专利名称：微波测量方法、测量装置以及振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及对待测量对象进行微波测量的方法，其中，至少所述对象的表面由导电材料制成。本发明还涉及测量装置和振荡器。
背景技术：
在导电性方面，通常利用微波测量来测量平坦片的厚度和/或一些其它具有厚度的平行尺寸的厚度，在其中，测量共振器的共振频率取决于待测量片的厚度尺寸。例如，可以将圆柱形共振器或Fabry-Perot共振器(法布里-珀罗共振器)用于此目的。可以通过在测量波段上扫描生成微波辐射的振荡器的频率来找到所述共振器频率。那么，作为所找到的共振器频率的函数，可以确定待测量片的厚度尺寸。
然而，频率扫描涉及许多问题。由于其需要扫描改变振荡器频率的电子器件，基于频率扫描的测量装置通常复杂且昂贵。另外，由于必须对整个测量频段进行测量，从而在得到测量结果之前需要很多时间，因此，频率扫描很耗费时间。由于不能对板两侧的距离进行快速、同时并且完全同步的测量，通过频率扫描应用来测量运动和摇晃的板的厚度存在问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微波测量的改进的方法、测量装置以及振荡器。这通过利用微波辐射来测量待测量对象的方法来实现，包括利用有源反馈耦合单元(active feedback coupled unit)为振荡器生成振荡能量。所述方法包括通过利用待测量对象作为共振器的功能部件，对至少一个振荡器产生共振，每个振荡器包括至少一个开端式共振器(openresonator)，每个共振器被连接到至少一个有源单元，从而待测量对象使得在每个振荡器中生成取决于待测量对象的表面的位置的共振频率；以及通过利用测量部件基于振荡器共振频率来确定待测量对象的至少一种特征。
本发明还涉及一种在微波频率进行测量的测量装置，所述测量装置包括至少一个工作于微波频率的振荡器，每个振荡器包括用于产生振荡能量的反馈耦合有源单元。所述振荡器包括至少一个开端式共振器，每个共振器被连接到至少一个有源单元；每个有源单元在测量时向各个共振器提供振荡能量，待测量对象作为所述共振器的功能部件，并且待测量对象被配置成导致在振荡器中共振；每个开端式共振器被配置成，基于待测量对象的表面的位置来确定各个振荡器的共振频率；以及，所述测量装置包括测量部件，其被配置成基于各个振荡器的共振频率来确定所述待测量对象的至少一种特征。
本发明进一步涉及一种用于在微波频率的测量的振荡器，所述振荡器包括用于产生振荡能量的反馈耦合有源单元。所述振荡器包括至少一个被连接到所述有源单元的开端式共振器；所述有源单元向共振器提供振荡能量，待测量对象作为所述共振器的功能部件，并且待测量对象被配置成导致在振荡器中共振；以及所述开端式共振器被配置成，基于待测量对象的表面的位置来确定所述振荡器的共振频率。
在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本发明的方法和设计提供了许多优点。无需频率扫描就能够确定共振器频率，这样使得解决方案快速、简单，并且节省成本。另外，所述测量方法能够用于测量摇动板的特征。
参考优选实施例和附图，将对本发明进行更详细的描述。
图1示出了基于反馈耦合放大器的振荡器；图2示出了具有开端式共振器和两端口耦合的振荡器；图3示出了具有开端式共振器和单端口耦合的振荡器；
图4示出了利用共振器对的测量；图5示出了扫描测量架构；图6示出了包括多个共振器对的测量架构；以及图7示出了测量框架的偏差(deflection)；以及图8是所述方法的流程图。
具体实施例方式
所述公开的解决方案可应用于测量具有导电表面的对象。其应用包括但不限于，金属制成的对象，诸如钢板、铜板或铝板，或者涂有导电物质的绝缘板。
参考图1，我们首先察看反馈耦合振荡器。振荡器1000包括有源单元100、反馈耦合元件102和加法器104。有源单元100可以包含一个或多个有源电子元件。有源元件是需要从电源(图1中未示出)向端子106提供工作电压和电流以进行工作的元件。例如，晶体管是有源元件。反馈耦合元件102可以包含一个或多个工作时不需要工作电压或电流的无源元件。因为来自反馈耦合元件102的信号已经足够作为振荡器的输入信号，因此，完全不需要加法器104，或者，可以简单地利用互相连接的导线实现加法器104。
