一种自适应补偿的柔性射频传感系统和方法

1.本发明涉及一种自适应补偿的柔性射频传感系统和方法，属于射频传感技术领域。


背景技术：

2.随着当前5g通信与智能化的发展，传感器的性能提高及功能提升迫在眉睫。微波传感器具有低成本、极高灵敏度、非侵入性等优势，具有重要的经济价值和社会价值。在微波传感器中，微波腔体谐振器的q值在10^2～10^7数量级，广泛应用于高灵敏度传感。然而此类传感器体积较大，不利于小型化与集成化。相比而言，微波平面传感器具有结构简单、成本较低、易于集成等优点，但仍存在结构损耗大，测量高损耗样品时有载q值下降剧烈等问题，均严重影响传感器的灵敏度与分辨率。
3.与此同时，随着人们对下一代电子设备便携性、可穿戴性与可植入性要求的提高，发展具有高度柔韧性的电子器件至关重要。柔性化及可延展改变了传统电子器件的刚性物理形态，在光电信息、生物医药、清洁能源、能量存储、航空航天等一系列交叉学科领域具有独特而重要的应用价值。在柔性传感器发生拉伸或者弯曲时，谐振器必将承受较大的应变。随之带来的不仅是单纯的形变，而是一整套动态的、系统性的传感器特性变化，甚至功能丧失。因此，如何利用较高电磁损耗的柔性电极/基板体系实现高性能的柔性微波传感器，并且在发生较大随机应变时仍然保持传感性能，已成为柔性微波传感发展面临的重要挑战。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种自适应补偿的柔性射频传感系统和方法，能够实现柔性射频传感器自动化的精准补偿控制。
5.本发明提供一种自适应补偿的柔性射频传感系统，包括主控模块、信号源模块、柔性传感模块和信号接收模块，所述柔性传感模块包括应变检测模块、传感模块和补偿模块，所述主控模块分别连接应变检测模块、信号源模块、补偿模块和信号接收模块，所述信号源模块与柔性传感模块连接，为其提供传感信号激励，所述柔性传感模块与信号接收模块连接。
6.本发明的主控模块通过应变检测模块与信号接收模块提供的实时反馈信号对信号源模块与补偿模块输出相应补偿信号，以补偿并降低柔性传感模块发生应变及检测高损耗样品时对传感结果产生的不良影响。相比于传统射频传感，该自适应补偿的柔性射频传感系统能基于一种或者多种反馈信号，通过一次或者多次的循环控制，最终实现对柔性传感模块的精准补偿。
7.本发明进一步优化的技术方案如下所示：
8.优选地，所述主控模块的信号输出端与信号源模块的信号输出端连接，所述信号源模块的信号输出端与传感模块的信号输入端连接，所述传感模块的信号输出端与信号接收模块的信号输入端连接，所述信号接收模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连
接。
9.这样，主控模块发出控制信号k1至信号源模块，信号源模块产生传感信号s1至传感模块，传感模块生成传感信号s2并将传感信号s2传输至信号接收模块，信号接收模块接收并储存柔性传感模块输出的传感信号s2，同时向主控模块传输反馈信号f2。
10.优选地，所述应变检测模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连接，应变检测模块实时监测柔性传感模块的应变状态，并将应变状态生成反馈信号f1反馈至主控模块。
11.优选地，所述主控模块的信号输出端与补偿模块的信号输入端连接。
12.采用上述结构，主控模块对信号源模块和补偿模块分别输出补偿信号c1和补偿信号c2，信号源模块与补偿模块接收主控模块发出的控制补偿信号并进行相应补偿。
13.优选地，所述应变检测模块为薄膜型应变传感器、电阻型应变传感器或激光型应变传感器。
14.优选地，所述传感模块为人工表面等离激元结构、基片集成波导谐振腔结构、矩形波导谐振腔结构、共面波导结构或微带结构。
15.优选地，所述补偿模块为二极管，低噪声放大器，光电导或基于液晶、石墨烯或氧化钒的补偿结构。
