مستشعرات توصيف المواد المغناطيسية العازلة بالكامل

يتم تقديم أجهزة الاستشعار القائمة على مرنان الحلقة المشقوقة (CSRR) للتوصيف الكامل للمواد المغناطيسية العازلة، بحيث تم تصميم المستشعر الأول المقترح عن طريق تحميل خط (microstrip) مع (CSRR)، وذلك لتمييز تأثيرات السماحية والنفاذية على تحول تردد الرنين، كما تم تصميم المجالين الكهربائي والمغناطيسي ليكونا موجودين في منطقتين منفصلتين في (CSRR).

تحليل مستشعرات توصيف المواد المغناطيسية العازلة بالكامل

تلعب تقنية الكشف عن المواد دوراً متزايد الأهمية في العديد من المجالات مثل مراقبة الصحة الهيكلية والتصنيع الصناعي والبحوث الطبية الحيوية، ولهذه الأغراض تم استخدام قياسات الميكروويف القائمة على الرنين على نطاق واسع نظراً لتكلفتها المنخفضة وحساسيتها العالية، ولزيادة تحسين حساسية الرنين، كما تم إدخال العناصر الخارقة في تصميم مستشعرات الميكروويف نظراً لانضغاطها وعامل الجودة العالية، وهم حساسون للغاية لتغيرات الخواص الكهرومغناطيسية للمواد المحيطة.

وفي السنوات الأخيرة، تم استخدام خطوط ودوائر نقل المرنان ذي الحلقة المشقوقة (SRR) والرنان التكميلي ذي الحلقة المشقوقة (CSRR) لتصميم مستشعرات الميكروويف المستوية الصغيرة كهربائياً، كما تم تصميم أجهزة استشعار مختلفة تعتمد على (SRRs ،CSRRs) لقياس السماحية الكهربائية وظل الفقد، ومع ذلك لا يمكن لمعظمهم العمل لتوصيف المواد المغناطيسية العازلة (MD) بنفاذية معقدة غير صفرية.

ونظراً لأنه يمكن استخدام مواد (MD) لتقليل أحجام دوائر الميكروويف؛ فمن المرغوب بشدة تطوير طرق غير مدمرة لوصف مواد (MD)، كما تجدر الإشارة إلى أن السماحية الكهربائية النسبية والنفاذية للمواد (MD) معقدة، أي [(εr = ε′r (1 − jtanδe)] و [μr = μ′r (1 − jtanδm)]، حيث أن (ε′r ،μ′r) هما الأجزاء الحقيقية من السماحية النسبية والنفاذية والتان هو ظل الفقد الكهربائي والمغناطيسي على التوالي، كما أنه يجب تحديد كل هذه المعلمات قبل التنفيذ في إجراء التصميم.

حل مشاكل المواد المغناطيسية العازلة من خلال مستشعر الميكروويف

لحل هذه المشكلة، تم اقتراح مستشعر الميكروويف لتوصيف مواد (MD) عن طريق تحميل خط (microstrip) وذلك مع اثنين من (SRRs)، بحيث يترددان عند ترددات مختلفة، وعلاوة على ذلك تم تطوير جهازي استشعار منفصلين قائم على (SRR)، وكذلك لقياس السماحية والنفاذية على التوالي، ومع ذلك لا تستطيع هذه المستشعرات التقاط ظلمات الفقد الكهربائي والمغناطيسي لمواد (MD).

أيضاً تم اقتراح مستشعر قائم على المسؤولية الاجتماعية للشركات لحل هذه المشكلة عن طريق حصر المجالين الكهربائي والمغناطيسي في منطقتين منفصلتين للاستشعار في المسؤولية الاجتماعية للشركات، وذلك استناداً إلى الدليل الموجي المتكامل للركيزة النشط، كما تم تطوير جهاز استشعار مؤخراً من خلال حصر المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي في منطقتين متميزتين من (CSRR).

وفي بحث سابق حول توصيف مواد (MD)، ومع ذلك يجب إجراء الاختبار مرتين لاستخراج النفاذية والسماحية واحدة تلو الأخرى، وعلى الرغم من أنه تم اقتراح خط (microstrip) أحادي المنفذ محمّل بـ (CSRR) لاستخراج كل من السماحية والنفاذية في تشغيل واحد، بحيث لا يمكن استخدامه لاستخراج ظل الخسارة نظراً لأن حجم الشق هو وظيفة غير رتيبة للجزء الحقيقي السماحية (أو النفاذية).

تطبيقات مستشعر الميكروويف الخاصة بتباين المواد المغناطيسية

في تطبيقات المستشعر من نوع مرنان الميكروويف، يمكن استخدام تباين حجم الشق لاستخراج ظل الخسارة للمواد قيد الاختبار (MUT)، وكلما كان الشق أعمق؛ فإنه يمكن تحقيق عامل الجودة والحساسية في استرداد ظل الخسارة، وعلاوة على ذلك ونظراً لأن عامل الجودة سيتدهور عند قياس (MUT) مع خسارة عالية؛ فإن نقطة الرنين لا يمكن تمييزها، مما يحد من قدرة الكشف.

