CN101706459A - 一种微波雷达水份传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波雷达水份传感器，尤其是涉及一种接触/非接触介质连续或点测式微波雷达水份传感器。它包括有：探头、信号通道、信号处理器(DSP)、TPS接口、微处理器(MCU)、I2C接口、驱动接口，其中，探头的输出端口处设有天线，天线可带有云台和滤刮器，信号处理器(DSP)和微处理器(MCU)分别由各自的软件管理，预检测的信号经由探头、信号通道、信号处理机、TPS接口、以及微处理器(MCU)与驱动接口相连，探头另外经由极化分离器与信号收发机构成回路，天线设在用于检测介质的一侧或两侧。由于微波雷达水份传感器属于多传感器系统，对其相关变量设置有充分的接口，其他探头如温度、电导率可通过I2C与信号处理机连接，完成对水份参量修正。
Description
技术领域：
本发明涉及一种微波雷达水份传感器，尤其是涉及一种接触/非接触连续或点测微波雷达水份传感器.
背景技术：
已有技术公告的CN2648459实用新型专利所阐述的一种石油持水率测井仪，由持水率雷达传感探头、高频信号收发处理器、数字信号处理器、微处理器以及有线单芯摇传模块电路等组成，其测定的基本原理是利用仪器测定电磁波的传播速度和相移大小，求得介电常数，然后利用DSP技术和无线摇传(WTC)技术，根据介电常数与含水量关系的理论模型和相移与含水量的理论模型计算出持水率大小并通过单芯电缆传入地面仪显示和输出。这样在实际使用时即可以方便快速地确定持水的深度和水流的方向，有效地确定油层含水量的大小。该产品为原油勘探、开采、开发、提炼、储运过程中对接触流体介质中持水率或含水量大小的动态准确计量和监测发挥了很大作用。
但随着应用范围的推广，检测对象的复杂多样性以及其它参量(如温度、密度、持气率、压力等)要素的影响，造成本专利产品的推广应用受到了很大的限制，特别在非接触有耗介质的水份(水份：本专利指被测混合介质中水所占的比例成份的通称，既可以指体积方面建标的持水率或含水率，也可以指质量方面建标的含水量或湿度，具体因建标要求而定，但不与检测技术冲突，后文直接引用，不再说明)测量中，很难推广到实用阶段。那么如何快速、准确地完成接触或非接触有耗介质中含水量或持水率大小的可靠测量呢？
依据已公开应用的成熟技术，在改进提高原有专利产品的基础上，通过在产品工艺结构，检测原理，方法技巧、模型建立及对外接口上的创新，提出更具有继承性和通用性的解决方案，来满足不同行业，不同检测(监测)对象的实际需要，而最新研制了一种微波雷达水份传感器。本方案在应用原有技术的基础上将提出系统、全面、高性价比的改进措施，近而形成关于检测被测物水份大小的系列微波雷达水份仪检测产品。
公知的电磁波传播理论所依赖的麦克斯韦方程，已较为系统地研究和分析了电磁波在有耗介质中传播的二次参数特性，它通常可以用三个重要的参数来描述有耗介质(有耗介质：本专利指空气、水分和或有耗介质混合物的简称，后文直接引用，不再说明)的阻抗特性，衰减特性和相位特性，而介电常数、品质因子和衰减系数则是耗介质特性的集中反映。水(水：本专利指物理水，后文直接引用，不再说明)，它和我们的生活、生产最为密切，在不同温度下的密度、粘度、介电常数和离子积常数等值表现的很突出见附录表1，特别是介电常数值(复数)与其他相关检测水份物质的区别以及温度对它的影响。而在微波传输理论问中，复介电常数作为一个与频率有关的函数，是容易分析和测定的。本专利将依此参数并应用雷达探测技术来研究分析微波在有耗介质中所表现的二次传输特性()与水份大小的敏感程度并研制出传感器及相关产品。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种新型一种微波雷达水份传感器，尤其是涉及一种接触/非接触连续或点测微波雷达水份传感器，它具有结构简单紧凑、频率高，响应快，能量低；调制和传播机制灵活，检测和处理迅速测而体现出快速，准确，分辨率高，可非接触、可靠性高，生产过程安全等优点。
