专利名称：利用谐振腔微扰法快速检测非金属物质密度的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种非金属物质密度检测技术，具体的说是一种利用谐振腔微扰
法在线检测被测物质密度的装置。
背景技术：
在生产过程中，非金属物质例如药品、烟草及茶叶等，往往需要在线检测和控制产 品的密度。传统的秤量法只适用于被测物在静态或低速运动的状态下测量，不能够在线快 速检测。 目前常用的物质密度在线检测方法主要有放射物质检测法和红外检测法等。放射
物质检测法测量精度高，稳定性好，但随着人们环保意识的增强以及放射物质对人体带来
的伤害，现在渐渐被其他方式所取代；红外检测法虽然对人体没有伤害，但是检测过程受被
测物质本身和外界影响大，使其测量精度不高，不适用于高精度检测场合。 微波是指频率在300MHz到300GHz之间的电磁波，由于它具有波长短、频带宽、方
向性好和贯穿能力强的优点，已在许多方面均有应用，如微波加热、微波探伤等。根据非金
属材料能够在穿过谐振腔时产生微扰的特性，可以用来在线准确测量非金属物质的密度。
目前利用微波检测物质密度的装置已有应用，但是理论基础不足，测量精度不高，有待进一
步改进。
实用新型内容针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种 速度快，精度高、稳定性好，与被测物不接触，无污染的利用谐振腔微扰法在线检测被测物 质密度的装置。 为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是 本实用新型一种利用谐振腔微扰法在线检测被测物质密度的装置包括谐振腔、 微波发生器、微波检波器、信号控制处理模块以及温度控制模块，其中，谐振腔的输入端与 微波发生器相连，输出端接有微波检波器，温度控制端通过温度控制模块与信号控制处理 模块相连；信号控制处理模块的调制信号与微波发生器相连，微波检波器输出的电压信号 接至信号控制处理模块。 所述谐振腔为圆柱形腔体，其轴中心位置两端开口，在圆柱形腔体侧壁安装接收 探针和发射探针；所述信号控制处理模块包括锯齿波发生单元、D/A转换单元、第一 A/D转 换单元、信号前级处理单元以及信号处理分析单元，其中锯齿波发生单元的输出端经D/A 转换单元与微波发生器相连；A/D转换单元的输入端接有微波检波器的幅度_频率信号，输 出端经信号前级处理单元接至信号处理分析单元；所述温度控制模块包括第二 A/D转换单 元、PID温度控制单元及继电器，其中PID温度控制单元通过A/D转换单元接有温度传感器， 输出的控制信号经执行装置接至设于谐振腔外表面的加热装置。 本实用新型采用以下方法实现其检测过程[0010]
线；
通过微波发生器产生微波信号，向谐振腔发送；
谐振腔由接收探针接收微波信号，在谐振腔内产生电磁场；
将运行中的被测物经谐振腔的中心通孔通过；
通过谐振腔的发射探针检测其通过被测物后的微波信号，得到幅度-频率特性曲
在幅度_频率特性曲线上提取参数进行处理和计算，得到当前被测物的密度。 所述微波信号通过以下方法产生
信号处理模块产生频率为10KHz以上、峰峰值为2±0. 5V的锯齿波信号作为微波 发生器的调制信号，使微波发生器产生幅度恒定、频率随控制电压线性变化的微波信号。 所述被测物密度计算公式如下
p(A/", Aw) = " x + <32) x △/ + "3 x + "4 ( 1 ) 式中，p为被测物密度；A f为谐振腔引入被测物后的频率偏移量，即f。-fA、f。_fB ;
Am为谐振腔引入被测物后的半功率带宽变化量，即mA-m。、mB-m。 ；ai，a2，a3，a4为计算密度的 所述半功率带宽通过以下方法得到 在频率-幅度特性曲线上找到谐振频率点，以该点对应的功率-3DB的功率值为标
