基于二阶EP点进行煤矸混合比例监测的无源无线传感器

基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的无源无线传感器
技术领域
1.本发明属于无源无线传感器技术领域，尤其涉及基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的无源无线传感器。


背景技术：

2.煤炭作为当代世界最主要的能源和最重要的工业原料之一，大多使用综放机械化放顶煤开采技术进行开采，虽然具有高产、高效及低耗的特点，但是顶煤放落大多依靠人工目测来进行控制。由于采煤工作面灰尘大，一方面带来现场操作工人安全问题，另一方面人工很难准确判断顶煤放落速度，不可避免的导致放落煤过程中的过放和欠放状况，前者会造成煤质下降，后者将导致回收率降低。因此，对放落煤过程中煤和煤矸的混合度实时动态监测不仅是提高煤炭质量的关键技术，而且对关闭放落煤口的时间控制具有重要意义。
3.无线传感器(wireless sensors，ws)可用于在有线连接无法实现的恶劣或封闭环境中进行非接触式连续工作。自1967年collins首次使用微型螺旋电感(l)和压敏电容(c)实现可植入式的眼压传感器开始，基于lc共振的无源无线传感器在过去几十年中经历了快速的发展，已经在工业(轮胎压力监测、射频识别)和医疗(骨骼愈合检测、生理监测)上得到了广泛的应用。通常，这些无源lc传感器的工作机制伴随着共振频率的偏移，即待测量(压力、应力、温度、湿度等)的变化引起电容或电感元件的失谐。然而，当待测量变化量较小时，共振频率的偏移也较小。因此，需要从较小变化量中提供一种增大共振频率偏移量的策略，从而提高传感器的灵敏度。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述问题。提出一种基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的无源无线传感器，基于实现满足二阶ep点的条件，提高无源无线传感器的灵敏度。
5.为实现上述目的，本发明提供了基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的无源无线传感器，包括：四个线圈、平行板电容器与矢量网络分析仪；
6.所述平行板电容器用于根据不同比例的煤矸混合样品产生变化电容数据；
7.所述四个线圈用于根据所述变化电容数据产生电感数据；
8.所述矢量网络分析仪用于根据所述电感数据获得反射光谱，基于所述反射光谱获得二阶ep点，基于所述二阶ep点进行煤矸混合比例监测。
9.可选地，所述四个线圈为同一轴心放置；
10.所述四个线圈依次为：负载线圈、接收线圈、发射线圈与激励线圈；
11.所述发射线圈与接收线圈为两个相同的谐振线圈；
12.所述负载线圈与激励线圈为两个相同的非谐振线圈。
13.可选地，所述发射线圈与接收线圈均为三匝螺旋式结构，环内径均为136mm，环间距均为10mm；
14.所述负载线圈与激励线圈环直径均为150mm。
15.可选地，所述发射线圈与接收线圈均加载可调电容装置，用于调节谐振频率。
16.可选地，所述平行板电容器包括两个铝极板，所述两个铝极板相距50mm，所述两个铝极板之间用于放入不同比例的的煤矸混合样品；
17.所述两个铝极板的厚度、长度和高度相同，分别为1mm、100mm和40mm；
18.所述平行板电容器与所述发射线圈串联，组成一个lc共振系统。
19.可选地，所述矢量网络分析仪包括第一端口与第二端口；
20.所述第一端口与所述激励线圈连接；
21.所述第二端口与所述负载线圈连接。
22.可选地，所述矢量网络分析仪中基于所述反射光谱获得二阶ep点的方式为：
23.基于所述反射光谱获得不同比例的煤矸混合样品的谐振频率，并获得谐振频率偏移量；
24.基于所述谐振频率偏移量获得微扰强度；
25.基于所述谐振频率偏移量与所述微扰强度获得所述二阶ep点。
26.可选地，所述二阶ep点为所述谐振频率偏移量与所述微扰强度符合1/2次的关系。
27.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
28.本发明提供了一种基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的无源无线传感器，包括负载线圈、接收线圈、发射线圈和激励线圈以及平行板电容器与矢量网络分析仪；发射线圈与接收线圈为谐振线圈，均为三匝螺旋式结构，且均加载有一个可调电容；激励线圈与负载线圈为非谐振线圈，分别连接至矢量网络分析仪；发射线圈串联平行板电容器组成一个lc共振系统；基于实现二阶ep点的条件，提高无源无线传感器的灵敏度，使本发明所提出的基于二阶ep点的无源无线传感器在煤矸混合比例监测方面更具优势。
附图说明
29.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
30.图1为本发明实施例一的基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的螺旋式无源无线传感器的结构示意图；
31.图2为本发明实施例一的二阶pt对称系统的理论模型结构示意图；