通常利用正反馈耦合来实现振荡器反馈耦合。图1的耦合的传递函数T(ω)采用如下形式T(ω)＝A(ω)/[1-H(ω)A(ω)](1)其中，ω＝2πf，f是频率，π≈3.1415926，A(ω)是有源元件的放大/传递函数，其作为频率的函数，H(ω)是反馈耦合元件的传递函数，其作为频率的函数。倘若满足两个Barkhausen(巴克豪森)条件开环相移必须为2πn，n＝0，1，2，...(正反馈耦合)以及开环放大H(ω)A(ω)在所期望的整个测量频带上必须≥1，则图1的耦合可以产生振荡器。因此，通过反馈耦合，有源单元100变为不稳定状态，并且，通过合适的共振器，可以进行耦合以在共振器频率上共振。
图2示出了适于微波测量的振荡器解决方案。这种两端口解决方案采用两个并行反馈耦合，开端式共振器200被连接在有源单元100的输出202和输入204之间。微波辐射被从有源单元100提供给传输线206上的共振器200，通过共振器的反射镜208，辐射被指向待测量对象210。微波辐射被从待测量对象210反射回来，从而，为共振器200提供有取决于待测量对象210的上表面212和共振器反射镜(resonator mirror)208之间的距离d的共振驻波。驻波的长度是所述半波长的倍数，数学表述为 其中，n是整数1，2，...而λ是波长。所述反射镜的形状可以是弯曲的球面，当然，也可以是将微波辐射指向待测量对象的抛物面或者一些其它的表面形状。
因此，当由于待测量对象210的厚度变化导致共振器反射镜208和待测量对象210的上表面212之间的距离变化时，例如，无需外部测量，所述共振微波辐射的波长入也发生变化。广言之，当待测量对象的特征或者影响该对象的特征改变时，共振微波辐射的波长发生变化。例如，所述待测量对象可能受到将该对象拉离(或拉进)共振器反射镜的力的作用。如果待测量对象和共振器反射镜之间的距离变化，能够确定该对象的物理特征或者影响该对象的特征，例如，力。在此解决方案中，不需要通过扫描或其它方法搜索共振频率，而是由共振器200直接确定所述振荡器的振荡频率。开端式共振器200可以是Fabry-Perot型共振器。例如，在传输线214上接收所述共振微波辐射，并且在移相器216中可能执行的相移之后，将所接收的微波辐射耦合回所述产生振荡能量的有源单元100，从而维持振荡器中的共振。例如，通过定向耦合器218，能够进一步传递来自有源单元100的输出202的共振频率信号的一部分，以进行测量。
图3示出了串行反馈耦合(serial feedback coupling)，其中，开端式共振器200被连接到有源单元100的输入304。反馈耦合可以被集成到有源单元100，在这种情况下，该有源单元作为振荡器。可以将这种解决方案称为单端口连接。经由传输线304，所述微波辐射传递到开端式共振器200，其反射镜208将所述辐射指向待测量对象210。待测量对象210将所述微波辐射反射回来，从而形成共振驻波，其取决于共振器反射镜208和待测量对象210的上表面212之间的距离d。因此，当由于待测量对象210的厚度变化导致共振器反射镜208和待测量对象210的上表面212之间的距离变化时，例如，共振微波辐射的波长λ也发生变化，类似于图1。在用于将所述共振微波辐射提供给共振器200的相同的传输线304上接收所述共振微波辐射。将所接收的微波辐射传递给产生振荡能量的有源单元100，从而维持所形成的在振荡器中的共振。例如，可以进一步从有源单元100的输出202传送共振频率信号，以进行测量。
如图2和3所示，所述振荡器包括被连接到有源单元100的开端式共振器200。开端式共振器200将微波辐射指向某个方向，在此方向上，在测量时，反射微波辐射的待测量对象210作为共振器的功能部件。从而，开端式共振器200根据待测量对象210的表面212的位置，确定振荡器的共振频率。一般而言，振荡器还可以包括不止一个开端式共振器。其还可以具有多个振荡器。
图4是基于微波进行工作的测量装置的框图。其目的在于利用测量装置测量待测量对象的至少一种特征。此方案使用两个朝向互相面对的开端式共振器，并使得待测量对象在测量时处于它们之间。相互面对的两个共振器形成共振器对。当将待测量对象210引入相互面对的共振器反射镜400、430之间时，产生两个共振器402、432。由共振器反射镜400和待测量对象210的上表面212之间的距离确定共振器402的共振频率。相应地，由共振器反射镜430和待测量对象210的下表面213之间的距离确定共振器432的共振频率。被调整到非稳定状态的有源单元100为共振器402产生能量，并产生在共振器402的共振频率上与共振器402共振的振荡器。相应地，被调整到非稳定状态的有源单元101为共振器432产生能量，并产生在共振器432的共振频率上与共振器432共振的振荡器。
