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申请/专利权人：西南大学

摘要：本发明公开了一种基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，包括矢量网络分析仪、同轴‑波导转换器、矩形波导和超材料传感器，矢量网络分析仪通过同轴‑波导转换器与矩形波导的前端连接，矩形波导的后端与超材料传感器连接，超材料传感器内设有待测食用油；矢量网络分析仪发射的扫频信号经同轴‑波导转换器和矩形波导传输后激励在超材料传感器上，由于不同种类的食用油的介电常数不同，超材料传感器的吸收频点也不同，产生相应的反射信号经矩形波导和同轴‑波导转换器传输后由矢量网络分析仪接收，根据得到的反射信号判断待测食用油的种类。其能够有效鉴定食用油的种类，灵敏度高，精确度高，检测操作简便快捷，受环境影响小，不受场地的限制。

主权项：1.一种基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于：包括矢量网络分析仪（1）、同轴-波导转换器（2）、矩形波导（3）和超材料传感器（4），所述矢量网络分析仪通过同轴-波导转换器与矩形波导的前端连接，所述矩形波导的后端与超材料传感器连接，所述超材料传感器用于接触或容置待测食用油；所述矢量网络分析仪（1）发射的扫频信号经同轴-波导转换器（2）和矩形波导（3）传输后激励在接触或容置待测食用油的超材料传感器（4）上，产生相应的反射信号经矩形波导和同轴-波导转换器传输后由矢量网络分析仪接收；计算接收和发射信号功率的比值，将单位转化成dB，即测得超材料传感器的反射率，作出频率-反射率的关系曲线，反射谷对应的频率即为超材料传感器的吸收频点；所述超材料传感器（4）包括从上至下依次设置的谐振单元（41）、第一衬底（42）、微流道层（43）、第二衬底（44）和金属背板（45），所述谐振单元包括四个相同的W形谐振器，分别布置在第一衬底上表面的左上、右上、左下和右下四个方向，组合而成的谐振单元的外轮廓为正方形，四个W形谐振器的底部开口位于正方形的四个角，谐振单元的中心与第一衬底的中心重合；四个W形谐振器互不接触，两两之间存在间隙；所述W形谐振器包括对称设置的右半部（411）和左半部（412），所述右半部包括依次连接的第一连接块（7）、第二连接块（8）和第三连接块（9），所述第一连接块和第三连接块分别设于第二连接块的两侧，第一连接块与第二连接块的夹角为45°，第三连接块与第二连接块的夹角为135°，所述第三连接块的自由端与左半部连接；所述微流道层（43）朝向谐振单元的一面设有双螺旋通道，用于容置待测食用油，双螺旋通道主体的两端分别通过双螺旋通道进口或双螺旋通道出口与外部连通；所述微流道层（43）选用介电常数εr=2.2，磁导率μr=1，损耗正切角=0.04的聚甲基丙烯酸甲酯介质材料，厚度t1=0.8mm；所述第一衬底（42）和第二衬底（44）选用介电常数εr=2.2，磁导率μr=1，损耗正切角=0.0009的高频介质材料，厚度t2=0.127mm；由于不同种类的食用油的介电常数不同，超材料传感器的吸收频点也不同，根据测得的吸收频点与数据库对照即可判断待测食用油的种类。

全文数据：一种基于超表面结构的食用油种类微波检测系统技术领域[0001]本发明涉及油脂检测技术领域，具体涉及一种基于超表面结构的食用油种类微波检测系统。背景技术[0002]植物油是人们日常烹饪中必可不少的食用油脂，它的品质关系着国民健康水平，对市场上食用油进行定期抽检是保证国民健康水平的重要手段。虽然有些造假植物油可以根据油脂的颜色、透明度、气味等方面进行初步辨别，但是随着造假技术的提高，这种方法在快速检测植物油品质方面已捉襟见肘，只有将样品送至专业实验室使用专业设备才能准确鉴定。在各类造假方法中，利用劣质低价油来假冒品牌高价油的造假方法尤为普遍，如利用菜籽油假冒橄榄油、色拉油假冒橄榄油等，这种假冒伪劣植物油一旦流入市场，不仅会对国民健康水平造成威胁，同时也会影响到食用油市场的健康稳定发展。