32.图3(a)为本发明实施例一的传统螺旋式无源无线传感器在不同煤矸混合比例下的反射光谱示意图；图3(b)为本发明实施例一的传统螺旋式无源无线传感器在不同煤矸混合比例下的谐振频率随不同煤矸混合比例的变化示意图；图3(c)为本发明实施例一的传统螺旋式无源无线传感器在不同煤矸混合比例下的谐振频率偏移量随不同煤矸混合比例的变化示意图；
33.图4(a)为本发明实施例一的螺旋式无源无线传感器在不同煤矸混合比例下的反射光谱示意图；图4(b)为本发明实施例一的螺旋式无源无线传感器在不同煤矸混合比例下的谐振频率偏移量在不同微扰强度下的计算结果示意图；图4(c)为本发明实施例一的取图4(b)在对数坐标上的结果示意图；
34.图5为本发明实施例一的传统蚊香式的二阶无源无线传感器系统结构示意图；
35.图6(a)为本发明实施例一的不同煤矸混合比例引起的微扰强度下二阶蚊香式无
源无线传感器系统的反射光谱示意图；图6(b)为本发明实施例一的蚊香式无源无线传感器的谐振频率偏移量在不同微扰强度下的计算结果示意图；图6(c)为本发明实施例一的取图6(b)在对数坐标上的结果示意图；
36.图7为本发明实施例一的基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的螺旋式和传统蚊香式无源无线传感器系统的灵敏度增强系数示意图。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
38.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
39.如图1所示，本发明所提出的基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的无源无线传感器，其为螺旋式结构，包括：四个线圈、平行板电容器与矢量网络分析仪；
40.平行板电容器用于根据不同比例的煤矸混合样品产生变化电容数据；
41.四个线圈用于根据变化电容数据产生电感数据；
42.矢量网络分析仪用于根据电感数据获得反射光谱，基于反射光谱获得二阶ep点，基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测。
43.四个线圈为同一轴心放置；
44.四个线圈依次为：负载线圈、接收线圈、发射线圈与激励线圈；
45.发射线圈与接收线圈为两个相同的谐振线圈；
46.负载线圈与激励线圈为两个相同的非谐振线圈。
47.发射线圈与接收线圈均为三匝螺旋式结构，环内径均为136mm，环间距均为10mm；
48.负载线圈与激励线圈环直径均为150mm。
49.发射线圈与接收线圈均加载可调电容装置，用于调节谐振频率。
50.平行板电容器包括两个铝极板，两个铝极板相距50mm，两个铝极板之间用于放入不同比例的的煤矸混合样品；
51.两个铝极板的厚度、长度和高度相同，分别为1mm、100mm和40mm；
52.平行板电容器与发射线圈串联，组成一个lc共振系统。
53.矢量网络分析仪包括第一端口与第二端口；
54.第一端口与激励线圈连接；
55.第二端口与负载线圈连接。
56.矢量网络分析仪中基于反射光谱获得二阶ep点的方式为：
57.基于反射光谱获得不同比例的煤矸混合样品的谐振频率，并获得谐振频率偏移量；
58.基于谐振频率偏移量获得微扰强度；
59.基于谐振频率偏移量与微扰强度获得二阶ep点。
60.二阶ep点为谐振频率偏移量与微扰强度符合1/2次的关系。
61.实施例一
62.非厄米物理和宇称时间对称(parity time symmetry，pt)领域的最新进展表明，在pt相变点(ep点)附近的光学和光子学中，本征值和本征向量同时合并，进而实现灵敏度的增强。ep点是与环境进行能量交换的非厄米系统的显著特征，它们出现在增益和损耗受控的系统中表现出对微小扰动极大的放大响应，可用于设计灵敏度大大提高的谐振传感器。此外，在光学谐振器的二阶ep点上，实验上观察到依赖于外部扰动的本征频率劈裂的平方根行为。与此类似，对于无源无线lc传感器，当待测量的变化作用于二阶ep点时，系统的共振频率偏移量也应随待测量变化量的平方根变化而变化。
63.本实施例首先通过二阶pt对称系统的理论模型实现了满足二阶ep点的条件，接着对本实施例所提出的基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的螺旋式无源无线传感器系统进行了研究，为了方便对比，对传统蚊香式无源无线传感器也进行了同样的研究，最后对两个系统的灵敏度增强系数进行了分析与对比。
64.二阶pt对称系统的理论模型：
65.本实施中二阶pt对称系统的理论模型如图2所示，该模型由两个线性排列的无源谐振器组成，二者具有相同的谐振频率ω0和固有损耗γ，且均受到来自外界的相同辐射γ，其中发射谐振器(圆1)接受/收到来自唯一来自外界的输入波ω。此外，两个谐振器之间的近邻耦合为κ。那么，该系统的运动方程可以用耦合模理论来描述：
[0066][0067][0068]
其中a
1,2
＝a
1,2
e-iωt
表示每个线圈中的谐振模式，s
1
表示入射波。反射波如下所示：
[0069][0070]
通过设置零反射波：s
1-＝0代入公式(1)和(2)，可以得到求解完美吸收状态时的特征值：
[0071][0072]
其中有效哈密顿量为：
