基于耦合矩形微带贴片天线的原油纯度无创微波传感器

《Scientific Reports》：High-accuracy crude oil purity detection using a non-invasive microwave sensor with proximity-coupled patch antennas

　　

摘要

本文提出了一种基于近邻耦合矩形微带贴片天线的无创微波传感器，用于原油纯度的高精度检测。该传感器利用两个紧密放置的开槽矩形天线之间的互电磁耦合，以从油水混合物中提取介电参数。这一设计与更传统的单天线传感器不同，后者完全依赖于 S₁₁ 或回波损耗，而我们的设计利用了额外的散射参数（S₂₁、S₂₂），以提高在表征原油纯度时的灵敏度和选择性。该天线系统主要在两个频带内工作，具体为 6.9–7.6 GHz 用于检测基于介电的带宽变化，1.6 GHz 用于表征信号传输。该传感器在 FR4 基板上制造，并通过各种油水混合物实验验证了其能力。结果显示模拟数据和测量数据吻合良好，验证了所提出传感器的高精度。为了提高感知精度并减少因高频工作产生的非线性，在数据处理步骤中使用了人工神经网络（ANN）模型。总体而言，ANN 模型提高了原油纯度分类的预测准确率和模型可靠性。测量结果表明，在 6.9–7.6 GHz 范围内 S11 < -10 dB，峰值增益为 7.6 dBi，ANN 回归得出 R2=0.995 且预测误差低，证实了检测准确性的提高。