准，得到对应的两个频率之差值作为半功率带宽。 本实用新型具有以下有益效果及优点 1.本实用新型采用模块化设计方法，通过微波信号发生装置向谐振腔发送一定频 率范围的微波信号，当被测物穿过带中心通孔的谐振腔时，谐振腔内的微波电磁场受被测 物质干扰，其谐振特性随物质密度的变化发生改变，信号处理模块对谐振腔内变化的电磁 信号进行分析处理，从而得到被测物质的密度特性。 2.本实用新型的信号控制和前级预处理单元采用FPGA为核心，利用高速数字信 号处理器进行信号的分析处理，同时采用高速的VC0(压控振荡器)和检波二级管作为微波 发生和接收装置，信号产生、采样和处理同步进行，总的时间控制在us级，相对于食品、药 品行业目前的生产速度，能够实现被测物质的在线高速检测。 3.本实用新型的被测物质为非金属物质，如药品、烟草及茶叶等，这些产品均为食 品类，采用本实用新型在生产过程中检测物质重量，避免了放射性物质在测量过程中的放 射性污染以及人工称重测量带来的接触性污染。 4.本实用新型采用低功耗VCO(压控振荡器)来实现，其功率仅为10mW左右，辐射 很小，不会对人体产生伤害。 5.本实用新型采用高精度A/D和D/A芯片对信号进行模数、数模转换，使用高速 数字信号处理装置对信号进行分析处理，利用PID温度控制算法使谐振腔始终处于恒温状 态，保证了密度检测结果的精度和稳定性。
图1为本实用新型整体结构示意图；[0029] 图2为本实用新型中谐振腔的结构图； 图3为本实用新型密度检测原理图； 图4为本实用新型中信号控制及处理单元内部结构示意图； 图5为本实用新型中温度控制单元内部结构示意图； 图6为本实用新型中锯齿波发生单元内部结构示意图； 图7为本实用新型中信号前级处理单元内部结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。 如图1所示，为本实用新型整体结构示意图。本实用新型包括谐振腔l，微波发生 器2 (本实施例采用压控振荡器VC0)，微波检波器3，信号控制处理模块4及温度控制模块 5，其中谐振腔1的输入端与微波发生器2相连，输出端接有微波检波器3，温度控制端通过 温度控制模块5与信号控制处理模块4相连；信号控制处理模块4的调制信号与微波发生 器2相连，微波检波器3输出的电压信号接至信号控制处理模块4。 如图2所示，所述谐振腔1为具有储能和选频特性的微波元器件，为圆柱形腔体， 其轴中心位置两端开口形成中心通孔C，在圆柱形腔体侧壁安装接收探针Sl和发射探针 S2，其侧壁设有温度传感器14，在圆柱形外表面包覆有加热装置15，该加热装置15采用云 母片通入220V交流电得到。 如图4所示，信号控制处理模块4包括锯齿波发生单元6、D/A转换单元7、第一 A/ D转换单元8、信号前级处理单元9以及信号处理分析单元10，其中锯齿波发生单元6的输 出端经D/A转换单元7与微波发生器2相连；第一 A/D转换单元8的输入端接有微波检波 器3的幅度-频率信号，输出端经信号前级处理单元9接至信号处理分析单元10 ; 如图5所示，温度控制模块5包括第A/D转换单元12、 PID温度控制单元11及继 电器13，其中PID温度控制单元11通过第二A/D转换单元12接有温度传感器14，输出的 控制信号经执行装置接至设于谐振腔1侧壁上的加热装置15。 如图6所示，为信号控制处理模块4中的锯齿波发生单元6内部结构示意图。包 括分频器17、地址发生器18以及波形存储器19，其中分频器17将时钟源16的时钟进行分 频得到地址时钟信号，输出给地址发生器18，产生地址信号，地址发生器18再将地址信号 输出至波形存储器19，波形存储器19的输出的波形数据信号经D/A转换单元7进行数/模 转换后输出锯齿波电压调制信号。 如图7所示，为信号前级处理单元9内部结构示意图。包括谐振点频率计算模块 20及半功率带宽计算模块21，其中谐振点频率计算模块20及半功率带宽计算模块21分别 经信号控制处理模块4中的第一 A/D转换单元8转换的谐振腔的响应曲线进行频率计算及 半功率带宽计算。 本实用新型通过以下方法得到非金属物质密度 通过微波发生器2产生微波信号，向谐振腔1发送； 谐振腔1由接收探针Sl接收微波信号，在谐振腔1内产生电磁场； 将运行中的被测物经谐振腔1的中心通孔C通过； 通过谐振腔1的发射探针S2检测其通过被测物后的微波信号得到幅度_频率特[0047] 在幅度-频率特性曲线上提取参数进行处理和计算，得到当前被测物的密度。 所述微波信号通过以下方法产生 信号处理模块4产生频率为10KHz以上、峰峰值为2±0. 5V的锯齿波信号作为微 波发生器2的调制信号，使微波发生器2产生幅度恒定、频率随控制电压线性变化的微波信 号。 所述被测物密度计算公式如下
