专利名称：微扰法测量溶液浓度的测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于微扰法用于测量溶液浓度的控制系统，可对溶液浓度进行精确地测量和控制，属测试技术领域。
背景技术：
在现代工农业生产、医药、化工、食品等各领域，对于液体浓度宽范围的检测有着迫切的需要，希望出现一种结构简单，容易控制，测量准确的新型液体浓度检测的系统。溶液浓度是根据溶质在溶液中的含量来计算的，在实际应用中由于溶质量的变化溶液浓度也发生改变。溶液浓度的测量方式分为直接测量和间接测量方式。直接提取溶液测定溶液中溶剂和溶质含量是最基本的方法，但由于提取溶液会影响到溶液的状态，不适宜应用于需要严格控制溶液状态的环境中；另一种是采用比重计测量溶液浓度的方法，主 要依靠人工完成。这两种方法属于溶液浓度的直接测量方式。间接测量方式则是以溶液的特性为依据，如溶液的电导率大小来衡量溶液中溶质量的多少，但该方法只能应用于电解质溶液，限制了其测量范围。申请人:之前的发明专利申请201210009379. 3提供了一种用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器及测量系统，此种传感器及测量系统的测量原理是根据溶液的介电常数与溶质含量的关系而实现的，能够克服上述的不足，具有结构简单，适用范围广，可在线测量的优点，该专利申请主要给出了微波谐振腔传感器，而测量系统，只是给出了一种最基本的测量方式，其测量精度还有待提高。

发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于前述的微波谐振腔传感器溶液浓度测量、能够实现对溶液浓度精确和实时测量的测量系统。本发明的技术方案如下一种用于测量溶液浓度的测量系统，包括微波谐振腔传感器、检波器、压控振荡器、频率跟踪模块和频率测量模块和主控处理模块，所述的微波谐振腔传感器包括内部设置有一个用于容纳待测溶液的检测通道的谐振腔，在谐振腔的侧壁上开设有耦合孔，在耦合孔处设置一用于传输微波信号的波导，所述的压控振荡器在主控处理模块的控制下产生的调频信号分为两路，一路与本振信号混频，产生差频信号；另一路导入波导，经波导传输耦合到谐振腔，谐振腔的反射信号再经环形器进入检波器，由检波器输出的解调信号被送入频率跟踪模块；频率跟踪模块包括幅度鉴别模块和相位鉴别模块，幅度鉴别模块对检波器输出的解调信号的幅度进行鉴别，判断谐振腔是否达到谐振状态，其鉴别结果被送入主控制处理模块；相位鉴别模块用于判别调制信号和解调信号的相位关系，其鉴别结果被送入主控处理模块，由主控处理模块在未达到谐振状态时，根据鉴别结果得到压控振荡器的载波频率与谐振频率的大小关系，并对压控振荡器的载波频率进行调整，使其与谐振腔的谐振频率相等；频率测量模块，用以测量混频器输出差频信号的频率，其输出被送入主控处理模块，由主控处理模块得到频率偏移量与溶液浓度的对应关系。
作为优选实施方式，所述的幅度鉴别模块包括依次相连的整流滤波、放大器和第一比较器，放大器采用低噪声高精度运算放大器0P07，设置放大倍数为10倍，比较器I选用LM339，比较电压为2V ;所述的相位鉴别模块，包括乘法器、低通滤波器和第二比较器，检波器输出的解调信号和调制信号被送入乘法器，乘法器的输出信号经过低通滤波器和第二比较器后输出数字信号。本发明用于测量溶液浓度的测量系统，具有以下的优点和积极效果I、本发明利用谐振腔微扰原理测量，可对较多类别的溶液进行测量，测量可靠性高，具有很好的实时性。2、本发明由于通过对溶液浓度变化前后的谐振腔谐振频率偏移的分析及处理，可以对被测溶液的浓度进行宽范围的检测。3、本发明由于传输的微波信号功率非常小,不超过500 V- W,远低于手机的福射功 率，因此对被测物质及周围环境不会造成任何损害。4、本发明谐振腔模块结构简单，使用方便，对环境的要求低。


