一种基于水凝胶的高分辨率LC式无源无线pH值传感器

摘要

本发明提供了一种基于水凝胶的高分辨率LC式无源无线pH值传感器，包括平面电感线圈(1)和电容(2)，平面电感线圈(1)和电容(2)串联形成回路；其中，电容(2)由可动上极板(21)、水凝胶(22)和固定下极板(23)组成，水凝胶(22)设置在可动上极板(21)和固定下极板(23)两层中间，形成三明治结构；可动上极板(21)在平面电感线圈(1)的最外圈上滑动形成电气连接，固定下极板(23)通过导线(3)连接平面电感线圈(1)的最内圈。通过在电容的夹层中设置水凝胶，利用水凝胶来感应PH值，同时改变电感值和电容值来实现谐振频率剧烈的变化，在相同环境变量的基础上，能获得更大的分辨率，结构简单，成本低廉，易于推广使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LC无源无线pH值传感器，特别涉及一种基于水凝胶的高分 辨率LC式无源无线pH值传感器。

背景技术

无源无线传感器不需要物理连接的信号传输系统，也无需电源供应，在复杂 工业环境监测中的应用前景非常广泛，对促进我国物联网的发展有巨大作用。无 线遥测目前有以下方式：一种是射频信号通过天线收发，其利用电磁波在空间中 的收发来传输信号，其传输距离较长，但全方向的天线辐射效率较低，而单方向 的辐射需要不间断的传输视线和复杂的追踪设备；此外，在无源应用中，由于其 必须携带电源，发展受到限制。另一种是电感近场耦合，这种方法通常利用LC 并联谐振回路：在应变作用下，平面电感线圈或电容的大小如果发生变化，谐振 回路的谐振频率也将改变，因此，通过检测回路的谐振频率的变化就可以获得应 变的大小。相比第一种方法，其不需要电源，尺寸小，成本低，应用范围更为广 泛。pH值探测在工业、大气等环境检测中占有重要位置，随着技术的发展，pH 值传感器正想着小型化、集成化、低成本化的方向发展。因此，LC无源无线pH 值传感器有着广泛的应用前景。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于水凝胶的 高分辨率LC式无源无线PH值传感器，在相同环境变量的基础上，可以获得更大 的分辨率。

技术方案：一种基于水凝胶的高分辨率LC式无源无线pH值传感器，包括平 面电感线圈和电容，所述平面电感线圈和所述电容串联形成回路；

其中，所述电容由可动上极板、水凝胶和固定下极板组成，所述水凝胶设置 在所述可动上极板和固定下极板两层中间，形成三明治结构；所述可动上极板在 所述平面电感线圈的最外圈上滑动形成电气连接，所述固定下极板通过导线连接 所述平面电感线圈的最内圈。

进一步的，所述固定下极板与所述平面电感线圈最外圈末端处于同一水平线。

进一步的，所述可动上极板的长度大于所述固定下极板的长度。

有益效果：本发明提供了一种基于水凝胶的高分辨率LC式无源无线PH值传 感器，通过在电容的夹层中设置水凝胶，利用水凝胶来感应PH值，同时改变电 感值和电容值来实现谐振频率剧烈的变化，在相同的环境变量的基础上，可以获 得更大的分辨率，结构简单，技术成熟，易于实现，成本低廉，易于推广使用。

附图说明

图1为本发明基于水凝胶的高分辨率LC式无源无线pH值传感器的结构示意 图；

图2为本发明基于水凝胶的高分辨率LC式无源无线pH值传感器的探测原理 图；

其中，图2a为水凝胶膨胀时本发明的结构示意图，图2b为水凝胶收缩时本 发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的解释说明。

如图1所示，一种基于水凝胶的高分辨率LC式无源无线pH值传感器，包括 平面电感线圈1和电容2，平面电感线圈1和电容2串联形成回路；

其中，电容2由可动上极板21、水凝胶22和固定下极板23组成，水凝胶 22设置在可动上极板21和固定下极板23两层中间，形成三明治结构；可动上 极板21在平面电感线圈1的最外圈上滑动形成电气连接，固定下极板23通过导 线3连接平面电感线圈1的最内圈。固定下极板23与平面电感线圈1最外圈末 端处于同一水平线，可以使测量范围最大。可动上极板21的长度大于固定下极 板23的长度，可以保证当可动上极板21接入电路时，固定下极板23不接入电 路，保证了数据测量的准确，不会影响传感器的测量值。

工作原理：水凝胶22的体积随着外界pH值的不同而发生膨胀或收缩。

当水凝胶22体积膨胀时，如图2a所示，电容2的可动上极板21和固定下 极板23间的距离增大，电容值减小，与此同时，电容2的可动上极板21向上移 动，使得平面电感线圈1接入电路的长度减小，整个LC电路的电感值也减小， 当电容与电感同时减小，使得谐振频率急剧增大，在相同外界因素变化的情况下， 获得更大的分辨率。

当水凝胶22体积收缩时，如图2b所示，电容2的可动上极板21和固定下 极板23之间的距离减小，电容值增大，与此同时，电容2的可动上极板21向下 移动，使得平面电感线圈1接入电路的长度变大，整个LC电路的电感值也增大， 当电容与电感同时增大，使得谐振频率急剧减小，在相同外界因素变化的情况下， 获得更大的分辨率。

工作过程：当外界pH值发生变化时，水凝胶22的体积也随之发生变化， 此时电容2的可动上极板21和固定下极板23的间距发生变化，同时改变平面电 感线圈1接入电路的长度，LC谐振回路的电感和电容同时发生趋势一致的变化， 导致其谐振频率剧烈变化。通过对应谐振频率或谐振峰的变化可以判断相应环境 pH值的变化。

使用方法：首先使用标准设备对LC无源无线pH值传感器进行标定；系统 工作时，建立各个谐振峰或谐振频率与不同环境的pH值之间的关系，当系统工 作时，只需对各个谐振峰的频率值进行监测，与标定值进行对比，即可得到待测 环境pH值的变化。

本发明提供的一种基于水凝胶的高分辨率LC式无源无线PH值传感器，通过 在电容的夹层中设置水凝胶，利用水凝胶来感应PH值，同时改变电感值和电容 值来实现谐振频率剧烈的变化，在相同的环境变量的基础上，可以获得更大的分 辨率，结构简单，技术成熟，易于实现，成本低廉，易于推广使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。