发明内容[0003]本发明的目的是提供一种基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其能够有效鉴定食用油的种类，灵敏度高，精确度高，检测操作简便快捷，受环境影响小，不受场地的限制。[0004]本发明所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，包括矢量网络分析仪、同轴-波导转换器、矩形波导和超材料传感器，所述矢量网络分析仪通过同轴-波导转换器与矩形波导的前端连接，所述矩形波导的后端与超材料传感器连接，所述超材料传感器内用于接触或容置待测食用油;所述矢量网络分析仪发射的扫频信号经同轴-波导转换器和矩形波导传输后激励在接触或容置待测食用油的超材料传感器上，产生相应的反射信号经矩形波导和同轴-波导转换器传输后由矢量网络分析仪接收;计算接收和发射扫频信号功率的比值，将单位转化成dB，即测得超材料传感器的反射率，作出频率—反射率的关系曲线，反射谷对应的频率即为超材料传感器的吸收频点；由于不同种类的食用油的介电常数不同，超材料传感器的吸收频点也不同，根据测得的吸收频点与数据库对照即可判断待测食用油的种类。[0005]进一步，所述超材料传感器包括从上至下依次设置的谐振单元、第一衬底、微流道层、第二衬底和金属背板，所述谐振单元包括四个相同的w形谐振器，分别放置在第一衬底上表面的左上、右上、左下和右下四个方向，组合而成的谐振单元的外轮廓为正方形，四个w形谐振器的底部开口位于正方形的四个角，谐振单元的中心与第一衬底的中心重合.四个w形谐振器互不接触，两两之间存在间隙。’[0006]进一步，所述w形谐振器包括对称设置的右半部和左半部，所述右半部包括依次连接的第一连接块、第二连接块和第三连接块，所述第一连接块和第三连接块分别设于第二连接块的两侧，第一连接块与第二连接块的夹角为45。，第三连接块与第二连接块的夹角为1邪°，所述第三连接块的自由端与左半部连接。[0007]进一步，所述谐振单元四周开口宽度g=0.275mm，W形谐振器两两之间的间隙s=0•l75mra，所述第一连接块、第二连接块和第三连接块的宽度W1=〇.5mm。[000S]进一步，所述微流道层朝向谐振单元的一面设有双螺旋通道，用于容置待测食用油，双螺旋通道主体的两端分别通过双螺旋通道进口或双螺旋通道出口与外部连通;所述微流道层选用介电常数er=2.2,磁导率如=1，损耗正切角=0.04的聚甲基丙烯酸甲酯介质材料，厚度tl=0.8mm。[0009]进一步，所述双螺旋通道的结构参数为：宽度似=0•35麵，深度D=0•4mm，间距V=0•15mm〇[0010]进一步，所述第一衬底和第二衬底选用介电常数er==2.2,磁导率Ur=l，损耗正切角=0.0009的高频介质材料，厚度t2=0.127mm。[0011]进一步，所述金属背板贴合在第二衬底的下表面，贴合面积与第二衬底的下表面面积一致。[0012]进一步，所述谐振单元和金属背板选用厚度为t3=0.035mm的金属铜，电导率为〇=5_8X107Sm。[0013]进一步，所述同轴-波导转换器、矩形波导和超材料传感器置于恒温操作箱内，所述恒温操作箱内的温度为25±2°C。[00M]食用油主要由饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸组成，不饱和脂肪酸又分为单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸，食用油的种类差异主要体现在各种脂肪酸含量的不同。由于各脂肪酸的极性大小不一样，各种类食用油所表现出来的介电性能也不同，因此本发明就是利用各种类食用油的介电性能差异来鉴别植物油的种类。[0015]本发明与现有技术相比具有如下有益效果：[0016]1、本发明的超材料传感器基于超材料吸波体设计，根据介电常数差异来表征食用油的种类，只需对各种纯正食用油进行测量并建立数据库，即可对待测食用油进行种类鉴别。