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传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies）
2016年第35卷第11期
DOI:10.13873/J.10009787(2016 J11-009004
基于微波传感器的生化溶液浓度检测
杨晓东，马阔，邱彤，谢浩，刘成国，吴志鹏
（射频与微波技术研究中心武汉理工大学理学院，湖北武汉430070）
摘要：用同轴线设计了一种探针式的微波传感器，对儿种有代表性的生化溶液：NaCI溶液、葡萄糖溶液、蛋白陈落液进行了浓度测量。实验结果显示：传感器反射系数在3900~3950MHz的频段内随者NaC 浓度的增大而减小，在3953~3975MHz的范围内随着葡萄糖浓度的增大而减小，蛋白陈的敏感区则在 3850~3950MHz的频段内。实验结果表明：该传感器可以为生化溶液浓度的检测提供一种低成本、高效的解决办法。
关键词：微波传感器；探针；S参数；浓度
中图分类号：TM931
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2016)11-0090-04
Biochemical solutions concentrationdetection
based on microwave sensor
YANG Xiao-dong，MA Chuang,QIU Tong，XIEHao,LIU Cheng-guo,WU Zhi-peng( RF & Microwave Technology Research Center,College of Science, Wuhan University of Technology,
Wuhan430070,China)
Abstract : Design a probe type microwave sensor using coaxial line, some typical biochemical solutions such as NaCl,glucose and tryptone are measured with novel sensor. Experimental results show that reflective coefficient of sensor decreases with the concentration increases. However, the sensitive spectra are 3 900 ~3 950 MHz,3 953 -3 975 MHz and 3 850 ~3 950 MHz for NaCl, glucose and tryptone respectively. This work verifies that the novel
sensor can provide a low-cost,high efficient solution to detect concentration of biochemical solutions Key words:microwave sensor; probe; S parameter; concentration
0引言
目前，微波传感器的应用已成为一个新的研究热点，一些国内外的学者将微波传感器和生物、化学领域相结合，进行了各种研究探索，例如被测物中水分含量的检测1-3]、血糖测量[4]、溶液浓度的测量[5-7]、复介电常数测量18]、细胞鉴别9.11]、生物材料成像[10]等等。其中，生化试剂浓度检测作为该领域的一项重要研究课题而备受关注，而这些已有的研究成果中存在一些传感器制作成本高、精度不够等问题，需要探索更有效的微波测量方法。
本文基于上述研究，提出了一种运用开口同轴探针耦合方式的传感器，为生化溶液的浓度提供一种低成本、高效精确的微波测量方法。利用该传感器构建的测量系统对 NaC1、葡葡糖、蛋白陈溶液开展实验测量，测试结果表明，该
传感器可以高效检测生化溶液且成本低。 1传感器检测原理与设计
微波传感器的原理是在微波的传输路径中，遇到被测收稿日期：2016-01-21
物时会产生反射波和透射波，而被测物不同，产生的反射和透射波也会不同，这些参数可以用反射和传输系数来表征。这其中的决定因素是被测物的复相对介电常数，可以表示为s,=s"一je",德拜Debye)方程给出了频率与ε,之间的联系
s)5 e,=8+1-2nf
+j2m6m
(1)
式中6和分别为静态和无限高频的时溶液的介电常数，为Debye张弛时间，为自由空间的介电常数，α为盐溶液的电导率f为电磁波的频率。式(1)中s+s+7均和被测溶液的温度和浓度有关，具体关系可参考文献[12 ]。
生物化学试剂溶液大多为不同物质的水溶液，是一种混合物。当介质由多种不同物质均匀混合构成，每种物质均为各项同性的，则介质的介电常数可以模拟131为
e = P,el/3
(2)