例如，通过定向耦合器404，有源单元100的输出信号可以被耦合到包括了数字信号处理单元406的测量部件420。信号处理单元406可以基于共振频率确定距离d1。这可以通过从如下共振频率f的公式计算d1来进行f＝c(q+1+((2p+l+1)/p))arctan((d1/(r0-d1))1/2)(2)其中，f是微波辐射的共振频率，c是微波辐射的速度，r0是反射镜的球面半径，而p、l和q是共振形式的指数，q+1是振荡器中的半波个数。
例如，通过定向耦合器434，有源单元101的输出信号可以被耦合到包括了数字信号处理单元436的测量部件420。信号处理单元436可以基于共振频率确定距离d2。这与对距离d1所执行的类似。可以将信号单元406、436的测量数据输入计算机450，其可以形成待测量对象210的厚度尺寸。
在实际处理中，通常在测量部件420中不需要分离的信号处理单元406、436，而在公共的信号处理单元中进行信号处理。实际上，通常不需要使用分离的信号处理单元406、436以及分离的计算机450，例如，在作为测量部件420并产生所需要的测量结果的数字信号处理装置中处理来自定向耦合器404、434的信号。
假设在测量时知道对外部通常保持不可见的在共振器反射镜400、430之间的距离D，例如，可以通过应用如下方程在计算机450中确定待测量对象的厚度dxdx＝D-(d1+d2)(3)其中，d1是从待测量对象210的上表面212到反射镜400的距离，而d2是从待测量对象210的下表面213到反射镜430的距离。如果由于热膨胀导致共振器反射镜之间的距离D变化，例如，通过如下公式，从由两个相互面对的反射镜所形成的共振器计算共振频率ff＝c(q+1+((2p+l+1)/p)arccos(1-D/Ro))/2D(4)以下将进一步描述基于上述的测量装置的自动校准。
图5示出了这样的方案，其中，可以在待测量对象210的两侧机械地移动共振器对。测量框架500可包括轮子504、506，在其上，靠着地面停放着测量框架，例如，其使得测量框架500可以移动。在受控转移中，可以由电机502将运载共振器402、432的轮子504转向到测量所期望的起始点。然后，计算机450控制电机502使共振器402、432通过待测量对象的表面，即，扫描待测量对象210，数字信号处理装置508在多个测量点测量距离d1和d2。由所述测量数据，数字信号处理装置406可以建立例如待测量对象的厚度dx，作为宽度l的函数dx(i)＝D-[d1(i)+d2(i)]，其中，i是宽度方向的测量点指标。
图6示出了这样的解决方案，其中，测量框架包括在待测量对象210两侧的多个并行的共振器。放置在待测量对象不同侧的共振器可以如图6所示互相面对成对排列。根据共振器600-610的位置来对待测量对象210进行测量。因此，例如，可以如下确定厚度值dx(i)＝D-[d1(i)+d2(i)]，即，dx(1)＝D-[d1(1)+d2(1)]，dx(2)＝D-[d1(2)+d2(2)]以及dx(3)＝D-[d1(3)+d2(3)]。尽管使用此方案可以取代利用共振器扫描所述待测量对象的表面，但是，也可以利用扫描来使用此方案。
除了厚度或者取代厚度，还可以测量对象的外形(profile)。在这种情况下，根据预定直线在几个点处测量所述待测量对象，这与厚度测量时类似。考虑尺寸d1和d2测量各个外形，从而获得测量线上的表面的厚度和形状的变化。
还可以测量对象的平坦度(flatness)，这可以作为待测量对象的背线的纵向变化进行确定。
诸如图6所示的测量装置包括并行共振器，其可以用于测量测量框架的偏差，并且，可以通过来自待测量对象的测量的补偿将其消除。例如，当在将所述测量装置制造出来以测量均匀厚度的直参考平板之后立即使用该测量装置时，通过图6的测量装置对于对象进行测量可以产生如图7所示的厚度曲线，从而，在长期使用(例如，一年)后，由测量装置所得到的结果可如曲线702所示。直线的角系数的变化是由于曲线700和702所示的测量框架的偏差而导致，以形成了小角度，即，缩短主要影响了共振器604和610之间的距离。由于待测量对象没有改变，可以在计算机或信号处理装置中修改有关测量对象的测量结果。
当使用互相面对的两个共振器时，如图4到6中所示，测量装置以如下方式自动校准自身。当共振器之间没有实际测量对象时，测量装置可以使用共振器反射镜作为待测量对象。在这种情况下，测量装置测量共振器反射镜之间的距离D，此距离不会改变，即，其被预先确定。如果反射镜上有灰尘、反射镜的形状发生变化、或者共振器内部的空气湿度或密度发生变化，此测量结果将会变化。在对测量对象进行实际测量时，所有这些影响都可以得到补偿，从而改进测量的准确度。例如，如果生产被打断或被中断、测量框架已被从测量轨道中拉离出来，或者当制造金属板时正在为滚筒配备新的带子，在共振器之间没有待测量对象。在这种校准测量中，为了防止混淆，基于交叉极化(crosswise polarisation)在相反方向进行测量。