16.主控模块可以使用但不限于单片机、fpga、pc。
17.本发明还提供一种自适应补偿的柔性射频传感方法，该方法包括两种自适应补偿方式，具体步骤如下：
18.自适应补偿一：
19.步骤1.1、主控模块产生控制信号k1驱动信号源模块；
20.步骤1.2、信号源模块产生传感信号s1并将传感信号s1输出至柔性传感模块；
21.步骤1.3、柔性传感模块的应变检测模块实时监测柔性传感模块的应变状态，并根据应变状态生成反馈信号f1，将反馈信号f1反馈至主控模块；
22.步骤1.4、主控模块根据接收的反馈信号f1向信号源模块实时输出控制信号k1与补偿信号c1用以补偿，同时主控模块实时向补偿模块输出新的补偿信号c2用以补偿；
23.步骤1.5、根据系统需求返回步骤1.1执行一次或若干次循环控制；
24.自适应补偿二：
25.步骤2.1、主控模块产生控制信号k1驱动信号源模块；
26.步骤2.2、信号源模块产生传感信号s1并将传感信号s1输出至柔性传感模块；
27.步骤2.3、柔性传感模块的传感模块生成传感信号s2并将传感信号s2传输至信号接收模块；
28.步骤2.4、信号接收模块接收并储存柔性传感模块输出的传感信号s2并产生反馈信号f2，将反馈信号f2实时向主控模块反馈；
29.步骤2.5、主控模块根据接收的反馈信号f2向信号源模块实时输出控制信号k1和补偿信号c1用以补偿，同时实时向补偿模块输出新的补偿信号c2用以补偿；
30.步骤2.6、根据系统需求返回步骤2.1执行一次或若干次循环控制。
31.上述两种自适应补偿方式既可以协同运行，也可以单独运行。具体的，该闭环控制过程可以是一次闭环控制或者多次循环闭环控制，最终实现对柔性传感模块的精准补偿。
32.本发明的有益效果如下：
33.(1)通过主控模块结合反馈信号进行处理，对柔性传感器由于应变导致的性能损耗进行精准补偿，可以显著提高柔性射频传感器件受到应变时的传感精度；
34.(2)通过主控模块结合反馈信号进行处理，补偿柔性传感器工作时的电磁损耗，特别是测试高损耗样品时的损耗，可以显著提高柔性射频传感器件的传感精度；
35.(3)可一次或者多次循环该闭环控制系统，多次迭代对柔性传感模块的补偿效果，从而最终获得对柔性传感模块的精准补偿。
36.本发明能够通过基于应变检测模块及信号接收模块的反馈信号，通过一次或者多次循环控制，实现柔性射频传感器的自适应补偿。
附图说明
37.图1为本发明的系统原理图。
38.图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。
40.本实施例提出了一种自适应补偿的柔性射频传感系统，如图1所示，包括主控模块1、信号源模块2、柔性传感模块3和信号接收模块4，柔性传感模块3包括应变检测模块3-1、传感模块3-2和补偿模块3-3，主控模块1分别连接应变检测模块3-1、信号源模块2、补偿模块3-3和信号接收模块4。信号源模块2与柔性传感模块3连接，为其提供传感信号激励，柔性传感模块3与信号接收模块4连接。主控模块1可以使用但不限于单片机、fpga、pc；应变检测模块3-1可以使用但不限于薄膜型应变传感器、电阻型应变传感器、激光型应变传感器；传感模块3-2可以使用但不限于人工表面等离激元结构、基片集成波导谐振腔结构、矩形波导谐振腔结构、共面波导结构、微带结构；补偿模块3-3可以使用但不限于二极管，低噪声放大器，光电导，基于液晶、石墨烯、氧化钒的补偿结构。其中，主控模块1的信号输出端与信号源模块2的信号输出端连接，信号源模块2的信号输出端与传感模块3-2的信号输入端连接，传感模块3-2的信号输出端与信号接收模块4的信号输入端连接，信号接收模块4的信号输出端与主控模块1的信号输入端连接。主控模块1发出控制信号k1至信号源模块2，信号源模块2产生传感信号s1至传感模块3-2，传感模块3-2生成传感信号s2并将传感信号s2传输至信号接收模块4。