/>(△/， Aw) = (a) x + "2) x Af + <33 x + a4 ( 1 ) 式中，p为被测物密度；A f为谐振腔引入被测物后的频率偏移量，即f。-fA、f。_fB ;
Am为谐振腔引入被测物后的半功率带宽变化量，即mA-m。、mB-m。 ；ai，a2，a3，a4为计算密度的 系数。 所述半功率带宽通过以下方法得到 在频率-幅度特性曲线上找到谐振频率点，以该点对应的功率-3DB的功率值为标 准，得到对应的两个频率之差值作为半功率带宽。 本实用新型的具体实现过程为信号控制处理模块4发生频率为10kHz以上、峰峰 值为2±0. 5V的锯齿波调制信号发送给微波发生器2，微波发生器2在锯齿波信号的控制下 产生2 4GHz频率范围内线性递增的微波信号，将信号送入谐振腔1内；另一侧由微波检 波器3得到谐振腔在该频率范围内变化输出的功率值，将其转化为电压信号传送给信号控 制处理模块4，经A/D转换、预处理、算法分析后得到当前穿过谐振腔1的物质密度信号。 在不同频率的微波信号下，谐振腔1的输出功率发生相应变化，如图3所示，以 变化的频率为横坐标，以输出功率值为纵坐标，可以得到谐振腔1在一定频率范围内的幅 度_频率特性曲线。当谐振腔1为空腔时，根据其选频特性可得到固有的谐振频率f。和半 功率带宽m。；当被测物引入谐振腔内，将引起谐振腔的频率发生偏移并改变其半功率带宽， 如引入一定密度的非金属物质A，此时的谐振频率和半功率带宽分别为4和!v再引入相同 材料不同密度的非金属物质B，此时的谐振频率和半功率带宽分别为fe和rv由上述情况可 知，当不同密度的物质穿过谐振腔中心时，以谐振频率的偏移量A f ，即f。-fA、 f。-fB和半功 率带宽的变化量Am，即mA-m。、mfm。为变量，配合一定的参数，根据式(1)即可得到当前被 测物的密度。 如图4所示，图1中的信号处理模块4是整个实用新型中的控制处理核心部分，具 体工作流程为锯齿波发生单元6产生锯齿波数字信号，数字信号发送给D/A转换单元7， 从而产生一定频率和幅度的锯齿波信号，这个信号作为压控振荡器(VC0)的调制信号，使 微波发生器2产生幅度恒定，频率随控制电压线性变化的微波信号，微波信号送入谐振腔1 后，由微波检波器3得到谐振腔输出信号，由于频率是连续变化的，根据图3可知，在一个锯 齿波周期内，微波检波器3输出的信号相当于谐振腔输出的幅度_频率特性曲线，此信号发 送给信号处理模块4中的第一 A/D转换单元8，转化为数字信号后发送给信号前级处理单 元9，通过FPGA将频谱曲线中的谐振频率和半功率带宽参数提取出来，并传送给信号处理 分析单元10 (本实施例采用高速数字信号处理器TMS320C5509A)，计算出当前被测物的密度，至此完成一次密度采集计算。 所述锯齿波发生单元6由FPGA实现，如图6所示，分频器17对27腿z时钟源16 分频，获得大于3MHz的地址时钟信号，地址时钟信号送入地址发生器18产生波形存储器 19(R0M存储器)所需的地址信号，地址信号每周期约256个不同地址，以10kHz以上的周 期循环变化，地址信号驱动保存有锯齿波波形的波形存储器19输出锯齿波波形的数字信 号，波形数字信号送到D/A转换器7，将数字信号转换为模拟锯齿波电压调制信号，频率在 lOKHz以上。 所述信号前级处理单元9由FPGA实现，如图7所示，谐振腔响应曲线经第一 A/D 转换单元8转换为数字信号传给谐振点频率计算模块20和半功率带宽计算模块21。 谐振点频率计算模块20对A/D采样值进行最大值搜索，并记录最大值对应的偏移 位置。