下面结合附图对本发明作进一步描述。图I为谐振腔传感器的结构图。图2为本发明采用的系统结构框图。图3为本发明频率跟踪系统结构框图。图4为本发明主程序流程图。
具体实施例方式有关本发明采用的微波谐振腔传感器更详尽的内容，可以参见在先的专利申请201210009379. 3。现结合图I对该传感器进行简单说明，该传感器包括谐振腔3 ;在谐振腔3中部设置一玻璃管5，该玻璃管内部区域6用以放置被测溶液；在谐振腔3侧壁中心位置开有一圆孔1，谐振腔通过该圆孔与矩形波导耦合，进行微波信号的传输；定位螺钉4用于顶盖与腔体3固定。由微波源产生的微波信号经环形器导入波导，经波导传输耦合到谐振腔，谐振腔的反射信号经环形器导入检波器，经过外部的处理电路对谐振频率的跟踪和测量，就可以得到谐振频率和介电常数的关系。谐振腔的激励采用矩形波导TEltl波作为激励源，圆柱形谐振腔和矩形波导在波导终端通过小孔耦合，使矩形波导的宽边与谐振腔的轴线方向相平行，耦合小孔开在谐振腔的侧壁中心位置。在矩形波导的终端只有Hx分量，Hx分量与TEtlll模圆柱形谐振腔的Hz分量一致，所以这种耦合方式可以激励起TEtlll模。TEtlll模式与TM111模式是简并波型，在激励端口 TM111模的Hz分量为零，不能被激励。所以，采用这种激励方式抑制了 TM111模的产生。参见图2，谐振腔为工作在TEtlll模式的封闭反射式谐振腔，当腔内被测量溶液的浓度发生变化时，谐振腔的谐振频率发生偏移，VCO产生的调频信号经过定向耦合器分成两路一路进入混频器，与本振信号(由晶体振荡器产生的固定频率，其值等于微扰前的谐振频率)混频，产生差频信号(即差频信号频率等于调频信号频率与本振信号频率的差，也可称为中频信号)；另一路通过环形器导入波导，经波导传输耦合到谐振腔，谐振腔的反射信号(也可称为调幅信号)再经环形器进入检波器，检波器输出解调信号，频率跟踪模块根据解调信号和调制信号的关系控制VCO输出调频信号的载波频率，使其始终与谐振腔的谐振频率相等。混频器的基准频率为谐振腔的谐振频率9. 6GHz,由混频器产生的差频信号为微扰前后的频率偏移，差频信号经过整形放大后经过频率测量系统测量其频率，最后通过数据处理就可以得到溶液的浓度。由于电磁波在液体中的损耗使谐振腔的品质因数下降，为使品质因数值达到设计要求，必须尽可能的减小电磁波辐射损耗和腔体内表面损耗。一方面以铜作为谐振腔的材料，两端封闭减小电磁波的泄露；另一方面要在谐振腔表面镀银，且使内表面光滑，减小导体的损耗。参见图3，频率跟踪模块包括幅度鉴别模块和相位鉴别模块，幅度的鉴别是通过整流滤波、放大器和比较器I来实现的，相位的检测是通过乘法器、低通滤波和比较器2来实现的。整流滤波部分为精密全波整流，放大器采用低噪声高精度运算放大器0P07，设置 放大倍数为10倍，比较器I选用LM339，比较电压为2V，只要两输入端电压信号差别IOmV输出状态就可以改变，比较器的输出通过与门转换为数字信号。当谐振腔谐振时，与门输出电压约为70mV，读入单片机为0 ;当谐振腔失谐时，与门输出电压为5V，读入单片机为1，单片机根据读入的数字信号判断谐振腔是否处于谐振状态。当谐振腔未谐振时，检波器输出的解调信号和调制信号通过乘法器，乘法器选用模拟乘法器MC1496，乘法器的输出信号经过低通滤波器和比较器2后输出数字信号，主控处理模块(本发明采用AT89S52芯片)根据读入的数字信号判断载波频率与谐振频率的大小关系，进而增加或减小载波频率，使谐振腔达到谐振状态。