基于TDT与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置及其测量方法与流程

本发明属于电子信息中电路与信息处理技术领域，尤其属于一种电磁波在传输线上传输时域技术领域，涉及一种基于tdt与相位比较的混凝土拌合物拌合物含湿率精确测量装置及其方法。

背景技术：

学者chernyak首先系统地进行了土壤的介电特性的研究，他的《湿土介电特性研究方法》使得土壤物理学家首次对土壤介电物理行为有了整体性的认知。土壤的介电特性理论可以应用在混凝土拌合物含湿率的测量中。按照原理和实现路径可以将介电特性法大概划分成如下几种类型：时域反射或传输矢量测量原理、频域反射式矢量分解测量原理、交流容抗测定原理等。

时域反射(tdr)法的原理是测量电波在介质中传播的时间或者速度，以此来明确介电常数，从而间接获得介质含湿率。tdr法测量混凝土拌合物含湿率具有很高的精确度，但tdr技术应用在实际时也存在一些弊端和限制：tdr的工作频率较高，通常要求在1ghz以上，这会造成电路板设计比较困难并且使得硬件成本增加；如果混凝土拌合物中碱性离子浓度较高，tdr信号在传输时会出现明显的衰减现象，从而致使不能获得清楚地波形，甚至不能获得反射波；如果介质有机质质量分数较高，使用tdr法时需再次校正介电常数与含湿率之间的关系，从而来提高测量的精确度。以上的这些问题都阻碍了tdr技术使用和推广。

频域反射法的原理是使用信号源产生一个理想的测试频率，采用矢量电压测量技术获取介质表观介电常数εr的实部和虚部。凭借介质表观介电常数的虚数部分能够计算得出介质的电导率，根据介质介电常数的实数部分能够计算得出混凝土拌合物含湿率。实验表明：频域反射法工作的理想频率范围是20～30mhz，属于低频，并且拌合物的介电常数对配比组分很敏感，这使得测量误差较大。

交流容抗测定原理是测试信号沿着嵌入在混凝土拌合物介质中的传输线传输时的频率，获得其介电常数，进而获取含湿率。这类传感器正常的运行电波频率范围为20～150mhz，响应速度快，易实现，成本低。基于交流容抗测定原理的传感器不足之处在于工作的频率比较低，传感器的性能容易受到外界因素的影响，如温度、介质的电导率等。

现今投入使用的传感器基本上很难在精确度和设计成本间保持平衡，因此亟需寻找一个原理先进，电路简单，测量精度高，重复性好，对干硬性混凝土拌合物适应性强，成本低廉的传感器的电路设计方法。

技术实现要素：

本发明根据现有技术的不足公开了一种基于时域传输(timedomaintransmissometry，tdt)与相位比较的碾压混凝土拌合物含湿率精确测量装置及其测量方法。本发明采用ad8302相位比较集成芯片设计一个延时测量电路，将延时测量电路与传感器探头集成，可以输出模拟量与数字量，实现准确获取混凝土拌合物含湿率。

本发明通过以下技术方案实现：

基于tdt与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置，包括信号源、相位比较器和传感器探头构成的延时测量电路，其特征在于：

所述信号源为高频振荡电路，采用压控振荡构成并联lc谐振回路，用于为整个系统提供持续的两路高频信号；信号源分别与相位比较器和传感器探头连接，将第一路高频信号发送至传感器探头形成测试信号，第二路高频信号发送至相位比较器形成参考信号；

所述传感器探头采用u型双导轨测量探头；测量探头固埋于混凝土拌合物中，一端连接信号源，输出端与相位比较器检测端连接；

所述相位比较器用于实现两路信号的相位检测。

所述延时测量电路把测试信号与参考信号之间的相位差转换成与之有关的直流信号；测试信号与参考信号均为正弦电压信号，频率相同，相位不同。

所述u型双导轨测量探头的u型探头长度l为20cm，探头导体材料的直径r为2mm，双导体之间的距离r为10mm。

所述高频振荡电路采用压控振荡集成芯片mc1648芯片，在12脚tank和10脚bias之间外接并联lc谐振回路。

所述相位比较器采用ad8302相位检测芯片。

本发明还公开了采用上述装置获得混凝土拌合物含湿率测量方法。

包括以下方法：

将u型双导轨测量探头固埋于混凝土拌合物中；

信号源产生两路幅度和相位相同的高频信号，并将第一路高频信号发送传感器探头形成测试信号，第二路高频信号发送至相位比较器形成参考信号；第一路高频信号经传感器探头后传送至相位比较器检测端；

