专利名称：数字式微波微位移测量器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于位移测量领域，具体地说，涉及一种对大型建筑、山体、 河道、大坝微量位移进行监测的数字式微波微位移测量器。
技术背景大型水库的库岸边坡，山区公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂 等地质灾害。桥梁、大坝、高楼等大型建筑会发生微位移、微变形，微量位移 是危险报警的主要检测参数。在目前微位移的监测技术中，如图1所示有一 种专利号为200310113925的微位移测量技术，并用该技术设计有TWY-100型高 精度微位移测量仪，该测量仪采用差分双频载波比相测量技术，是一套模拟测 量系统，该系统包括振荡器、第一、第二混频器、振荡源、第一、第二高频滤 波器、放大器、发射天线、反射器、接收天线、低噪声放大器、中频放大器、 鉴相器、计数器和电平指针，其中所述振荡源发出高频振荡信号给第一、第二 混频器，所述第一混频器还接收振荡器发出的中频振荡信号，第一混频器对高 频和中频振荡信号混频后，经所述第一高频滤波器发送给放大器，由放大器放 大后，再发送信号给所述发射天线辐射到所述反射器上，反射器将信号反射到 所述接收天线后，再传送给所述低噪声放大器，低噪声放大器再发送信号给所 述第二混频器，由第二高频滤波器滤波后，发送给所述第二混频器，第二混频 器再发送给所述中频放大器，所述中频放大器和振荡器输出信号给鉴相器，鉴 相器再进行线性鉴相，并分别发送给计数器计数，发送给电平指针显示。 其缺点是鉴相器采样模拟乘法器，由此得到的鉴相曲线是正弦鉴相器， 而不是完全的线性鉴相器，从而降低了测量精度；系统需要存储开机和测量两 个不同时刻的收发信号相位差值，这用模拟电路实现电路非常复杂；仪器虽然 记录了各个时刻相位差，但需要操作人员介入才能得到位移值。 实用新型内容本实用新型的目的是提供一种数字式微波微位移测量器，能进行完全的线 性鉴相，不需要操作人员介入就能得到位移值。为达到上述目的，本实用新型是一种数字式微波微位移测量器，包括振荡 器、第一、第二混频器、振荡源、第一、第二高频滤波器、放大器、发射天线、 反射器、接收天线、低噪声放大器和中频放大器，其中所述振荡源发出高频振 荡信号给第一、第二混频器，所述第一混频器还接收振荡器发出的中频振荡信号，第一混频器对高频和中频振荡信号混频后，经所述第一高频滤波器发送给 放大器，由放大器放大后，再发送信号给所述发射天线辐射到所述反射器上， 反射器将信号反射到所述接收天线后，再传送给所述低噪声放大器，低噪声放 大器再发送信号给所述第二混频器，由第二高频滤波器滤波后，发送给所述第 二混频器，第二混频器再发送给所述中频放大器，其关键在于所述中频放大 器输出信号给过零比较电路，该过零比较电路输出时钟信号给模数转换电路， 该模数转换电路还接收所述振荡器的中频振荡信号，并发出数字信号给数字信 号处理电路，该数字信号处理电路输出数据交显示器显示。所述振荡器与模数转换电路之间连接有耦合电路，该耦合电路由运算放大 器U1、放大电阻R1、 R3、滤波电阻R2和滤波电容C1组成，其中运算放大器U1 设置有输入端IN接收所述振荡器的振荡信号，该运算放大器Ul的反相输入端 串接放大电阻R3后接地，该运算放大器Ul的反相输入端与输出端OUT之间串 接所述放大电阻Rl,所述输出端OUT串接所述滤波电阻R2后，再与滤波电容 Cl的一端连接，滤波电容C1的另一端与所述模数转换电路连接。 所述模数转换电路为A/D模块U2，所述过零比较电路为过零比较器U2，其 中过零比较器U2的输入端IN+接收所述中频放大器的输出信号，过零比较器U2 的信号端Q输出信号给所述A/D模块U2的时钟输入端CLK，该A/D模块U2的输 出端输出数字信号给所述数字信号处理器U4的信号接收端。所述数字信号处理电路为数字信号处理器U4，其数字输出端D0 D7控制所 述显示器的显示，该显示器为LED显示器。根据单频微波反射测量原理，振荡器发出发射信号^)给过耦合电路，而中 频放大器发出接收信号々)给过零比较电路，二者在开机时刻相位差为P ，测量 时刻相位差为-，则位移值可以表示为从表达式看出，系统必须得到信号s(/)和々)在开机时刻的相位差p和测量 时刻相位差-，才可以得到位移值。这一方面需要一个线性鉴相器，同时也需要 对两个时刻相位差进行存储，才能计算位移量。接收信号々)首先通过过零比较器U2，从而为产生一个与发射信号<0相同 频率的方波信号作为A/D模块U2的采样时钟信号。耦合电路设置在振荡器与模 数转换电路之间， 一方面调整振荡器的输出信号^)电压值，保证模数转换电路 的正常工作，另一方面，也去除直流干扰。A/D模块U2的功能则是对发射信号s(O 进行采样，得到8比特的数字信号，这个数字信号就是发射信号和接收信号的 相位差正弦值。再由数字信号处理器U4查对三角函数表，可以得到发射信号和 接收信号相位差的准确值，从而完成鉴相功能。根据上述鉴相方法，在开机时 刻，得到相位差为P，利用数字信号处理器U4存储功能，很容易记录下该值； 同样在测量时刻，可以得到相位差-。系统在存储下两个时刻相位差^和0后， 代入位移表达式，就可以计算出位移值，从而通过显示系统显示出来。
