一种基于单模谐振腔传感器的溶液浓度测量方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明属于微波测量技术领域，涉及一种溶液浓度测量方法。
【背景技术】
[0002]浓度是表征介质特性的重要物理参量，实现液体浓度的在线测量，在化工、食品、医药等各领域扮演重要角色，搭建测量范围广、测量精度高的在线测量系统很大程度上简化了材料、溶液介质特性测试相关实验和操作，比如化学实验中需要传感器精确测量待测溶液的浓度，或者在工业中对于溶液的浓度进行检测等。
[0003]单模谐振腔作为一种基于微波技术的传感器，具有高灵敏度和测量稳定性高的优点，能够实现对于被测物浓度的在线测量，目前科研领域基于单模谐振腔测量浓度的文献(如[1]_[5])研究方法集中在谐振腔S参数的直接测量，即用网络分析仪直接测量谐振腔的S参数，将浓度信息转化为曲线信息，并建立相关数据库。
[0004]但以直接测量参数为核心的方法有两个明显的不足:一是数据反映不直观，曲线信息在小范围内密集且精度不够高，浓度变化微小时不容易在曲线信息得到准确反映；二是每次测量都要采用网络分析仪等高精度设备，成本较高。
[0005]单模谐振腔作为溶液测量的传感器，有较高的测量灵敏度。基于微波微扰理论，加入被测液体后浓度变化产生的介质微扰，使谐振腔内部电磁场发生微扰，从而影响谐振的状态，谐振频率会产生变化。申请人之前递交的发明专利申请201210009379.3给出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。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是在之前研发的传感器和测量系统的基础上，提供一种基于单模谐振腔传感器的溶液浓度测量方法。本发明的测量方法，将浓度信息转化为谐振频率的偏移量，而非直接测量传感器相关参数，利用预先建立的溶液浓度与频率偏移量一一对应的数据库，可以实现在线测量，获得较为精确的测量精度，测量成本也较小。本发明的技术方案如下:
[0007]—种基于单模谐振腔传感器的溶液浓度测量方法，包括:
[0008]谐振腔中加入一定浓度的溶液，将波导信号输入谐振腔，谐振腔反射信号通过环形器进入幅度测量电路和相位测量电路检测谐振腔是否发生谐振。
[0009]在幅度测量电路中，反射信号通过精密整流和滤波得到反射直流电压信号；谐振腔在谐振状态下的反射直流电压信号小于预设阈值，通过与根据阈值确定的幅度测量电路的基准电压比较，如果反射直流电压信号小于基准电压，谐振腔处于谐振状态；反之，谐振腔处于未谐振状态，幅度测量电路检测的谐振腔的谐振状态信号输入到FPGA ;如若没有谐振，FPGA控制谐振腔反射信号传输到相位测量电路，以在未谐振的状态下控制和调整频率;
[0010]在相位测量电路中，将波导信号和从谐振腔输出的谐振腔反射信号并入乘法器，通过低通滤波器后得出直流信号，如果两个信号相位相同，表明载波调制信号频率大于谐振腔谐振频率；相位相反，表明载波调制信号频率小于谐振腔谐振频率，相位测量电路的检测结果输出到FPGA ;
[0011]FPGA输出信号到压控振荡器VC0，压控振荡器输出的信号经过定向耦合器处理，分成两部分:一部分经过环形器，通过环形器选择输入到微波谐振腔中，提供外部能量产生振荡；另一部分则作为原信号输入到混频器，测量频率变化即频率变化；
[0012]FPGA收到的四种信号信息为:1、在收到谐振腔发生谐振的信号时，控制VCO输出谐振频率，并和本地振荡器的频率信息同时读入混频器计算出频率差值，即为频率偏移；2、在接收到谐振腔未发生谐振的信号时，控制谐振腔反射信号进入相位测量电路；3、在收到载波调制信号频率大于谐振腔谐振频率的信号时，控制VCO减小频率信息，并通过环形器输入到谐振腔返回检测；4、在收到载波调制信号频率小于谐振腔谐振频率的信号时，控制VCO增加频率信息，并通过环形器输入到谐振腔返回检测；
[0013]对不同的浓度的溶液得到不同的频率偏移量，据此建立频率偏移和浓度的关系数据库，从而实现浓度测量。
[0014]本发的基于单模谐振腔传感器的溶液浓度测量方法，具有以下的优点和积极效果:
[0015]1、控制和运算系统基于FPGA芯片，计算速度快，测量时间在I到2秒，本研究不用网络分析仪直接测量，因此大大降低成本，信息的储存形式为频率值。
[0016]2、不同频率差值和浓度值存储并生成数据库，频率作为数字信号比曲线信号更加方便查找相关数据。浓度测量系统测量分辨率高，利用本发明提供的方法在温度为298.15K，以浓度为lg/L-20g/L的两种糖水溶液葡萄糖、果糖溶液进行实验，浓度测量的分辨率达到10mg/dL，比化学分析法等测量方法精度高。
【附图说明】
[0017]图1浓度测量系统框图
[0018]图2浓度测量系统软件设计流程图
[0019]图3频率变化和浓度的数据库(溶液浓度为lg/L_20g/L)
[0020]具体实施方法
[0021]本发明提出的方法，是在专利申请201210009379.3给出的用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器及测量系统的基础上进一步的研究成果。
[0022]如图1，FPGA芯片基于软硬件结合的方法，软件语言控制、调用各部分，硬件单元测量频率数值。环形器和检波器处理信号为低频可处理的信号，改变数模电路的电压可以控制压控振荡器的输出频率，混频器的输入一端为加入溶液前的信号，一端为加入溶液后的信号，输出为谐振频率的差值。
[0023]图2中的流程图由C语言控制，运算部分由Verilog语言实现，循环程序来寻找新的谐振频率，如果处于非谐振状态就一直循环，直到新谐振状态达到。谐振腔中加入一定浓度的溶液时，波导信号输入谐振腔，谐振腔反射信号通过环形器进入幅度测量电路和相位测量电路检测谐振腔是否发生谐振。
[0024]幅度测量电路包括低通滤波器、放大器及比较器，设置基准电压判断幅度，输出信号小于基准电压则当前状态为谐振状态，输出信号大于基准电压则当前状态为未谐振状
??τ O
[0025]在幅度测量