一种用于测量酒精含量的电容-电感式微波传感器设计开题报告

1. 研究目的与意义

随着经济的高速发展和生活水平的逐步提高，人们的饮食文化和生活方式也在不断变化。现如今，酒精，广泛使用于化工、食品行业中，在不同的应用场合下，对于酒精含量的要求各不相同。一方面，酒精饮料在日常生活中起到了重要的社交和娱乐作用，然而，酒精饮料的消费不当极易导致健康问题和安全隐患，尤其是在饮酒后驾车、操作危重设备、妨碍公共秩序等情况下，可能会给自身和他人带来重大危害，不仅会危及人民生命财产安全，还有可能引发社会不稳定因素。另一方面，在医疗工业、燃料工业、化工工业等方面，对酒精浓度的精确度有着严格的要求，微小的浓度差对结果有着很大的影响。在生产、质检和产品应用的过程中，必须确保其浓度的稳定性和准确性，以保证所生产的产品的质量和稳定性。因此，对酒精浓度的检测和分析越来越受到人们的高度关注。

目前，用来测量酒精浓度的方法一般分为两张，分别为化学分析法和物理分析法。化学分析法主要包括气相色谱法、液相色谱法以及化学法等等，其中，最常用的方法是利用气相色谱法(gas chromatography, gc)。这些方法罗列了一系列的措施和实验程序来测量酒精含量，其准确性和精确度都较高，但是需要专业仪器和人员，且耗费时间较长，不适用于现如今的工业生产之上。物理分析法是近年来一种新兴的方法，包括基于光谱、拉曼光谱、紫外光谱、红外光谱和质谱等多种形式。这些方法具有较高的准确性，但其实用性和可移植性还需要进一步的研究和发展。

虽然已有研究指出能够用于酒精含量的测量及检测，但是实际应用场景中水样特性的变化和气候环境的不确定性等问题，仍使现有方法存在局限性。为了解决这一问题，人们一直在研究和开发新的直接感测方法，以便能够更快速、准确地测量酒精含量。其中，基于微波技术的酒精含量测量方法因其高精度、快速、非侵入性等特点而备受关注。微波传感器是一种用于评估目标物理量的设备，其基本原理是通过测量从待测物体中反射的微波信号来获得物体的性质，是一种无需接触或破坏样品、具有实时性强的检测技术。微波传感器广泛应用于各种领域的实时检测，特别是涉及温度、湿度和物质变化等方面。利用微波传感器测量酒精含量被认为是一种非常优秀的方案。利用微波传感器检测酒精含量一般采取微波传感器器件与信号处理器相结合的方式。在广泛的研究和应用中，电容-电感式微波传感器由于其设计简单、高精度以及良好的可扩展性和可重复性等优势得到了特别关注。

2. 研究内容和预期目标

本课题电容—电感式微波天线设计的主要研究内容是确定微波天线的衬底厚度，天线线宽以及混合物复介电常数与测量值的关系等等。预期可以建立一个最佳灵敏度的微波传感器模型，在不同的酒精浓度混合物的情况下，可以精确地反映其复介电常数，反映其酒精浓度。

3. 研究的方法与步骤

本课题主要采用HFSS高频电磁场仿真软件，使用该软件对电容-电感式微波传感器进行初步建模以及后期优化修正。将微波传感器拆分成衬底、微带天线、混合液体管道以及其他辅助部分，分别建模。由于作为传感器的微波特性阻抗随待测液体的酒精含量的介电常数而变化，为了分析不同水含量下对混合物介电常数的影响，使微波尽可能工作在接近于匹配状态，设计时根据选定的变量,由微波的特性曲线确定一定酒精浓度下能够最准确、最灵敏反应的衬底厚度，天线线宽等等。在成功建模完毕后，使用HFSS高频电磁场仿真软件对微波天线分析优化，在此基础上采用控制变量的方法，首先分析研究影响微波天线的重要参数，如通道位置、衬底厚度、天线线宽等参数对于混合物介电常数的影响，根据仿真所得的s参数曲线，分析得出最优参数，以获得较高的灵敏度 。在获得最优参数的情况下，使用最优参数，分析不同水含量下对混合物介电常数的影响，以得出混合物复介电常数与S曲线测量值的关系，从而进一步推算出混合物的酒精浓度。

4. 参考文献

[1] 刘生龙,胡鞍钢. 中国经济发展趋势:机遇与挑战(2021—2035)[j]. 甘肃社会科学,2023(1):195-207.doi:10.3969/j.issn.1003-3637.2023.01.020.

[2] 孟丽新,孟垚. 酒精生产监控软件的组态及应用[j]. 化工管理,2016(16):92.doi:10.3969/j.issn.1008-4800.2016.16.036.

[3] 边欢欢,程美嘉,吴仪,等. 酒精饮料对小鼠认知功能的影响及其机制[j]. 中国医科大学学报,2023,52(3):230-235. doi:10.12007/j.issn.0258-4646.2023.03.007

5. 计划与进度安排

（1）2024.2.25-2024.3.15 文献调研，图书馆查阅资料，完成开题报告，完成外文资料的翻译；
（2）2024.3.16-2024.4.15 仿真天线结构并得到最优参数；
（3）2024.4.16-2024.4.30 总结并整理实验数据，进行优化实验；
（4）2024.5.01-2024.5.20 总结资料并撰写论文；
（5）2024.5.21-2024.6.10 论文修改，答辩。