D/A转换器型号为AD5530，基准电压为10V，其转换精度为10/(212-1)=0. 0024V,换算为VCO的输出频率变化为2. 4KHz, D/A转换器的输入信号由主控处理模块输出。混频器为高电平双平衡混频器，放大整形部分为由555定时器构成的整形电路，频率测量模块采用等精度频率测量法，逻辑处理部分选用FPGA芯片EP2C20和Verilog HDL语言实现。频率测量模块的输出数据由主控处理模块发送控制信号sel [I. . 0]分3次将24位频率值读入单片机，每次由单片机的PO 口读入8位数据。读完后由单片机给出CLR清零信号，使计数器清零，准备下次计数。本发明通过跟踪和测量谐振腔微扰前后的谐振频率偏移量，可以得到腔内介质的介电常数，由于当温度不变时，一定浓度溶液的介电常数是一定的，因此，通过主控处理程序就可得到介电常数对应的溶液浓度。
权利要求
1.一种用于测量溶液浓度的测量系统，包括微波谐振腔传感器、检波器、压控振荡器、频率跟踪模块和频率测量模块和主控处理模块，所述的微波谐振腔传感器包括内部设置有一个用于容纳待测溶液的检测通道的谐振腔，在谐振腔的侧壁上开设有耦合孔，在耦合孔处设置一用于传输微波信号的波导，其特征在于，所述的压控振荡器在主控处理模块的控制下产生的调频信号分为两路，一路与本振信号混频，产生差频信号；另一路导入波导，经波导传输耦合到谐振腔，谐振腔的反射信号再经环形器进入检波器，由检波器输出的解调信号被送入频率跟踪模块；频率跟踪模块包括幅度鉴别模块和相位鉴别模块，幅度鉴别模块对检波器输出的解调信号的幅度进行鉴别，判断谐振腔是否达到谐振状态，其鉴别结果被送入主控制处理模块；相位鉴别模块用于判别调制信号和解调信号的相位关系，其鉴别结果被送入主控处理模块，由主控处理模块在未达到谐振状态时，根据鉴别结果得到压控振荡器的载波频率与谐振频率的大小关系，并对压控振荡器的载波频率进行调整，使其与谐振腔的谐振频率相等；频率测量模块，用以测量混频器输出差频信号的频率，其输出被送入主控处理模块，由主控处理模块得到频率偏移量与溶液浓度的对应关系。
2.根据权利要求I所述的用于测量溶液浓度的测量系统，其特征在于，所述的幅度鉴别模块包括依次相连的整流滤波、放大器和第一比较器，放大器采用低噪声高精度运算放大器0P07，设置放大倍数为10倍，比较器I选用LM339，比较电压为2V。
3.根据权利要求I所述的用于测量溶液浓度的测量系统，其特征在于，所述的相位鉴别模块，包括乘法器、低通滤波器和第二比较器，检波器输出的解调信号和调制信号被送入乘法器，乘法器的输出信号经过低通滤波器和第二比较器后输出数字信号。
全文摘要
本发明属于溶液参数测试技术领域，涉及一种用于测量溶液浓度的测量系统，包括微波谐振腔传感器、检波器、压控振荡器、频率跟踪模块和频率测量模块和主控处理模块。压控振荡器在主控处理模块的控制下产生的调频信号分为两路，一路与本振信号混频，产生差频信号；另一路导入波导，经波导传输耦合到谐振腔，谐振腔的反射信号再经环形器进入检波器，由检波器输出的解调信号被送入频率跟踪模块；频率跟踪模块包括幅度鉴别模块和相位鉴别模块，主控处理模块对压控振荡器的载波频率进行控制；频率测量模块的输出被送入主控处理模块，由主控处理模块得到频率偏移量与溶液浓度的对应关系。本发明能够实现对溶液浓度精确和实时测量。
文档编号G01N22/00GK102809572SQ20121028170
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者肖夏, 王洪军 申请人:天津大学