基于單模諧振腔微擾理論的溶液濃度測量系統(tǒng)研究與設計.pdf

1、微波技術是一種基于麥克斯韋電磁理論的測量技術，經(jīng)過一百多年的發(fā)展成為一門成熟的學科，在通信系統(tǒng)、雷達測量、疾病檢測、食品加熱、全球定位系統(tǒng)等方面有廣泛的應用?；谖⒉夹g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，可以將物質介電常數(shù)的變化轉為傳感器頻率的變化，從而

2、實現(xiàn)內部介電常數(shù)與外部電學參數(shù)測量的一致性。
　　本研究基于微波微擾理論，研究目標為實現(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分析了微波微擾法的原理及假設條件，結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)和濃度的關系進行推導，最終得到溶液濃度和傳感器頻率的計算公式。
　　在傳感器設計方面，本研究設計了兩種圓柱型單模諧振腔傳感器 TE011和TM010，在電磁仿真平臺進行幾何參數(shù)、材料參數(shù)、電學參數(shù)的設計

3、，并對于關鍵參數(shù)耦合系數(shù)進行了優(yōu)化仿真，兩種設計的傳感器的測量精度為10 kHz。在系統(tǒng)設計方面，本研究設計了基于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內選擇50 MHz的標準信號，測出頻率差值，頻率測量誤差為2×10-8。