用于导电液体特性分析的三点校准方法，采用高动态范围微波传感器

《IEEE Sensors Journal》：Three-Point Calibration Method for Conductive Liquid Characterization Using High-Dynamic-Range Microwave Sensor

　　

摘要：

由于溶解离子引起的强介电损耗，准确量化水介质中的离子化合物浓度仍然具有挑战性。本文紹紹了一种基于谐振器的微波传感系统，用于无损表征此类介质，以氯化铵（NH4Cl）作为代表性分析物进行了验证。该系统采用电LC谐振器标签，与两种不同的读取器配置相连：间隙耦合传输线（GCTL）和标准传输线（TL）。离子浓度的变化会改变周围介质的有效介电常数，进而干扰谐振器的电磁特性。这些干扰表现为谐振响应的可测量变化，使得读取器能够通过无线耦合完全感知介质，而无需物理接触。基于材料样本的宽带介电评估，选择1000 MHz作为最佳工作频率，以平衡灵敏度和信号衰减。实验和仿真研究表明，谐振幅度随离子含量单调变化，GCTL呈现指数行为，而TL读取器呈现对数依赖性，r2 = 0.99。利用这些可预测的行为，我们引入了一种三点校准方法，仅通过三次测量即可参数化整个响应曲线。这种方法大大减少了计算开销，同时在0到6000 ppm的整个浓度范围内保持高精度（误差<2.5%）。本研究的主要贡献是一种通用性强的三点校准策略，它大大减少了所需的测量次数，适用于各种离子溶液，从而实现了基于谐振器的传感技术在精准农业和环境监测中的实际应用。