为实现上述目的，见图1，本发明包括有：探头、信号通道、信号处理器(DSP)、TPS接口、微处理器(MCU)、I2C接口、驱动接口，其中，探头的输出端口处设有天线，天线可带有云台和滤刮器，信号处理器(DSP)和微处理器(MCU)分别由各自的软件管理，预检测的信号经由探头、信号通道、信号处理机、TPS接口、以及微处理器(MCU)与驱动接口相连，探头另外经由极化分离器与信号收发机构成回路，天线设在用于检测介质的一侧或两侧。由于微波雷达水份传感器属于多传感器系统，对其相关变量设置有充分的接口，其他探头如温度可通过I2C与信号处理机连接，完成对对水份参量修正。对增加的其它传感器检测模块可通过TPS接口连接上。
所述的微波雷达水份传感器探头的输出端口(11)连接有天线部分(90)，见图2，天线部分可带有天线(90)、云台(100)、滤刮器(110)，用来完成扫描被测介质面的准确发射和接收，天线检测方案因应用现场介质(92)的要求不同而灵活选用，或选用非接触式方案A、或选用接触式方案B，当选用接触式方案B时，设在用于检测介质的一侧，另一例置发射面(93)，选用非接触式方案A时，天线则分成收/发天线并置介质的两侧，对液体介质来说，双天线也可做成侵入检测，即接触方案式。其中，信道(93)经严格精加工成平衡线式，以解决连接的平衡与非平衡转换，抑制干扰。
所述的微波雷达水份传感器探头(10)，见图3，由天线接口(11)、极化分离器(12)、发射单腔多模椭圆滤波器(13)、接收单腔多模椭圆滤波器(14)，发射信道(15)、接受信道(16)、发射信号端口(17)和接受信号端口(18)等组成。
所述探头的极化分离器(12)见图4，它的结构由内腔精密加工成波导型极化分离器，其中一端有天线接口(11)，另一端短路，与收发馈线相接的两个同轴接口相互垂直，在两接口之间固定有一块金属极化去耦板123，并在接口121、122相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉124和125。
所述水份传感器的信号通道(20)，它是探头(10)和信号处理器(DSP)的信号连接传输通道，它既可以同时输出激励源和接收检测信号，也可以分别设计成独立单向的通道、表现的物理连接有圆波导、矩形波或同轴波导。
所述探头的信号处理器(DSP)(30)，见图5，其原理结构框图包括：数字信号处理器(DSP)(31)、数字鉴相器(32)、鉴幅器(33)、选择开关(34)、信号整形(35)、比较器(36)、信号源(37)和混频器(38).从信道(20)接收的信号通过混频处理(38)将高频测量信号fm和参考信号fr转换为低频测量和参考信号，低频测量和参考信号分别经过比较器(36)生成方波信号作为各自的检波参考信号，通过模拟开关分别实现幅度检测和相位差检测，最后，把数据送入到数字处理器(31)中，数字处理器(31)依据FLASH(39)中算法进行处理.信号处理器(DSP)的混频器(38)，见图6，其原理结构框图包括：信号源(380)，基准频率(381)、测量频率(382)、10MHZ混频器(383)，处理电路(385)和被测系统(386)，其中被测介质系统包含的幅度衰件减和相位变化等物理信息见图7.程控信号源(37)，见图8，其原理结构框图包括：温补晶振(370)，鉴相器PD(371)、环路滤波器LF(372)、介质压控振荡器振VCO(373)，倍频及输出(374)和分频器(375)等构成.计量测量中，一般要求同时保证测量效率和测量精度.此时提高时基信号的频率是必然的实现方案；但同时要考虑电路对频率信号的处理能力，由于计数器内部的时间延迟，待测信号的频率存在上限.综合各项因素，本系统选定标称值为50MHz，频率稳定度高于10-7的晶体振荡器作为测频环节的时基信号，相位测量精度可达0.1.