具体过程为用一个内存变量保存从周期开始到当前时刻所有采样值的最大值，当前 采样值若大于已保存的最大值，则将当前值保存为新的最大值，记录最大值对应的偏移位 置，直至完成整个周期搜索。半功率带宽计算模块21与前述谐振点频率计算模块20类似， 根据检波器输出幅值每降低ldb，检波电压降低25mv的特性，寻找到比谐振曲线最大值小 75mV的两个电压值点，计算其对应差值即可求出半功率带宽w。 为了提高密度计算的精度，需要保证谐振腔始终处于恒温状态，恒温控制是通过 温度控制模块5来实现的，如图2、5所示，在谐振腔1壁上安装了精密的温度传感器14，温 度信息以电压形式传送给第二 A/D转换单元12， PID温度控制单元11得到当前的温度信 息，采用PID算法通过继电器13、加热装置15对谐振腔加热，从而实现了闭环控制谐振腔温 度。所述PID温度控制单元11采用DSP 5509A以定时中断方式对谐振腔温度进行采样，判 断并采用PID算法对谐振腔加热。 所述FPGA采用Altera Cyclone II芯片，芯片内部处理器采用高速并行结构，可 以保证各单元同步快速实现所述功能，所述信号处理分析单元10采用TI公司的高速数字 信号处理器TMS320C5509A，该芯片具有200MHz的主频，满足信号的实时处理功能。Cyclone II芯片内嵌的RAM可以做双端口 RAM操作，很容易配置为PINGPONG的DMA操作流程，从而 实现与DSP 5509A总线的高速数据交换，保证了 DSP+FPGA方案的实施。
权利要求一种利用谐振腔微扰法快速检测非金属物质密度的装置，其特征在于包括谐振腔(1)、微波发生器(2)、微波检波器(3)、信号控制处理模块(4)以及温度控制模块(5)，其中，谐振腔(1)的输入端与微波发生器(2)相连，输出端接有微波检波器(3)，温度控制端通过温度控制模块(5)与信号控制处理模块(4)相连；信号控制处理模块(4)的调制信号与微波发生器(2)相连，微波检波器(3)输出的电压信号接至信号控制处理模块(4)。
2. 按权利要求1所述的利用谐振腔微扰法快速检测非金属物质密度的装置，其特征在于所述谐振腔(1)为圆柱形腔体，其轴中心位置两端开口，在圆柱形腔体侧壁安装接收 探针(Sl)和发射探针(S2)。
3. 按权利要求1所述的利用谐振腔微扰法快速检测非金属物质密度的装置，其特征在于所述信号控制处理模块(4)包括锯齿波发生单元(6)、 D/A转换单元(7)、第一A/D转 换单元(8)、信号前级处理单元(9)以及信号处理分析单元(IO)，其中锯齿波发生单元(6) 的输出端经D/A转换单元(7)与微波发生器(2)相连；A/D转换单元(8)的输入端接有微 波检波器(3)的幅度-频率信号，输出端经信号前级处理单元(9)接至信号处理分析单元 (10)。
4. 按权利要求1所述的利用谐振腔微扰法快速检测非金属物质密度的装置，其特征在于所述温度控制模块(5)包括第二A/D转换单元(12)、PID温度控制单元(11)及继电器 (13)，其中PID温度控制单元(11)通过A/D转换单元(12)接有温度传感器(14)，输出的控 制信号经执行装置接至设于谐振腔(1)外表面的加热装置(15)。
专利摘要本实用新型涉及一种利用谐振腔微扰法在线检测被测物质密度的装置，包括谐振腔、微波发生器、微波检波器、信号控制处理模块以及温度控制模块，其中，谐振腔的输入端与微波发生器相连，输出端接有微波检波器，温度控制端通过温度控制模块与信号控制处理模块相连；信号控制处理模块的调制信号与微波发生器相连，微波检波器输出的电压信号接至信号控制处理模块。本实用新型对于食品、药品行业能够实现被测物质的在线高速检测，避免放射性污染以及接触性污染，保证了密度检测结果的精度和稳定性。
文档编号G01N22/00GK201444143SQ20092001521
公开日2010年4月28日 申请日期2009年7月10日 优先权日2009年7月10日
发明者丛日刚, 杜劲松, 苏浩, 高宏亮, 高洁 申请人:中国科学院沈阳自动化研究