基于單模諧振腔微擾理論的溶液濃度測量系統(tǒng)研究與設(shè)計.pdf

1、微波技術(shù)是一種基于麥克斯韋電磁理論的測量技術(shù)，經(jīng)過一百多年的發(fā)展成為一門成熟的學(xué)科，在通信系統(tǒng)、雷達(dá)測量、疾病檢測、食品加熱、全球定位系統(tǒng)等方面有廣泛的應(yīng)用?；谖⒉夹g(shù)的傳感器具有非接觸性、可在線測量、信號穩(wěn)定、抗干擾能力強的優(yōu)點，單模諧振腔作為一種基于微波技術(shù)的傳感器，具有高精度、高敏感度的優(yōu)點。微波微擾測量法基于假設(shè)為在微小擾動前后對于諧振腔的變化可以近似不變，在滿足微擾的前提下，可以將物質(zhì)介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)為傳感器頻率的變化，從而

2、實現(xiàn)內(nèi)部介電常數(shù)與外部電學(xué)參數(shù)測量的一致性。
　　本研究基于微波微擾理論，研究目標(biāo)為實現(xiàn)糖水二元體系的高精度濃度測量，在理論方面本研究詳細(xì)分析了微波微擾法的原理及假設(shè)條件，結(jié)合研究對象糖水二元體系的特點，對于一定溫度下介電常數(shù)和濃度的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，最終得到溶液濃度和傳感器頻率的計算公式。
　　在傳感器設(shè)計方面，本研究設(shè)計了兩種圓柱型單模諧振腔傳感器 TE011和TM010，在電磁仿真平臺進(jìn)行幾何參數(shù)、材料參數(shù)、電學(xué)參數(shù)的設(shè)計

3、，并對于關(guān)鍵參數(shù)耦合系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化仿真，兩種設(shè)計的傳感器的測量精度為10 kHz。在系統(tǒng)設(shè)計方面，本研究設(shè)計了基于FPGA的在線測量系統(tǒng)，F(xiàn)PGA為控制平臺，基于C語言的軟件指令完成整體控制，硬件模塊完成各模塊功能，分為諧振狀態(tài)判斷模塊、諧振頻率搜索模塊和頻率測量模塊。在 FPGA平臺上設(shè)計基于 Verilog語言的IP核測量頻率，采用多周期同步等精度測量，在1 s內(nèi)選擇50 MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號，測出頻率差值，頻率測量誤差為2×10-8。