[0017]2、本发明能够有效鉴别食用油的种类，所需样品量少，灵敏度高，精确度高，检测操作简便快捷，不受场地限制。附图说明[0018]图1是本发明的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统的系统框图；[0019]图2是本发明的超材料传感器的结构示意图；[0020]图3是本发明的超材料传感器的侧视图；[0021]图4是本发明的超材料传感器谐振单元的结构示意图；[0022]图5是谐振单元的W形谐振器的结构示意图；[0023]图6是本发明的超材料传感器微流道层的结构示意图；[0024]图7是本发明的同轴-波导转换器的性能测试图；[0025]图8是本发明的超材料传感器中不同介电常数的被测媒质吸收率的仿真结果图；[0026]图9是本发明的超材料传感器吸收频点与被测媒质介电常数关系的仿真结果图；[0027]图10是本发明对五种食用油的吸收率的测量结果图；[0028]图11是本发明对五种食用油的吸收频点的测量结果图。\一图中，^_矢宣网络分析仪，2_同轴_波导转换器，3_矩形波导，4—超材料传感器，4卜谐振单兀，42-弟一衬底，43-微流道层，44一第二衬底，45—金属背板，5—恒温操作箱，6—同轴线，7—第一连接块，8一第二连接块，9一第三连接块。具体实施方式[0030]下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。[0031]^参见图丨，所示的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，包括矢量网络分析仪1、同轴-波导转换器2、矩形波导3和超材料传感器4,所述矢量网络分析仪丨通过同轴-波导转换器2与矩形波导3的前端连接，所述矩形波导3的后端与超材料传感器4连接，所述超材料传感器4内用于接触或容置待测食用油。[0032]所述矢量网络分析伩1发射的扫频信号经同轴-波导转换器2和矩形波导3传输后激励在接触或容置待测食用油的超材料传感器4上，产生相应的反射信号经矩形波导3和同轴-波导转换器2传输后由矢量网络分析仪1接收;计算接收和发射扫频信号功率的比值，将单位转化成dB，即测得超材料传感器的反射率，作出频率-反射率的关系曲线，反射谷对应的频率即为超材料传感器的吸收频点。由于不同种类的食用油的介电常数不同，超材料传感器的吸收频点也不同，根据测得的吸收频点与数据库对照即可判断待测食用油的种类。[0033]所述矢量网络分析仪1的型号为安捷伦E5071C，测试频段为9KHz〜20GHz，中频带宽为10Hz。通过同轴线6与同轴-波导转换器2连接，所述同轴线6为高频同轴线缆，适用频率范围：0〜20GHz。[0034]所述同轴-波^转换器2工作频段位X波段，同轴段位SMA标准接头，波导端为矩形法兰接口。参见图7,所示的同轴-波导转换器的测试性能，其插入损耗IL〇.4dB，回波损耗RL彡15dB。[0035]所述矩形波导3为X波段标准WR-90矩形波导，波导腔的长P=22.86mm，波导腔的宽L=10.16mm〇[0036]参见图2和图3,所述超材料传感器4是基于超材料吸波体进行设计的，包括从上至下依次设置的谐振单元41、第一衬底42、微流道层43、第二衬底44和金属背板45,所述谐振单元41包括四个相同的W形谐振器，分别放置在第一衬底42上表面的左上、右上、左下和右下四个方向，组合而成的谐振单元的外轮廓为正方形，四个W形谐振器的底部开口位于正方形的四个角，谐振单元41的中心与第一衬底42的中心重合；四个W形谐振器互不接触，两两之间存在间隙。所述谐振单元四周开口宽度g=0.275mm，W形谐振器两两之间的间隙s=0•175mm〇[0037]参见图4和图5所述W形谐振器包括对称设置的右半部411和左半部422,所述右半部411包括依次连接的第一连接块7、第二连接块8和第三连接块9，所述第一连接块7和第三连接块9分别设于第二连接块8的两侧，第一连接块7与第二连接块8的夹角为45°，第三连接块9与第二连接块8的夹角为1：35°，所述第三连接块9的自由端与左半部412连接。