数字鉴相器(32)、鉴幅器(33)、选择开关(34)、两个信号整形(35)、比较器(36)等构成敏检波电路，将降频后的低频测量信号和参考信号分别经过比较器(36)生成方波信号作为各自的检波参考信号.其中，在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，这时输出电压uo＝Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化，可以根据输出信号的大小确定相位差的值；同时，采用相敏检波实现待测信号与噪声的分离，达到选频鉴幅的目的，信号经鉴幅器(33)输出一个与输入衰减信号成正比的直流信号，接着采用16位快速模数转化芯片对选择开关(34)选定的幅度检测直流信号和相位差值信号分别完成模/数转化，转化的结果送入处理器(31)中.作为相敏检测技术的改进方案，其特征在于：作为应用之一的数字鉴相器(32)，见图9，其原理结构框图包括：鉴相器detector(320)、门控器control(321)、计数器counter和锁存器latch.通过比较器产生的同频测量方波信号fm和参考方波信号fr经鉴相器detector(320)鉴相后输出相位差信号fp，fp信号作为门控信号送入计数器(322)和门控环节(321)，计数器门控端以控制计数器的计数时间，其作用与闸门电路相当.计数器counter的计数脉冲CLK同时也送入控制环节的CLK端，这样控制环节综合了相位差信号fp产生锁存器的锁存信号EN和计数器的清零信号CLR以协调控制计数器和锁存器的工作.计数器的计数结果经锁存器latch(323)锁存后输出，供处理器调用.作为信号处理器(DSP)内置软件的FLASH(39)，它装载有关于水份大小与检测相位和幅度大小对应关系以及温度等修正参量的模型和算法，通过信号处理器(DSP)(30)有效的运算后，输出独立水份检测变量到TPS接口(40)中.
所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：给相关变量设置有充分的接口(11)——(19)，独立变量由水份探头(10)直接获得、相关变量之一的温度或其他变量则由接口(11)——(19)获得，这些相关修正变量(如温度、压力、密度等)是水份检测多传感器系统的必测参量之一，如修正变量温度和独立变量水份信号共同送到信号处理器(DSP)(31)汇合，供处理器调用。
所述的信号处理器(DSP)的内置的软件，鉴于电磁波基本理论的复杂性，理论计算与正演模拟都是建立在近似基础上的.从而设计了基于信号处理器(DSP)的三次B样条插值算法模型，并在DSP上实现了三次B样条曲线的插补功能。这些成果应用及数据处理软件将更有利于关于水份测量结果的解释。
所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：作为水份变量的TPS接口(40)、见图10、11、12、13，其他检测传感器之一的TPS接口(41)——(49)，它们是系统检测的其他参量，如流量、速度、持气率、密度等.它们可以通过TPS接口(40)到微处理器(MCU)(50)汇合，遵守共同的协议，该协议是指微处理器(MCU)(50)与下部各参数测量总线(TPS)接口之间的数据交换约定，微处理器(MCU)(50)上位机发出的串行数据为不归零码，共11位，它包括一个起始位，8位数据一个奇偶校验位和一个停止位，见图10，在8位数据中，低四位为参量地址，最多可寻址16个参量，最高位为1，代表地址标志位，其余三位为零.在运行时，微处理器(MCU)(50)可以直接和其它各参量传感器并接在总线TPS(40)上，其它各参量传感器被编织址，见图11，当上位机对各参量寻址时，所发出的地址信号被所有并接的传感器(下位机)接收，而只有地址相同的那支传感器响应，响应后将回答两个数据，格式见图12、图13，TPS(40)接口总线上，数据的传输速率为11.45KBPS.