延时电路把测试信号与参考信号之间的相位差转换成与之有关的直流信号；测试信号与参考信号均为正弦电压信号，频率相同，相位不同；

根据测试信号与参考信号均的相位差得到混凝土拌合物含湿率。

本发明根据介质介电常数来间接得到拌合料含湿率，介质介电常数是通过测量电磁波信号沿着置于介质中的传输线传输时得到的。电磁波沿着tdt探头传输时，由于探头的末端不是开路的，因此只需检测电磁波单向传输后的信号，而对于反射信号的检测并没有规定。基于该原理，由于电磁波在介质中传输时会存在传输延迟，本发明采用相位比较的方法，通过ad8302集成芯片设计一个延时测量电路，将延时测量电路与传感器探头集成一体，可以输出模拟量与数字量，测量精度显著提高，成本远低于同类型的tdt传感器设备，本发明装置测量获得的混凝土拌合物含湿率准确，检测使用方便，具有很好的应用推广前景。

附图说明

图1是本发明装置组成结构框图；

图2是本发明装置原理流程框图；

图3是本发明装置u型双导轨测量探头示意图；

图4是本发明装置信号源部分电路图；

图5是本发明装置相位检测原理框图；

图6是本发明装置ad8302测量模式下相位差的理想相应特性曲线；

图7是本发明装置相位比较电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合附图。

混凝土拌合物含湿率传感器原理框图如图2所示，电磁波信号分成两路。一路通过传输线直接送到相位比较器的a端，作为稳定电磁波相位比较基准。另一路信号通过传感器探头后输入相位比较器的b端，与从a端送来的正弦波相位基准信号进行相位比较。初始状态，即探头裸露在空气中时，两路信号经过的路径理想地看为近似相等，当探头埋入到混凝土拌合物中时，b路电磁波信号到达相位比较器时会有一定时间的延迟，相位比较器输出一个反应b落后于a的相角α，也即两路电磁波信号传输的时间差t。

传感器探头环形导体长度l已知，电磁波沿混凝土拌合物中导体单程传播时间t可通过相位比较器测量得到，由此根据混凝土拌合物表观介电常数的表达式便可计算得出此时混凝土拌合物中的自由水分含量。

一、u型双导轨测量探头的设计方法。

tdt土壤水分传感器探头的实物图如图3所示。u型探头可以看作是一段传输线,其周围填充的是介电常数为εr的混凝土拌合物介质，其等效电路模型为平行双导线传输线。

(1)探头与同轴电缆阻抗匹配

传感器探头单元的设计中，涉及到阻抗匹配的问题。若探头与同轴电缆的阻抗不匹配，测试信号在探头首端会产生反射，这个反射信号与探头末端的反射信号是同频率且同方向传播的，使用环形器也不能将其分开。这不仅影响传输到探头上的测试信号的能量，而且会改变所测得信号的相位和幅值，导致测得的信号传播时间和衰减量都与实际有偏差。

只有当负载阻抗zl必须等于该传输线的特征阻抗z0时，入射波才没有反射。因此，与之配套使用的探头必须经过精心的设计以尽可能减小信号在探头端口处(即从仪器内部引出的同轴电缆与探头的连接处)的反射。只有当γ＝0时，才不会有反射波。若负载阻抗zl等于该传输线的特征阻抗z0，则反射系数γ＝0。这样传输线就达到匹配负载，此时入射波没有反射。

本发明所用的混凝土拌合物含湿率探头属于平行双导线传输线，与探头连接的是同轴传输线，传输线的特征阻抗是一个实数值。

同轴电缆的特征阻抗模型为：

其中：r为同轴电缆外导体铜网内径；r为同轴电缆芯线外径；ε为导体间绝缘介质的相对介电常数。

平行双导线的特征阻抗模型为：

由此可知，只有当同轴电缆的特征阻抗zc与传感器探头的特征阻抗zs尽可能的一致时，能够避免电磁波信号的反射。

(2)探测单元的几何参数

由平行双导线的特征阻抗模型可知，双导线的特性阻抗是与导线周围介质以及导线中心距及导线直径有关的。而测量介质是变化的，因此特征阻抗大部分时间与传输高频信号阻抗不匹配。这里，我们将r定为10mm，r定为2mm。

根据理想化的传感器探头长度，制作出l不同的传感器探头。通过定性的试验方法，来确定tdt土壤水分传感器的探头长度。方法如下：

1.将网络分析仪的信号输出端接在tdt探头的一端，同时将示波器的通道1信号输入端并联在接口处。tdt探头的另一端连接示波器通道2。

2.将网络分析仪的输出信号频率调成100mhz，此时缓慢的将tdt探头伸入水桶中，观察波形变化，并记录相位差。

3.改变探头长度l，重复上述步骤。

通过观察实验记录结果，发现当探头长度l约为20cm时，探头完全没入水中的相位差约为180度。所以，我们选用此长度作为tdt传感器的探头长度。

(3)探测单元的选取

本发明在所用的探测单元如图3所示。探测单元所用的为不锈钢材质，探头长度l为20cm，探头导体材料的直径r为2mm；双导体之间的距离r为10mm。u型探头是tdt传感器探头的经典结构，确保了信号可以返回接收端，从而大大降低了信号传输时间测量的难度，但这种探头结构牺牲了测量时的便捷性，直接插入混凝土拌合物中会破坏密实结构完整性，无法实现即插即测功能，只能预先埋入混凝土拌合物中进行长期固定测量。