本实用新型的显著效果是采用A/D模块U2和数字信号处理器U4完成鉴 相，由此得到的鉴相曲线是完全线性的，从而提高了测量精度；数字信号处理 器U4完成存储开机和测量两个不同时刻的相位差值，查表鉴相，计算位移值的功能，整个过程通过数字方式实现，这些功能实现都较为简单。
图1是现有的微位移测量器结构示意图； 图2是本发明的结构示意图；图3是模数转换电路、过零比较电路、数字信号处理电路和耦合电路的电 路原理图；图4是数字信号处理器U4的工作原理流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。 实施例l:如图2所示 一种数字式微波微位移测量器，由振荡器l、第一、第二混频 器2、 3、振荡源4、第一、第二高频滤波器5、 6、放大器7、发射天线8、反射 器9、接收天线IO、低噪声放大器ll、中频放大器12、过零比较电路13、模数 转换电路14、显示器16和数字信号处理电路17组成，其中所述振荡源4发出 高频振荡信号给第一、第二混频器2、 3，所述第一混频器2还接收振荡器1发 出的中频振荡信号，第一混频器2对高频和中频振荡信号混频后，经所述第一 高频滤波器5发送给放大器7，由放大器7放大后，再发送信号给所述发射天线 8辐射到所述反射器9上，反射器9将信号反射到所述接收天线10后，再传送 给所述低噪声放大器ll，低噪声放大器11再发送信号给所述第二混频器3，由 第二高频滤波器5、 6滤波后，发送给所述第二混频器3，第二混频器3再发送 给所述中频放大器12，所述中频放大器12输出信号给过零比较电路13,该过 零比较电路13输出时钟信号给模数转换电路14，该模数转换电路14还接收所 述振荡器1的中频振荡信号，并发出数字信号给数字信号处理电路17，该数字 信号处理电路17输出数据交显示器16显示。
如图3所示所述振荡器1与模数转换电路14之间连接有耦合电路15，该 耦合电路15由运算放大器Ul、放大电阻Rl、 R3、滤波电阻R2和滤波电容Cl 组成，其中运算放大器Ul设置有输入端IN接收所述振荡器1的振荡信号，该 运算放大器U1的反相输入端串接放大电阻R3后接地，该运算放大器U1的反相 输入端与输出端OUT之间串接所述放大电阻Rl，所述输出端OUT串接所述滤波 电阻R2后，再与滤波电容C1的一端连接，滤波电容C1的另一端与所述模数转 换电路14连接。其中运算放大器U1的型号为0P842。如图3所示所述模数转换电路14为A/D模块U2，所述过零比较电路13 为过零比较器U3，其中过零比较器U3的输入端IN+接收所述中频放大器12的 输出信号，过零比较器U3的信号端Q输出信号给所述A/D模块U2的时钟输入 端CLK，该A/D模块U2的输出端输出数字信号给所述数字信号处理器U4的信号 接收端。其中过零比较器U3的型号为TL3116， A/D模块U2的型号为ADS831。 所述数字信号处理电路17为数字信号处理器U4，其数字输出端D0 D7控 制所述显示器16的显示，该显示器16为LED显示器。 数字信号处理器U4的型号为TMS320V54X。 如图4所示数字信号处理器U4内设置有 用于检测开机的装置；用于多次读取开机数据，求得平均值，得到开机时刻收发信号相位差正弦 值sin伊的装置；用于通过査找正弦表，得到开机时刻收发信号相位差^的装置； 用于读取A/D模块U2的输出数据，得到当前时刻的收发信号相位差正弦值 sin-的装置；