接下来，参考图8的流程图进一步考察所公开的解决方案。在步骤800中，为振荡器提供通过反馈耦合有源单元产生的振荡能量。在步骤802中，通过利用待测量对象210作为共振器的功能部件，在至少一个振荡器中产生共振，其中各振荡器包括至少一个开端式共振器200，各共振器被连接到至少一个有源单元100，从而待测量对象210导致各个振荡器中的取决于待测量对象210的表面212的位置的共振频率。在步骤804中，基于各个振荡器的共振频率，使用测量部件420确定待测量对象210的至少一种特征。例如，可以通过包含了执行所述方法步骤的流程的计算机程序来执行步骤804。为销售目的，例如，可以将所述计算机程序存储在诸如CD-ROM(只读光盘存储器)的计算机可读存储器中。还可以将所述计算机程序包括在可从服务器(例如，通过因特网)下载到测量装置的通信信号中。
代替计算机程序，也可以利用一个或多个ASIC电路(专用集成电路)或者由专用组件构成的操作逻辑形式的硬件解决方案来实现所述测量部件420。
尽管以上参考附图例子公开了本发明，然而，很明显，本发明不限于此，在所附的权利要求范围之内，其可以以很多方式进行改变。
权利要求
1.一种利用微波辐射来测量待测量对象的方法，包括利用有源反馈耦合单元(100)为振荡器生成振荡能量，其特征在于，进一步包括通过利用所述待测量对象(210)作为共振器的功能部件，对至少一个振荡器产生共振，其中每个所述振荡器包括至少一个开端式共振器(200)，每个所述共振器被连接到至少一个有源单元(100)，从而所述待测量对象(210)使得将在每个所述振荡器中生成取决于所述待测量对象(210)的表面(212)的位置的共振频率；以及通过利用测量部件(420)基于所述振荡器共振频率来确定所述待测量对象(210)的至少一种特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量装置包括至少一个朝向互相面对的共振器对(402，432，600-610)，并且使所述待测量对象(210)在测量时处于它们之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述待测量对象(210)和所述共振器(402，432，600-610)之间的距离生成所述振荡器的共振频率，并基于所述测量部件(420)中的共振频率来确定所述待测量对象(210)的厚度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述测量装置包括在多个点测量所述待测量对象(210)的多个共振器对时，基于所述待测量对象(210)和所述共振器(402，432，600-610)之间的距离生成振荡器共振频率，并且，基于所述测量部件(420)中的共振频率来确定所述待测量对象(210)的外形。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测量装置包括在多个点测量所述待测量对象(210)的多个共振器对时，基于所述待测量对象(210)和所述共振器(402，432，600-610)之间的距离生成振荡器共振频率，并且，基于所述测量部件(420)中的共振频率来确定所述待测量对象(210)的平坦度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测量装置包括多个共振器对时，测量预定参考点，并且，在所述测量部件(420)中确定测量框架(500)的偏差，作为测量的特征和预定特征之间的差别。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述测量部件(420)中补偿在测量所述待测量对象中的所述测量框架(500)的偏差。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测量装置包括多个共振器对时，其反射镜(400，430)相互隔开预定距离，为各个所述共振器应用所述相对的共振器反射镜(400，430)作为所述待测量对象，在所述测量部件(420)中确定所述共振器对的所述反射镜(400，430)之间的距离，并且根据所述测量的距离和所述预定距离之间的差来修改测量结果。