二、专用电磁波信号源设计方法

电磁波信号源为高频振荡电路组成，用以生成稳定的频率信号，为整个系统提供持续的信号。为了使tdt混凝土拌合物含湿率测量系统具有较高的测量精度，因此振荡器必须具有足够的频率稳定度。本发明采用的压控振荡集成芯片是mc1648芯片。在12脚(tank)和10脚(bias)之间外接并联lc谐振回路，即构成低失真的高频振荡电路，如图4所示。当待测的混凝土拌合物含湿率发生变化时，mc1648的引脚3输出的高频正弦信号的频率也将发生变化。

mc1648采用ecl工艺，最高工作频率可达到225mhz，该集成器件利用对管的对称性减少了告辞谐波的影响、稳定度高，内部集成的agc电路使得振荡器输出信号的幅度平坦度较好。li和c2实现mc1648外接并联lc谐振回路的频率起振，起振频率设定为100mhz。电感l1由直径0.2mm漆包线圈绕制而成，共8匝，线圈直径为0.5cm。其中，c2取25pf，c3和c4为去耦电容，滤除电源噪声；c1为高频滤波电容，滤除高频寄生干扰。

三、相位比较电路的设计

tdt传感器探头是“u型”的，所以在电磁波发射端和信号输出端的探头处各设置一个信号采样点，传感器电路测量的是电磁波在嵌入混凝土拌合物中波导探头上的单程传输时间。然而，这个过程实现的关键在于延时测量电路的设计。

(1)相位检测原理

延时电路的关键在于相位检测。其功能主要是将输入的测试信号与参考信号之间的相位差转换成与之相关的直流信号，以便用模/数转换器将其数字化后供微处理器计算测试信号在探头上的传播的时间。这里的测试信号与参考信号为同频率的正弦电压信号，它们的相位不一样。

本发明使用的相位检测器的原理框图如图5所示，其中符号表示模拟乘法器，其输出信号是两个输入信号的乘积。

假设输入信号u1、u2分别为：

式中，ω为信号角频率；u1、u2和分别是两个信号的幅值和初相位。它们的乘积为：

上式中第一项为直流分量，其大小与u1、u2的幅值和相位差有关；第二项为二次谐波信号。使用低通滤波器对乘法器的输出进行滤波后可得直流电压v1，即

这里的v1虽然与两个信号的相位差相关，但也与它们的幅值有关，当相位不变而信号幅值变化时，v1也会发生改变，这就给直接从v1得到相位差带来了困难。为了解决这一问题，可以使用移相器将信号u1的相位改变90°变为u1后再与u2一起送入第二个乘法器，得到：

使用低通滤波器对第二个乘法器的输出进行滤波后可得直流电压v2，即：

相位差计算结果在-180°～+180°之间，在确定该相位差的正周期数，即可测得任意范围的相位差。

(2)ad8302工作方式

本发明选用的相位检测芯片是ad8302。该芯片将测量幅度和相位的能力集中在一块集成电路内，使原本十分复杂的幅相检测系统的设计简化，而且系统性能得到提高。ad8302能精确测量两个信号之间的幅度和相位差主要基于对数放大器的对数压缩功能，通过精密匹配的两个快带对数剑波器来实现对两输入通道的幅度和相位测量，能同时测量从低频到2.7ghz频率内两个输入信号之间的增益(幅度比)和相位差。

ad8302相位差检测芯片能同时测量从低频到2.7ghz频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差。ad8302在测量模式下的相位差的理想响应特性曲线如图6所示。可看出，该芯片直接输出0～1.8v的模拟量，与之对应的是输入两路信号的相位差。ad8302在测量时具有180°的相位差范围。该相位差范围既可以是0°～+180°(以90°为中心)，也可以是0°～-180°(以-90°为中心)。由ad8302相位差响应特性曲线在0°～+180°和在0°～-180°时的斜率不同可知，即可判定两个被测信号的相位差为正或者为负。ad8302中的对数放大器具有对数的压缩功能，因此幅值和相位就是基于这一功能实现的，可由下式表示：

vout＝vslplog(vin/vz)

幅值和相位检测方程如下：

vmag＝vslplog(vina/vinb)

vphs＝vφ[φ(vina)-φ(vinb)]

其中各个参数的物理意义为：

vslp：斜率；vina：输入电压；vz：截距；vmag：幅度比较输出值；vphs：相位比较输出值；vφ：斜率。

延时电路是基于ad8302芯片的相位检测功能实现的，其电路连接如图7所示。