所述的微波雷达水份传感器的驱动接口(60)，其特征在于：作为连接仪表和WTC之间的电缆上传输的信号协议是归偏曼彻斯特II码、是归零制的，见图14、图15，协议约定是：每一通道，共有20位数据，其中有占3位时间宽度的数据同步位、16数据位和1位奇偶校验，占时间3.5ms。一帧传10通道信息，占时40ms，如此循环重复，完成多参数测试。微处理器(MCU)(50)，它以MPU为核心，集成存储器(80)、控制电路、时钟电路，TPS(40)，人机接口I2C(70)、输出和驱动接口(60)，完成多传感信号处理后的输出、该部分上接I/O口，下接TPS总线，总线可满足与多参量传感器的配接，完成多参数测试。
附图说明：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明的整体原理结构示意图；
图2为本发明的探头前端天线部分的结构示意图；
图3为本发明探头的结构示意图；
图4为本发明探头极化分离器的A-A向剖视图；
图5本发明的信号处理器(DSP)原理结构示意图；
图6为本发明的混频器结构示意图；
图7为介质测量技术方案的示意图；
图8为本发明的信号源结构示意图；
图9是本发明的数字鉴相结构示意图；
图10是本发明的上位机编码示意图。
图11为本发明的下位机编码示意图；
图12为本发明的下位机低字节应答编码示意图；
图13为本发明的下位机高字节应答示意图；
图14是本发明的输出接口(WTC)编码示意图；
图15是本发明的电缆时序示意图。
附录1：水在不同温度下的密度、粘度、介电常数和离子积常数K的典型实验值。
具体实施方式：
以下所述仅为本发明的较佳实施案例，并不因此而限定本发明的权利保护范围。
首先，见图1所示：本发明它包括有：探头(10)、信号通道(20)、信号处理器(DSP)(30)、TPS接口(40)、微处理器(MCU)(50)、驱动接口(60)、人机接口(70)、FLASH(80)，其中，探头的输出端口处设有天线(90)，天线可带有云台(100)和滤刮器(110)，其中，微波雷达水份传感器属于多传感器系统，对其相关修正变量探头设置有充分的接口(11)——(19)，也可增加其它传感器检测模块(41)——(49)。
信号处理器(DSP)(30)和微处理器(MCU)(50)分别由各自的软件管理，预检测的信号经由探头(10)、信号通道(20)、信号处理机(30)、TPS接口(40)、以及微处理器(MCU)(50)与驱动接口(60)相连，探头另外经由极化分离器与信号收发机构成回路，天线设在用于检测介质的一侧或两侧。由于微波雷达水份传感器属于多传感器系统，对其相关修正变量设置有充分的接口(11)——(19)，其他探头如温度可通过I2C与信号处理机连接，完成对对水份参量修正。对增加的其它传感器检测模块可通过(41)——(49)接入到TPS接口(40)上。其中，作为信号处理器(DSP)的内置的软件，鉴于电磁波基本理论的复杂性，理论计算与正演模拟都是建立在近似基础上的.从而设计了基于信号处理器(DSP)的三次B样条插值算法模型，并在DSP上实现了三次B样条曲线的插补功能。这些成果应用及数据处理软件将更有利于关于水份测量结果的解释。作为微波雷达水份传感器的控制中枢微处理器(MCU)(50)，它以MPU为核心，嵌入有接口协议和管理软件，硬件集成了存储器(80)、控制电路、时钟电路，TPS(40)，人机接口I2C(70)、输出和驱动接口(60)，完成多传感信号处理后的输出、该部分上接I/O口，下接TPS总线，可满足与多参量传感器的配接，完成多参数测试。
见图2所示：天线部分可带有天线(90)、云台(100)、滤刮器(110)，用来完成扫描被测介质面的准确发射和接收，天线检测方案因应用现场介质(92)的要求不同而灵活选用，或选用非接触式方案A、或选用接触式方案B，当选用接触式方案B时，设在用于检测介质的一侧，另一侧置发射面(93)，选用非接触式方案A时，天线则分成收/发天线并置介质的两侧，对液体介质来说，双天线也可做成侵入检测，即接触方案式。其中，信道(93)经严格精加工成平衡线式，以解决连接的平衡与非平衡转换，抑制干扰。
见图3所示：微波雷达水份传感器探头(10)，由天线接口(11)、极化分离器(12)、发射单腔多模椭圆滤波器(13)、接收单腔多模椭圆滤波器(14)，发射信道(15)、接受信道(16)、发射信号端口(17)和接受信号端口(18)等组成。