[0073][0074]
在不考虑固有损耗γ的条件下，可以在这个开放系统中建立一个理想的哈密顿量。通过求解|ωi-h|＝0，其中i表示单位矩阵，即可直接从二次代数方程中确定二阶pt对称系统中完美吸收态的复本征频率：
[0075]
δ2 γ
2-κ2＝0
ꢀꢀꢀ
(5)
[0076]
这里的δ＝ω-ω0。该方程表明，当辐射损耗γ和耦合强度κ同时满足γ＝κ的临界条件时，所有两个本征频率在ω-ω0处合并，即在这个临界条件下实现了二阶ep点。
[0077]
如果在蓝色谐振器中加入微扰ε，公式(1)将变为：
[0078][0079][0080]
考虑归一化参数：γ＝0,γ＝κ＝1，则相应的有效哈密顿量将变为：
[0081][0082]
再次求解|ωi-h|＝0，即可得到其吸收态的复本征频率：
[0083][0084]
进而得到：
[0085]
re(δ
ep2
)～ε
1/2
ꢀꢀꢀ
(9)
[0086]
基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的螺旋式无源无线传感器：
[0087]
本实施例提出的基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的螺旋式无源无线传感器的结构示意图如图1所示，包括其各个组件的详细信息；四个线圈(激励线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈)均使用线径为2mm的聚酯漆包圆铜线，平行板电容器使用两个相距50mm的铝极板。其中两个谐振线圈(发射线圈和接收线圈)为三匝螺旋式结构，其环内径为136mm，环间距为10mm，且均加载有一个30(
±
10)pf的可调电容用于调谐至f＝ω0/2π＝27mhz。此外，发射线圈串联有一个厚度、长度和高度分别为1mm、100mm和40mm的平行板电容器组成一个lc共振系统。激励线圈和负载线圈为两个相同的非谐振线圈，二者的环直径均为150mm，分别连接至矢量网络分析仪(vector network analyzer，vna)的端口1和端口2以实现对反射系数的监测。
[0088]
在本实施例中，四个线圈为同一轴心放置且被固定在透明亚克力板上，非谐振线圈在开口处焊接有一个50ω的sma头，然后再通过同轴线连接至矢量网络分析仪vna。平行板电容器两极板间用于放入不同比例的煤矸混合样品。不同比例的煤矸混合样品中煤矸石的含量如表1所示：
[0089]
表1
[0090][0091]
在本实施例中，首先研究了不同比例的煤矸混合样品对传统无源无线传感器的影响，通过适当调节非谐振线圈和谐振线圈(使用激励线圈和发射线圈)之间的距离，测量无源无线传感器在不同煤矸混合比例下的反射光谱如图3(a)所示，分别提取了谐振频率fn和频率偏移量|f
n-f0|(作用在频率上的微扰强度ε)随不同煤矸石含量的曲线图，如图3(b)、图3(c)所示，并得出：
[0092][0093]
其中，ls表示发射线圈电感，cs表示平行板电容器电容，cn(下标对应于表1中的序
号)表示不同含量的煤矸石引起的变化电容。
[0094]
并且由上述公式可知下一阶线性关系：
[0095]
ε～|f
n-f0|～cnꢀꢀꢀ
(11)
[0096]
接着利用测得的微扰强度对二阶螺旋式无源无线传感系统进行分析，测量的反射光谱如图4(a)所示。随着微扰强度ε的增大(煤矸石含量的增加)，反射倾角逐渐左移且反射光谱的右侧新增一个明显的共振峰，这是因为当微扰强度ε》0时，整个系统不再处于二阶pt对称状态导致反射光谱出现频率劈裂，并且随着微扰强度ε的增大，劈裂趋势愈明显。图4(b)为提取了图4(a)的频率偏移量|fn′‑
f0′
|与通过公式(9)计算的理论上ε
1/2
曲线的对比示意图，二者吻合良好。通过对图4(b)取对数坐标可以得到图4(c)所示的结果，从中可以得到与曲线(y＝ε
1/2
)相同斜率1/2的结论。
[0097]
此外，本实施例还使用相同的方法对谐振线圈为传统蚊香式的二阶无源无线传感器系统进行了分析，其结构示意图如图5所示，使用环内径为68mm、环间距为20mm的谐振线圈以及线直径为100mm的非谐振线圈，其中谐振线圈加载有一个40pf固定电容以及一个10pf的可调电容。结果显示与螺旋式二阶无源无线传感系统的结果类似，从图6(a)—图6(c)可以看出，谐振频率偏移量|fn′‑
f0
′
|与微扰强度ε同样符合1/2次的关系。
[0098]
最后，本实施例还分析了基于二阶ep点进行煤矸混合比例监测的螺旋式和传统蚊香式无源无线传感器系统的灵敏度增强因子|f
′
n-f
′0|/ε，其结果如图7所示，因微扰强度来ε自于煤矸石含量的变化，并且二者为一阶线性关系，所以横坐标取为煤矸石含量。可以看出，灵敏度增强因子随煤矸石含量的增加而减小，而且两种不同线圈所对应的灵敏度增强因子也不相同。在所测样品煤矸石含量为10％，50％和90％时，螺旋式系统的灵敏度增强因子相比蚊香式系统的提高比例分别为32.8％、52.9％和48.8％。因此，本实施例所提出的基于二阶ep点的螺旋式无源无线传感系统在煤矸混合比例监测方面更具优势。
[0099]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。