用于通过査找正弦表，得到当前时刻的收发信号相位差^的装置； 用于根据测量系统原理，由^和-计算位移，并显示的装置；并返回所述 用于读取A/D模块U2的输出数据，得到当前时刻的收发信号相位差正弦值sin-的装置。其工作原理是-根据单频微波反射测量原理，振荡器1发出发射信号碏)给耦合电路15，而 中频放大器12发出接收信号々)给过零比较电路13， 二者在开机时刻相位差为 P，而测量时刻两信号相位差为-，则位移值可以表示为从表达式看出，系统必须得到信号々)和々)在开机时刻的相位差伊和测量 时刻相位差-，才可以得到位移值。这一方面需要一个线性鉴相器，同时也需要 对不同时刻相位差进行存储，才能计算位移量。接收信号^)首先通过过零比较器Ul，从而为产生一个与发射信号碲)相同 频率的方波信号作为A/D模块U2的采样时钟信号。耦合电路设置在振荡器1与 模数转换电路14之间， 一方面调整振荡器1的输出信号^)电压值，保证模数 转换电路14的正常工作，另一方面，也去除直流干扰。A/D模块U2的功能则是 对发射信号40进行采样，得到8比特的数字信号，这个数字信号就是发射信号 和接收信号的相位差正弦值。再由数字信号处理器U4査对三角函数表，可以得 到发射信号和接收信号相位差的准确值，从而完成鉴相功能。根据上述鉴相方 法，在开机时刻，得到相位差为P,利用数字信号处理器U4存储功能，很容易 记录下该值；同样在测量时刻，可以得到相位差-。系统在存储下两个时刻相位 差P和^后，代入位移表达式，就可以计算出位移值，从而通过显示系统显示出 来。
权利要求1、一种数字式微波微位移测量器，包括振荡器(1)、第一、第二混频器(2、3)、振荡源(4)、第一、第二高频滤波器(5、6)、放大器(7)、发射天线(8)、反射器(9)、接收天线(10)、低噪声放大器(11)和中频放大器(12)，其中所述振荡源(4)发出高频振荡信号给第一、第二混频器(2、3)，所述第一混频器(2)还接收振荡器(1)发出的中频振荡信号，第一混频器(2)对高频和中频振荡信号混频后，经所述第一高频滤波器(5)发送给放大器(7)，由放大器(7)放大后，再发送信号给所述发射天线(8)辐射到所述反射器(9)上，反射器(9)将信号反射到所述接收天线(10)后，再传送给所述低噪声放大器(11)，低噪声放大器(11)再发送信号给所述第二混频器(3)，由第二高频滤波器(6)滤波后，发送给所述第二混频器(3)，第二混频器(3)再发送给所述中频放大器(12)，其特征在于所述中频放大器(12)输出信号给过零比较电路(13)，该过零比较电路(13)输出时钟信号给模数转换电路(14)，该模数转换电路(14)还接收所述振荡器(1)的中频振荡信号，并发出数字信号给数字信号处理电路(17)，该数字信号处理电路(17)输出数据交显示器(16)显示。
2、 根据权利要求1所述的数字式微波微位移测量器，其特征在于所述振荡器(1)与模数转换电路(14)之间连接有耦合电路(15),该耦合电路(15)由 运算放大器(Ul)、放大电阻(Rl)、 (R3)、滤波电阻(R2)和滤波电容(Cl) 组成，其中运算放大器(Ul)设置有输入端IN接收所述振荡器(1)的振荡信 号，该运算放大器(Ul)的反相输入端串接放大电阻(R3)后接地，该运算放 大器(Ul)的反相输入端与输出端OUT之间串接所述放大电阻(Rl)，所述输出 端OUT串接所述滤波电阻(R2)后，再与滤波电容(Cl)的一端连接，滤波电 容(Cl)的另一端与所述模数转换电路(14)连接。
3、 根据权利要求1所述的数字式微波微位移测量器，其特征在于所述模 数转换电路(14)为A/D模块(U2)，所述过零比较电路(13)为过零比较器(U3)， 其中过零比较器(U3)的输入端IN+接收所述中频放大器(12)的输出信号，过 零比较器(U3)的信号端Q输出信号给所述A/D模块(U2)的时钟输入端CLK， 该A/D模块(U2)的输出端输出数字信号给所述数字信号处理器(U4)的信号 接收端。
4、 根据权利要求3所述的数字式微波微位移测量器，其特征在于所述数 字信号处理电路(17)为数字信号处理器(U4)，其数字输出端(D0 D7)控制 所述显示器(16)的显示，该显示器(16)为LED显示器。
专利摘要本实用新型公开了一种数字式微波微位移测量器，包括振荡器、第一、第二混频器、振荡源、第一、第二高频滤波器、放大器、发射天线、反射器、接收天线、低噪声放大器和中频放大器，其特征在于所述中频放大器输出信号给过零比较电路，该过零比较电路输出时钟信号给模数转换电路，该模数转换电路还接收所述振荡器的中频振荡信号，并发出数字信号给数字信号处理电路。本实用新型的显著效果是采用A/D模块和数字信号处理器完成鉴相，由此得到的鉴相曲线是完全线性的，从而提高了测量精度；数字信号处理电路完成存储开机和测量两个不同时刻的相位差值，查表鉴相，计算位移值的功能，整个过程通过数字方式实现，这些功能实现都较为简单。
文档编号G01S13/00GK201035143SQ20072012428
公开日2008年3月12日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者玲 刘, 曹海林, 浩 曾, 李勇明, 杨力生, 谭晓衡 申请人:重庆大学