应变检测模块3-1的信号输出端与主控模块1的信号输入端连接，应变检测模块3-1实时监测柔性传感模块3的应变状态，并将应变状态生成反馈信号f1反馈至主控模块1。应变检测模块3-1为薄膜型应变传感器、电阻型应变传感器或激光型应变传感器等，能够实时返回电压或者电流信号通过计算分析来判定柔性传感模块3的应变状态。应变检测模块3-1跟传感模块3-2及补偿模块3-3之间没有必然联系，应变检测模块3-1是用来检测整个柔性传感模块3的应变情况的，而补偿模块3-3则是在需要的时候对柔性传感模块3传感的物理量进行补偿的，补偿模块3-3可为二极管、低噪声放大器、光电导或基于液晶、石墨烯或氧化钒的补偿结构，接受到补偿信号后，补偿模块可以在电压、电流或者温度等作用下产生
调制，实现补偿。信号接收模块4用于接收并储存柔性传感模块输出的传感信号s2的同时向主控模块传输反馈信号f2。主控模块1的信号输出端与补偿模块3-3的信号输入端连接。主控模块1对信号源模块2和补偿模块3-3分别输出补偿信号c1和补偿信号c2，信号源模块2与补偿模块3-3接收主控模块1发出的控制补偿信号并进行相应补偿。
41.一种自适应补偿的柔性射频传感方法，该方法包括可以协同运行亦单独运行的两种自适应补偿方式，具体步骤如下：
42.自适应补偿一：
43.步骤1.1、主控模块1产生控制信号k1驱动信号源模块；
44.步骤1.2、信号源模块2产生传感信号s1并将传感信号s1输出至柔性传感模块3；
45.步骤1.3、柔性传感模块3的应变检测模块3-1实时监测柔性传感模块3的应变状态，并根据应变状态生成反馈信号f1，将反馈信号f1反馈至主控模块1；
46.步骤1.4、主控模块1根据接收的反馈信号f1经数据处理并向信号源模块2实时输出控制信号k1
′
与补偿信号c1用以补偿，同时主控模块1实时向补偿模块3-3输出新的补偿信号c2用以补偿；
47.步骤1.5、根据系统需求返回步骤1.1执行一次或若干次循环控制，直至反馈信号f1达到传感数据设定阈值；
48.自适应补偿二：
49.步骤2.1、主控模块1产生控制信号k1驱动信号源模块2；
50.步骤2.2、信号源模块2产生传感信号s1并将传感信号s1输出至柔性传感模块3；
51.步骤2.3、柔性传感模块3的传感模块3-2生成传感信号s2并将传感信号s2传输至信号接收模块4；
52.步骤2.4、信号接收模块4接收并储存柔性传感模块3输出的传感信号s2并产生反馈信号f2，将反馈信号f2实时向主控模块1反馈；
53.步骤2.5、主控模块1根据接收的反馈信号f2经数据处理并向信号源模块2实时输出控制信号k1
′
和补偿信号c1用以补偿，同时实时向补偿模块3-3输出新的补偿信号c2用以补偿；
54.步骤2.6、根据系统需求返回步骤2.1执行一次或若干次循环控制，直至反馈信号f2达到传感数据设定阈值。
55.在步骤1.3中，应变检测模块3-1实时监测柔性传感模块3的应变状态，应变检测模块3-1根据应变状态判断柔性传感模块3是否应变，若柔性传感模块3应变则直接输出应变数据至主控模块1进行处理，否则输出未应变信号至柔性传感模块3，进行下一轮应变状态数据采集。
56.图2是闭环控制过程流程图。由图2可知，主控模块1通过反馈的应变数据和传感数据分析并计算出对信号源模块2及补偿模块3-3的补偿信号并输出，信号源模块2与补偿模块3-3接收到补偿信号后对柔性传感模块3进行补偿。柔性传感模块3输出传感数据s2至信号接受模块4得到反馈信号f2，由主控模块1判定是否达到精度阈值，若达到阈值则结束循环，若未达到则将输出数据重新传输至主控单元进行处理并进行下一轮循环。同时应变检测模块3-1实时对柔性传感模块3的应变程度进行传感，并将应变数据f1实时向主控模块1传输。
57.以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。