W形谐振器的结构参数为:所述第一连接块、第二连接块和第三连接块的宽度W1=0.5mm，第一连接块的长度LI=1•45mm，第二连接块的长度L2=2•1213mm，第三连接块的长度L3=1•9125mm。[0038]参见图6,所述微流道层43朝向谐振单元41的一面设有双螺旋通道，用于容置待测食用油，双螺旋通道主体的两端分别通过双螺旋通道进口或双螺旋通道出口与外部连通；所述微流道层43选用介电常数er=2.2，磁导率i，损耗正切角=〇•〇4的聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸甲酯是微流控芯片常用的制作材料，具有良好的化学稳定性和耐候性，厚度11=0•8mm。所述双螺旋通道的结构参数为：宽度W2=〇.35mm，深度D=〇.4臟，间距v=0.15mm〇[0039]所述第一衬底42和第二衬底44选用介电常数er=2.2,磁导率Ur=l，损耗正切角=0•0009的罗杰斯588〇高频低损耗板材，厚度t2=〇.127mm。金属背板45贴合在第二衬底44的下表面，贴合面积与第二衬底44的下表面面积一致。[0040]所述谐振单兀和金属背板选用厚度为t3=0.035mm的金属铜，电导率为〇=5.8X107Sm〇[0041]为了消除温度对食用油介电常数的影响，提高测量结果的准确性，将所述同轴-波导转换器2、矩形波导3和超材料传感器4置于恒温操作箱5内，所述恒温操作箱5内的温度为25±2°C。该恒温操作箱由亚克力板制作而成的透明封闭操作箱，具有自动调节箱内温度的功能。[0042]由于超材料传感器是基于超材料吸波体设计的，其吸收率定义为:A=1一R+T=1一|Sii12—|S2112，式中R为反射率，T为透射率，反射率R定义为ISu12，透射率T定义为IS2112。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射波与透射波尽可能的小。所述超材料传感器4的背面为金属背板45，电磁波无法透过，因此吸收率计算公式可简化为A=丨_|SllI2。_[0043]参见图8，所示的不同介电常数下超材料传感器在电磁波正入射下的仿真结果，该仿真结果由有限元方法计算得到，图中，横坐标为频率，纵坐标为吸收率。参见图9，所示的被测媒质介电常数与超材料传感器的吸收频点的关系，从图9中能够看出，超材料传感器的吸收频点与被测媒质介电常数之间并不是简单的线性关系，根据等效电路的推导结果能够推知是四阶函数关系，通过多项式拟合，得到拟合函数：[0044]fsensor=0.004er4-0.059£r3+0.323er2-〇.992£r+11.212[0045]式中：fsensa表示吸收频点，er表示被测媒质介电常数。[0046]当超材料传感器中加载不同种类的食用油时，由于食用油的介电常数不同，因此，其测得的吸收频点也不相同。只需要对各种纯正食用油进行测量并建立数据库，g卩可对待测食用油进行种类鉴别。[0047]参见图10和图11，采用本发明所述的食用油种类检测系统对五种食用油的吸收频点进行测量，将待测食用油加载于超材料传感器的微流道层中，打开系统，所述矢量网络分析仪1的扫频信号经同轴-波导转换器2和矩形波导3传输后激励在超材料传感器4上，产生的反射信号经矩形波导3和同轴-波导转换器2传输后由矢量网络分析仪1测量得到，测得的五种食用油的吸收频点分别为:菜籽油10.020GHz，玉米油10.023GHz，花生油10.032GHz，芝麻油10.037GHz，橄榄油10•045GHz，超材料传感器对五种食用油产生了不同的吸收频点，因此该检测系统能够有效鉴别食用油的种类，所需样品量少，灵敏度高，精确度高，并且检测操作简便快捷，不受场地限制。'

