刷工藝印製在丁腈基底上。
對f(ψ)+C進行標定具體為：
(1)將天線型傳感器與ZigBee接收終端置於相距1.0m的位置，傳感器發射信號，ZigBee接收終端接收信號得到指示接收信號強度的測量值；
(2)改變待測參數應力ψ(0.1N、0.2N、0.3N、0.4N、0.5N、0.6N、0.7N、0.8N、0.9N、1.0N、1.1N、1.2N)，對應不同ψ得到不同的測量值，在同一應變情況下獲取200個測量值，並計算得到測量值均值；
(3)根據步驟(2)得到的多個測量值均值和對應的待測應力ψ，通過數據擬合得到對應的f(ψ)+C。圖4展示了傳感器與終端設備相距1.0m的位置下，天線2上應力從0.1N到1.2N對應下測量值均值，從圖中發現0.1N到0.6N的測量值均值並未發生變化，而0.7N到1.2N呈明顯的線性關係，正如插圖顯示的在0.7N到1.2N變化區間內的線性擬合關係，可以得到：d＝1時，區間範圍ψ∝[0.67N,1.2N]。
環境因子n獲取方法同實施例1一致，參考圖3環境因子n＝2.37。
所以最終得到定量檢測模型為：那麼在確定距離的情況下，可以根據此模型定量算出施加應變傳感器上的應力。
採用上述天線型定量檢測傳感器系統進行應力定量檢測的方法，該方法包括如下步驟：
(1)根據待測參數選擇與之對應的定量檢測模型：
(2)測量無線終端設備和傳感器之間的距離d；
(3)多次測量無線終端設備接收的傳感器的信號強度並取均值得到信號強度均值
(4)將得到的信號強度均值和距離d帶入定量檢測模型計算得到應力ψ。
以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。