9.一种在微波频率进行测量的测量装置，所述测量装置包括至少一个工作于微波频率的振荡器，每个所述振荡器包括用于产生振荡能量的反馈耦合有源单元(100)，其特征在于，所述振荡器包括至少一个开端式共振器(200，232，402，432，600-610)，每个所述共振器被连接到至少一个有源单元(100)；每个所述有源单元(100)在测量时向各个所述共振器(200)提供振荡能量，所述待测量对象(210)作为所述共振器的功能部件，并且该待测量对象被配置成导致在所述振荡器中的共振；每个所述开端式共振器(200，232，402，432，600-610)被配置成，基于所述待测量对象(210)的表面(212，213)的位置来确定各个所述振荡器的共振频率；以及，所述测量装置包括测量部件(420)，其被配置成基于各个所述振荡器的共振频率来确定所述待测量对象(210)的至少一种特征。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括至少一个朝向互相面对的共振器对(402，432，600-610)，并且使所述待测量对象(210)在测量时处于它们之间。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，各个所述开端式共振器(402，432，600-610)被配置成，根据所述待测量对象(210)和各个所述共振器(402，432，600-610)之间的距离同时确定共振频率，并且所述测量部件(420)被配置成，基于所述共振频率确定所述待测量对象(210)的厚度。
12.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，当所述测量装置包括在多个点测量所述待测量对象(210)的多个共振器对时，各个所述开端式共振器(402，432，600-610)被配置成，根据所述待测量对象(210)和各个所述共振器(402，432，600-610)之间的距离来确定共振频率，并且所述测量部件(420)被配置成，基于所述共振频率确定所述待测量对象(210)的外形。
13.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，当所述测量装置包括在多个点测量所述待测量对象(210)的多个共振器对时，各个所述开端式共振器(402，432，600-610)被配置成，根据所述待测量对象(210)和各个所述共振器(402，432，600-610)之间的距离来确定共振频率，并且所述测量部件(420)被配置成，基于所述共振频率确定所述待测量对象(210)的平坦度。
14.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，当所述测量装置包括多个共振器对时，所述测量装置被配置成测量预定参考点，并且所述测量部件(420)被配置成，确定测量框架(500)的偏差，作为测量的特征和预定特征之间的差别。
15.根据权利要求14所述的测量装置，其特征在于，所述测量部件(420)被配置成，补偿在测量所述待测量对象中的所述测量框架(500)的偏差。
16.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，当所述测量装置包括其反射镜(400，430)相互隔开预定距离的多个共振器对，所述测量装置被配置成，使用所述相对的共振器反射镜(400，430)作为所述待测量对象，用于对各个所述共振器进行校准，并且所述测量部件(420)被配置成，确定所述共振器对的反射镜(400，430)之间的预定距离。
17.一种用于在微波频率进行的测量的振荡器，所述振荡器包括用于产生振荡能量的反馈耦合有源单元(100)，其特征在于，所述振荡器包括至少一个被连接到所述有源单元(100)的开端式共振器(200)；所述有源单元(100)向所述共振器(200)提供振荡能量，待测量对象(210)作为所述共振器(200)的功能部件，并且所述待测量对象(210)被配置成导致在所述振荡器中的共振；以及所述开端式共振器(200)被配置成，基于所述待测量对象(210)的表面(212)的位置来确定所述振荡器的共振频率。
全文摘要
在所述解决方案中，利用微波辐射测量待测量对象(210)。利用反馈耦合有源单元(100)产生振荡能量。所述解决方案涉及通过利用待测量对象(210)作为共振器的功能部件，在至少一个振荡器中产生共振，其中每个振荡器包括至少一个开端式共振器(200)，每个共振器被连接到至少一个有源单元(100)，从而待测量对象(210)使得将在每个振荡器中生成取决于待测量对象(210)的表面(212)的位置的共振频率。测量部件(420)基于各个振荡器的共振频率确定待测量对象(210)的至少一种特征。
文档编号G01N22/00GK101023321SQ200580031617
公开日2007年8月22日 申请日期2005年9月19日 优先权日2004年9月20日
发明者P·亚库拉, T·希尔沃宁, J·海基宁, T·索伊凯利, O·许吕, J·卡鲁 申请人:伊莱克特罗比特微波有限公司