权利要求：1.一种基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:包括矢量网络分析仪（1、同轴-波导转换器2、矩形波导⑶和超材料传感器4，所述矢量网络分析仪通过同轴-波导转换器与矩形波导的前端连接，所述矩形波导的后端与超材料传感器连接，所述超材料传感器用于接触或容置待测食用油；所述矢量网络分析仪（1发射的扫频信号经同轴—波导转换器2和矩形波导（3传输后激励在接触或容置待测食用油的超材料传感器4上，产生相应的反射信号经矩形波导和同轴-波导转换器传输后由矢量网络分析仪接收;计算接收和发射信号功率的比值，将单位转化成dB，即测得超材料传感器的反射率，作出频率-反射率的关系曲线，反射谷对应的频率即为超材料传感器的吸收频点；由于不同种类的食用油的介电常数不同，超材料传感器的吸收频点也不同，根据测得的吸收频点与数据库对照即可判断待测食用油的种类。2.根据权利要求1所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述超材料传感器（4包括从上至下依次设置的谐振单元（41、第一衬底（42、微流道层4¾、第二衬底44和金属背板45，所述谐振单元包括四个相同的W形谐振器，分别布置在第一衬底上表面的左上、右上、左下和右下四个方向，组合而成的谐振单元的外轮廓为正方形，四个W形谐振器的底部开口位于正方形的四个角，谐振单元的中心与第一衬底的中心重合;四个W形谐振器互不接触，两两之间存在间隙。3.根据权利要求2所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述W形谐振器包括对称设置的右半部411和左半部412，所述右半部包括依次连接的第一连接块7、第二连接块⑻和第三连接块9，所述第一连接块和第三连接块分别设于第二连接块的两侧，第一连接块与第二连接块的夹角为45°，第三连接块与第二连接块的夹角为135°，所述第三连接块的自由端与左半部连接。4.根据权利要求3所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述谐振单元41四周开口宽度g二0.275mra，W形谐振器两两之间的间隙s=0•175皿，所述第一连接块⑺、第二连接块⑻和第三连接块⑼的宽度W1=0•5mm。5.根据权利要求2所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述微流道层43朝向谐振单元的一面设有双螺旋通道，用于容置待测食用油，双螺旋通道主体的两端分别通过双螺旋通道进口或双螺旋通道出口与外部连通；所述微流道层43选用介电常数=2.2，磁导率Ur=1，损耗正切角=〇.〇4的聚甲基丙炼酸甲醋介质材料，厚度tl=0.8mm。6.根据权利要求5所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述双螺旋通道的结构参数为:宽度W2=0•35mm，深度D=0•4mm，间距V=0•15mm。7.根据权利要求2所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述第一衬底42和第二衬底44选用介电常数2•2，磁导率=1，损耗正切角=〇•〇〇〇9的高频介质材料，厚度t2=〇.127mm。8.根据权利要求2所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述金属背板45贴合在第二衬底44的下表面，贴合面积与第二衬底的下表面面积一致。9.根据权利要求2所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述谐振单元41和金属背板4¾选用的是厚度为t3=〇•〇35mm的金属铜，电导率为〇=5•8X107Sm〇10.根据权利要求1或2所述的基于超表面结构的食用油种类微波检测系统，其特征在于:所述同轴-波导转换器⑵、矩形波导3和超材料传感器⑷置于恒温操作箱内，所述恒温操作箱内的温度为25±2°C。

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