[發明專利]一種基于TDR及相位檢測技術的高精度水分測量儀有效
| 申請號： | 201810927447.1 | 申請日： | 2018-08-15 |
| 公開（公告）號： | CN108776170B | 公開（公告）日： | 2023-07-14 |
| 發明（設計）人： | 郭麗;盧峰;朱君顏 | 申請（專利權）人： | 郭麗 |
| 主分類號： | G01N27/72 | 分類號： | G01N27/72 |
| 代理公司： | 廣州高航知識產權代理有限公司 11530 | 代理人： | 李浩 |
| 地址： | 234000 安徽省宿州市*** | 國省代碼： | 安徽;34 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 基于 tdr 相位 檢測 技術 高精度 水分 測量儀 | ||
1.一種基于TDR及相位檢測技術的高精度水分測量儀，包括測量電路和主控電路，其特征在于：其中測量電路中包含C校模塊，主控電路中包含反掃頻電路，利用高頻信號加至測量電路的兩電極，測量高頻信號經鎖相環的鎖相和在TDR時域傳輸并反饋及處理，通過鎖相環的鑒相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分積分為核心的無限趨近算法計算，實現超高精度水分測量，所述測量電路中采用兩級RF放大器，高頻信號先經RF1放大器放大幅度后輸出至第一電極，再輻射至兩電極所包圍的被測物質，此時第一電極上高頻信號的頻率、時間、相位以及信號的磁滯特性發生改變，改變后的高頻信號接入第二電極，并通過與之連接的RF2放大器進一步的緩沖放大，大幅度擴展了測量半徑，測量半徑的最大值達到5m；
所述水分測量儀包括：MCU、A/D轉換器、鎖相環電路PLL、壓控振蕩器VCO、開關K1、開關K2、開關K3，RF1放大器、RF2放大器、第一電極、第二電極、C校模塊、D/A變容電壓反掃描單元、外設；以鎖相環電路PLL的壓控振蕩器VCO鎖定頻率信號輸出，首先合上開關K1，經RF1放大器放大幅度后輸出至第一電極，再輻射至兩電極所包圍的被測物質，此時第一電極上高頻信號的頻率、時間、相位以及信號的磁滯特性發生改變，改變后的高頻信號接入第二電極，合上開關K2，與之連接的RF2放大器進一步的緩沖放大，此時頻率、相位在設定范圍內不發生變化，而高頻信號經被測物質輻射并接到第二電極時發生的變化是RF2放大器的高頻信號特性變化量；此特性變化量信號繼續接入鎖相環電路PLL的PD鑒相器，其中一路頻率信號輸入端與鎖相環鑒相器基本頻率信號進行鑒相處理，得到的誤差負反饋到鎖定電壓上，從而得到PD電壓的變量值即實時值PD2；此時，若被測物質水分含量增大則PD電壓增高，反之PD電壓降低；由以上過程，將開關K1、開關K2斷開所測得的PD電壓實時變量值PD1為基礎值，PD2-PD1得到當前被測目標水分含量對應的PD電壓總值，所得PD電壓總值為單次測量值；C校模塊由一開關串聯校準電容，C校模塊兩端并聯在兩電極上，通過開關的開合，測量出PD電壓前后兩個值，將兩個值做差值運算，得到的變量值與校準電容值進行比較，得到一個校正系數，由此校正系數去校正上述PD電壓變量值；將首次測量獲得的PD電壓總值，由0至PD電壓總值，按照一定的柵格電壓n，并以柵格電壓n的倍數，n*1、n*2、n*3…n*m?,分成若干份，獲得若干份對應的PD電壓值，反掃頻電路逐份將PD電壓值加至鎖相環變容二極管D1負端，配合壓控振蕩器VCO和鎖相環電路PLL生成多種不同頻率的激發信號，作用到測量目標，每份PD電壓值加至變容二極管D1時形成一個實時電容值，此實時電容值與變容二極管D2形成一個總電容容量，當鎖相環鎖定，形成新的PD電壓值，而后與在前的PD電壓值比較，得到每份的差值；經過多次反掃頻過程，得到若干個PD電壓差值，將這些PD電壓差值分別與對應的前一次經過校正的PD電壓差值比較，運算得到多個校正系數，將得到的多個校正系數相加后平均，得到一個總校正系數，再去校正反掃頻之前測得的PD電壓總值，從而得到校正的PD電壓差值，進而通過計算獲得更準確的水分含量值；
所述第一電極、第二電極采用銅環，RF1放大器與第一銅環之間設置開關K1，RF2放大器與第二銅環之間設置開關K2，C校模塊與鎖相環電路PLL之間設置開關K3；檢測時，開關K1、開關K2斷開，由開關K3斷開和合上后所測得的兩個PD電壓計算差值，再計算出當前C校模塊的磁滯量值，進而計算出C校模塊中電容C較值，將此值與預存的C較值比較，計算出一個校正系數，以校正測量的對應土壤水分的磁滯變量值，用于提高磁滯變量精度；而后，由PD2-PD1生成一個磁滯變量值，由該值通過算法計算出當前兩銅環所測量的水分含量值，將此水分含量值再經過標定，進一步提高測量精度，所述標定是指利用土壤墑情、酸堿度、鹽度或溫度。
2.根據權利要求1所述的基于TDR及相位檢測技術的高精度水分測量儀，其特征在于：所述RF1放大器輸出信號至第一銅環，再傳輸至待測物質，此時由于不同水分含量的待測物質電介質參數不同，致使信號傳輸到第二銅環后，使信號的幅度、相位、頻率發生變化，第二銅環的信號經過RF2放大器放大后，再返回到鎖相環電路PLL，經鎖相環電路PLL與MCU原設置的基礎頻率比較，產生一個PD電壓的相位誤差值，由該PD電壓的相位誤差值至變容二極管D2的負極，使得變容二極管D2容量增大或減小，并配合壓控振蕩器VCO使其頻率及相位等于或無限趨近原設置的基礎頻率，此時，被包裹的土壤及兩銅環所造成的磁滯變量值對應PD2電壓值，PD2電壓值由A/D轉換器轉化為數據量，斷開開關K1和開關K2，再測量變容二極管D2的負端電壓PD1電壓值，此值為變容二極管D2的基礎0值對應的磁滯變量值。
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