[發(fā)明專利]一種相位差測量裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110233831.X
• 申請日: 2011-08-15
• 公開（公告）號: CN102419397A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳炳方;吳方明;楊雷東
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所
• 主分類號: G01R25/00
• 分類號: G01R25/00;G01N9/24
• 代理公司: 北京市德權(quán)律師事務(wù)所 11302
• 代理人: 趙紅霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于糧庫儲糧監(jiān)測領(lǐng)域，更具體涉及一種利用電磁波來測定糧食密度的相位差測量裝置及方法。

背景技術(shù)

糧食密度是糧庫儲糧數(shù)量檢測系統(tǒng)中一項重要的物理量，因?yàn)榧Z食介電常數(shù)與糧食密度之間關(guān)系的存在，可以利用介電常數(shù)特性方便確定地糧庫中糧堆的密度數(shù)據(jù)，從而為有效開展清倉查庫工作奠定技術(shù)上的基礎(chǔ)。如圖1所示，一種糧堆介電常數(shù)直接法的測量裝置，其中兩接收天線接收的波形如圖2所示。該裝置測量獲得電磁波在發(fā)射天線與接收天線之間傳播的時間以及發(fā)射天線與接收天線的距離，由此計算糧堆的介電常數(shù)。該方法中，電磁波在發(fā)射天線與接收天線之間傳播的時間由信號接收機(jī)根據(jù)A、B兩根接收天線的信號相位差獲得。

相位差測量常用的方法有直接測量法和李沙育圖形法，這兩種方法直接用肉眼觀察示波器上顯示的波形或者李沙育圖，難以保證測量精度。但是隨著示波器的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，可以將采集到的數(shù)據(jù)保存下來，在計算機(jī)上完成相位差的數(shù)據(jù)處理與計算，也可用虛擬儀器替代示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，大大提高了測量的精度，但是成本也提高了。另外也有采用相位-時間轉(zhuǎn)換法進(jìn)行相位差測量的研究，相位-時間轉(zhuǎn)換法在被測信號頻率較高時，測得相位差的絕對誤差比較大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提高相位差的測量精度，同時降低成本，從而能準(zhǔn)確低成本地測定糧食的密度，提供了一種相位差測量裝置與方法。

本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：一種相位差測量裝置，所述裝置包括：相位差測量單元，用于將兩接收天線的電磁波相位差轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；極性判斷單元，用于判斷兩接收天線的電磁波相位超前還是滯后；測控單元，用于處理測量數(shù)據(jù)、顯示測量結(jié)果以及傳輸數(shù)據(jù)給上位機(jī)。

進(jìn)一步，所述相位差測量單元中具體包括：相位檢測器，將兩接收天線的電磁波相位差轉(zhuǎn)換為電信號；低通濾波器，用于濾除干擾信號、信號阻抗匹配和信號電流放大；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電信號模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量；其中，相位檢測器，低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器順序相連。

進(jìn)一步，所述極性判斷單元包括：雙通道電壓比較器，用于將兩正弦電磁波均整形為方波；D觸發(fā)器，用于比較兩方波的相位關(guān)系；其中雙通道電壓比較器的兩路輸出分別與D觸發(fā)器的D輸入端和時鐘輸入端相連。雙通道電壓比較器和D觸發(fā)器相連。

進(jìn)一步，所述測控單元包括：微控制器，用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制顯示裝置與USB控制器的數(shù)據(jù)傳輸；顯示裝置在微控制器的控制下顯示測量結(jié)果；USB控制器在微控制器的控制下將測量數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給上位機(jī)；其中，微控制器分別與顯示裝置和USB控制器相連。

進(jìn)一步，所述相位檢測器為乘法器型的相位檢測器。

進(jìn)一步，所述低通濾波器為巴特沃什型有源低通濾波器。

一種相位差測量方法，包括以下步驟：S100，將來至兩接收天線的電磁波送入相位檢測器，相位差轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻干擾信號、阻抗匹配及電流放大后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量；S200，將來至兩接收天線的電磁波送入雙通道電壓比較器，將兩正弦電磁波均整形為方波，由D觸發(fā)器比較兩方波的相位超前與滯后關(guān)系；S300，微控制器獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，并運(yùn)用去極值平均濾波法減小隨機(jī)測量誤差，計算出電壓值V_PHS；S400，微控制器獲得極性判斷結(jié)果，按公式Δφ＝±a₁-a₀V_PHS(±由極性判斷結(jié)果確定，a₀、a₁是常數(shù))計算出相位差值；S500，相位差測量結(jié)果在顯示裝置上顯示，并由USB控制器經(jīng)USB接口送入上位機(jī)。

進(jìn)一步，步驟S100中所述電磁波為同頻率正弦波。

進(jìn)一步，步驟S300中所述去極值平均濾波方法為：連續(xù)采樣N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2個采樣的平均值。

進(jìn)一步，步驟S400中a₀、a₁的值取得采用方法為：由雙通道信號源同時輸出兩路頻率相同相位差為Δφ的正弦波，經(jīng)過相位差測量裝置將相位差轉(zhuǎn)換為電壓V_PHS，并在LCD上顯示出電壓；采取以10°步進(jìn)進(jìn)行0～360°移相，通過測量獲得反映相位差電壓V_PHS與相位差Δφ的離散數(shù)據(jù)；再通過最小二乘法計算出a₀、a₁的值