引言

近年來，對于微小位移的檢測需求日益增大，微波位移傳感器作為一種重要的工具備受矚目，其被廣泛應(yīng)用于實現(xiàn)高精度、高靈敏度的位移檢測。相比于傳統(tǒng)的光學(xué)、電阻式以及聲波位移傳感器存在的問題，如精度低、需要與目標(biāo)物品接觸以及對環(huán)境要求高[1-4]，微波位移傳感器實現(xiàn)了對目標(biāo)物體的非接觸式測量，避免了傳統(tǒng)傳感器可能帶來的磨損和損壞風(fēng)險。由于利用了微波信號進(jìn)行測量，微波傳感器具備較高的測量精度和穩(wěn)定性，可精準(zhǔn)感知目標(biāo)物體位置和運動狀態(tài)。此外，微波傳感器響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r監(jiān)測和反饋目標(biāo)物體位置與運動狀態(tài)，為系統(tǒng)實時控制與調(diào)節(jié)提供便利。

因此微波位移傳感器的設(shè)計和研究工作得到很多研究學(xué)者的重視。微波位移傳感器的研究主要分為三類，分別是基于幅值變化的微波位移傳感器、基于相位變化的微波位移傳感器、基于頻率偏移的微波位移傳感器。

Lv、Horestani和Naqui等人提出了幾種基于開口環(huán)諧振器（Split Ring Resonator, SRR）耦合共面波導(dǎo)（Coplanar Waveguide, CPW）的一維和二維微波位移傳感器[5-7]，CPW激發(fā)SRR，在傳輸系數(shù)曲線上產(chǎn)生傳輸零點，通過改變SRR與CPW的相對位置，使得傳輸零點的幅值發(fā)生變化，通過幅值的變化來表征位移。Horestani 和Shaterian等人都采用諧振器耦合微帶線的相位變化位移傳感器[8-10]，改變諧振器與端口間的距離，通過反射系數(shù)的相位來表征位移。這兩類傳感器通過幅值的變化和相位變化來表征位移量，其受益于單一的工作頻率，但受環(huán)境噪聲的影響大，并且不易于測量。

Horestani等人設(shè)計了一種寬邊耦合SRR的二維微波位移傳感器[11]，通過位移引起結(jié)構(gòu)對稱性的破壞，使得諧振頻率發(fā)生偏移，進(jìn)而由諧振頻率偏移量來表征位移。基于頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS），Zhang等人設(shè)計了一個二維位移傳感器[12]，當(dāng)兩層彼此垂直的金屬條帶諧振器相對位置改變時，F(xiàn)SS的諧振頻率變化即可用來表征位移量，并且利用該FSS的偏振特性實現(xiàn)二維傳感。Rezaee等人通過在CPW中加載缺陷地結(jié)構(gòu)以及在傳輸線中蝕刻槽的方式[13]，使位移能夠引起槽長度的變化，從而導(dǎo)致CPW的傳輸零點發(fā)生偏移，在建立了傳輸零點與位移之間的關(guān)系后即可表征二維位移。這類傳感器與之前的幅值變化和相位變化的傳感器相比，使用頻率特性來表征位移，受環(huán)境因素的影響小，易于實現(xiàn)精確測量。

本文設(shè)計了一款基于SRR的二維微波位移傳感器，將動子放置在SRR上方，動子位移時，SRR的諧振頻率發(fā)生變化，傳輸零點也隨之產(chǎn)生偏移。為實現(xiàn)二維位移傳感，在x和y方向上分別加載了不同尺寸的SRR，產(chǎn)生兩個相互獨立的傳輸零點，分別對應(yīng)x和y方向。通過建立傳輸零點與位移的之間的關(guān)系，實現(xiàn)了對二維位移精確表征。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、受環(huán)境因素影響小和易于實現(xiàn)精確測量等優(yōu)點，適用于需求精準(zhǔn)、高靈敏度的二維位移檢測場景。

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作者信息：

袁汪楷，馬潤波

（山西大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，太原 030006）