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基于微波谐振腔的葡萄糖溶液浓度测量系统

作者:李建潼 王洪军时间:2015-02-11来源:电子产品世界收藏
编者按:  摘要:根据微波谐振腔的谐振频率随腔内溶液的介电常数的变化而发生偏移的特性,本文设计了基于微波谐振腔的葡萄糖溶液浓度测量系统,包括谐振腔测量模块、谐振频率跟踪模块和等精度频率测量模块,可实现对溶液浓度的实时测量。谐振频率跟踪模块利用单片机控制压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)的输出频率,使VCO的输出频率与谐振频率实时保持一致,实现了谐振频率的自动跟踪。等精度频率测量模块在标准频率为50 MHz时,误差达到2×10-8,浓度测量分辨率达到0.0

  1.4 谐振腔的材料选择:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/269824.htm

  要实现葡萄糖溶液浓度的测量,谐振腔测得的实时数据需要通过波导传入到外处理电路,同时外处理电路也需要通过波导TE01实时监控谐振腔内的频率偏移。作为传输介质,波导应满足:①作为耦合装置应符合谐振腔的耦合要求;②使传输信号衰减最小。

  信号通过矩形波导,由圆形孔耦合到谐振腔,当输入谐振腔的频率与相等时,微波信号在腔内形成驻波,此时谐振腔的反射功率很小,达到谐振状态[7] 。由于电磁波在液体中的损耗使谐振腔的Q值下降,为使Q值达到设计要求,必须尽可能的减小电磁波辐射损耗和腔体内表面损耗。一方面以铜作为谐振腔的材料,两端封闭减小电磁波的泄露;另一方面要在谐振腔表面镀银,且使内表面光滑,减小导体的损耗。微波谐振腔结构如图2所示。

  1.5 试剂及实验要求:

  由于温度变化对介电常数有影响,因此需要温度传感器实时控制系统,建立不同温度下频率、浓度的数据库。本文重点在于将浓度信息转化为电信息,为减少温度对测量误差的影响,所有实验温度均选择温度为298.15 K。

  系统选择浓度为100 mmol/kg、200 mmol/kg、300 mmol/kg、400 mmol/kg、500 mmol/kg、600 mmol/kg的葡萄糖溶液浓度进行测量。

  1.6 系统测量框图

  谐振腔测量系统工作原理框图如图2所示。图中的谐振腔为工作在TE011模式的封闭反射式谐振腔,当腔内被测量溶液的浓度发生变化时,谐振腔的发生偏移,压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, )产生的调频信号经过定向耦合器分成两路:一路进入混频器,与本振信号混频,产生中频信号;另一路通过环形器进入谐振腔,谐振腔的反射信号再经环形器进入输出调制信号,频率跟踪系统根据调制信号的大小和方向控制的输出频率,使输出的载波频率始终与谐振腔的相等。混频器的基准频率为谐振腔的谐振频率9.6 GHz,由混频器产生的差频信号为微扰前后的频率偏移,差频信号经过整形放大后经过频率测量系统测量其频率,最后通过数据处理就可以得到溶液的浓度。

  为了得到溶液浓度变化所产生的谐振频率的准确偏移量,首先要求谐振腔具有很高的品质因数[10],其次由于该偏移量是混频器输出的差频信号,混频器的基准频率必须具有很高的稳定性。再次,频率跟踪系统要有较高的可靠性,要求能够控制的输出频率与谐振腔的谐振频率保持一致,这样才能保证测量的精度。

2 自动频率跟踪系统

  2.1 跟踪原理

  在测量系统中,VCO的输入由直流信号和调制信号共同控制,所以其输出为调频信号,自动频率跟踪系统的设计原理是谐振腔对调频信号的幅度响应。当调频信号输入谐振腔时,根据载波频率与谐振频率的大小关系,谐振腔的响应有3种不同的情况[8]。设ft为输入调频信号的载波频率,f0为谐振腔的谐振频率,当ft<f0时,的输出信号与调频信号的频率相同、相位相反,当ft>f0时,检波器的输出信号与调频信号的频率和相位均相同,当ft=f0时,检波器的输出信号为幅度很小的调频信号的绝对值。由以上分析可知,要确定输入调频信号与谐振频率的关系,只需分析检波器输出信号与输入调频信号的幅度和相位的关系[9]。先对输出信号进行幅度的鉴别,由于谐振时谐振腔吸收了大部分的功率,检波器的输出信号幅度很小;没有谐振时,检波器输出幅度比较大,但相位不同,所以先对检波器的输出进行幅度鉴别,然后根据幅度鉴别的结果进行相位的检测。

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