لذلك؛ فإن الشق العميق مرغوب فيه دائماً في تصميم أجهزة الاستشعار من نوع الرنان، كما أنه من الضروري تحليل آليات الخسارة المختلفة التي تؤثر على حجم الشق، وبالنسبة لمعظم خطوط النقل العملية؛ فإن فقد العازل والموصل والإشعاع لا يكاد يذكر، وعلى العكس من ذلك قد تلعب الخسارة في وحدة الرنين المستوية دوراً مهيمناً.

وكعنصر استشعار؛ فإنه يتم استخدام (CSRR) على نطاق واسع في تصميم أجهزة استشعار من نوع مرنان الميكروويف نظراً لحجمها الصغير وتصنيعها البسيط وتكلفتها المنخفضة، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (1)، بحيث يتم أخذ خط (microstrip) المحمّل بـ (CSRR) كمثال، كذلك الركيزة عبارة عن روجر (RO4350) بسمك (0.813) مم مع ثابت عازل قدره (3.66) وظل الخسارة (0.004)، بحيث تم ضبط عرض خط (microstrip) على (1.67) مم لتحقيقه.

مبدأ الاستشعار الكهربائي الخاص بـ CSRR

هيكل جهاز الاستشعار

من أجل التوصيف الكامل لمواد (MD)؛ فإنه يجب فصل المجالات الكهربائية والمغناطيسية في منطقتين متميزتين، وهنا هيكل (CSRR) المعدل والذي تم تطويره على أساس مقترن بخط (microstrip)، وذلك كما هو معروض في الشكل التالي (3-a)، كما أنه يتم تثبيت مقاومين من سلسلتين على طرفي خط (microstrip) لتحسين عامل الجودة.

كذلك تم رسم توزيعات حجم المجالات الكهربائية والمغناطيسية على المستوى الأرضي المعدني لجهاز الاستشعار القائم على (CSRR) عند الرنين في الشكل التالي (4-a) و (4-b) على التوالي، لذلك لقد وجد أن أقصى كثافة مغناطيسية وما يقرب من صفر مجال كهربائي في منطقة استشعار النفاذية (انظر الصندوق الأسود في الشكل التالي.

قياس المعلمات المغناطيسية

يتم استخدام المستشعر المستند إلى (CSRR) المقترح أولاً لقياس النفاذية المعقدة لمادة (MD)، كما أنه يتم وضع عينة من (MUT) على منطقة استشعار النفاذية، وهنا يُفترض أن الجزء الحقيقي (μ′r) من النفاذية النسبية والفقدان المغناطيسي (tangent tanδm) يتراوح من (1) إلى (2) ومن (0) إلى (0.5) على التوالي، وفي القياسات تم تحديد سماكة العينة على (1) مم للقضاء على تأثيرها على النتائج.

قياس المطاليب الكهربائية

لقياس السماحية المعقدة؛ فإنه يتم وضع عينة بحجم (8.8) مم × (5) مم × (1) مم على منطقة استشعار السماحية، بحيث تم فحص تأثيرات السماحية المعقدة على قياسات النفاذية في الشكل التالي (5)، كما ووجد أن الجزء الحقيقي مايكرومتر من النفاذية النسبية له تأثير ضئيل على تردد الطنين، ومع ذلك يتناقص حجم الشق مع زيادة الفقد المغناطيسي (tangent tanδm)، حيث لا يزال هناك مجال مغناطيسي صغير في منطقة استشعار السماحية.

وأخيراً في هذا العمل، تم اقتراح جهازي استشعار للتوصيف الكامل لمواد (MD)، بحيث تم تصميم المستشعر الأول عن طريق تحميل خط نقل (microstrip) مع (CSRR) محسّن، بحيث تتركز المجالات الكهربائية والمغناطيسية في مناطق منفصلة من (CSRR)، والتي يمكن استخدامها لقياس السماحية والنفاذية على التوالي، كما أنه يمكن أيضاً استخلاص ظل الفقد الكهربائي والمغناطيسي لمواد (MD) باستخدام المستشعر المقترح.

وعلاوة على ذلك، ولسهولة القياس تم تطوير مستشعر محسّن قائم على (CSRR) عن طريق تحميل خط نقل (microstrip) مع اثنين من (CSRRs) مختلفة، كما أنه تم الحصول على رنينين لقياس السماحية والنفاذية المعقدة في وقت واحد. للتحقق من صحة الوظيفة، بحيث تم تصنيع المستشعرات المقترحة وتم تحضير عينات من (MUTs) المختلفة واختبارها.