其中，探头的极化分离器(12)，见图4，它的结构由内腔精密加工成波导型极化分离器，其中一端有天线接口(11)，另一端短路，与收发馈线相接的两个同轴接口相互垂直，在两接口之间固定有一块金属极化去耦板123，并在接口121、122相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉124和125。
其中，探头的信号处理器(DSP)(30)，见图5，其原理结构框图包括：数字信号处理器(DSP)(31)、数字鉴相器(32)、鉴幅器(33)、选择开关(34)、信号整形(35)、比较器(36)、信号源(37)和混频器(38).从信道(20)接收的信号通过混频处理(38)将高频测量信号fm和参考信号fr转换为低频测量和参考信号，低频测量和参考信号分别经过比较器(36)生成方波信号作为各自的检波参考信号，通过模拟开关分别实现幅度检测和相位差检测，最后，把数据送入到数字处理器(31)中，数字处理器(31)依据FLASH(39)中算法进行处理.其中，混频器(38)，见图6，其原理结构框图包括：信号源(380)，基准频率(381)、测量频率(382)、10MHZ混频器(383)，处理电路(385)和被测系统(386)，其中被测介质系统包含的幅度衰件减和相位变化等物理信息见图7，需要检测得到的相位信息ΔΦ和幅度衰减信息ΔV.其中，程控信号源(37)，见图8，其原理结构框图包括：温补晶振(370)，鉴相器PD(371)、环路滤波器LF(372)、介质压控振荡器振VCO(373)，倍频及输出(374)和分频器(375)等构成.计量测量中，一般要求同时保证测量效率和测量精度.此时提高时基信号的频率是必然的实现方案；但同时要考虑电路对频率信号的处理能力，由于计数器内部的时间延迟，待测信号的频率存在上限.综合各项因素，本系统选定标称值为50MHz，频率稳定度高于10-7的晶体振荡器作为测频环节的时基信号，相位测量精度可达0.1.其中，数字鉴相器(32)、鉴幅器(33)、选择开关(34)、两个信号整形(35)、比较器(36)等构成敏检波电路，将降频后的低频测量信号和参考信号分别经过比较器(36)生成方波信号作为各自的检波参考信号.其中，在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，这时输出电压uo＝Usm/2cosΔΦ，即输出信号随相位差ΔΦ的余弦而变化，可以根据输出信号的大小确定相位差的值；同时，采用相敏检波实现待测信号与噪声的分离，达到选频鉴幅的目的，信号经鉴幅器(33)输出一个与输入衰减信号成正比的直流信号ΔV，接着采用16位快速模数转化芯片对选择开关(34)选定的幅度检测直流信号和相位差值信号分别完成模/数转化，转化的结果送入处理器(31)中.更进一步说明，作为相敏检测技术的改进方案，的数字鉴相器(32)，见图9，其原理结构框图包括：鉴相器detector(320)、门控器control(321)、计数器counter和锁存器latch.通过比较器产生的同频测量方波信号fm和参考方波信号fr经鉴相器detector(320)鉴相后输出相位差信号fp，fp信号作为门控信号送入计数器(322)和门控环节(321)，计数器门控端以控制计数器的计数时间，其作用与闸门电路相当.计数器counter的计数脉冲CLK同时也送入控制环节的CLK端，这样控制环节综合了相位差信号fp产生锁存器的锁存信号EN和计数器的清零信号CLR以协调控制计数器和锁存器的工作.计数器的计数结果经锁存器latch(323)锁存后输出，供处理器调用.其中，作为信号处理器(DSP)内置软件的FLASH(39)，它装载有关于水份大小与检测相位和幅度大小对应关系以及温度等修正参量的模型和算法，通过信号处理器(DSP)(30)有效的运算后，输出独立水份检测变量到TPS接口(40)中.
所述水份传感器的信号通道(20)，它是探头(10)和信号处理器(DSP)的信号连接传输通道，它既可以同时输出激励源和接收检测信号，也可以分别设计成独立单向的通道、表现的物理连接有圆波导、矩形波或同轴波导。
所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：给相关变量设置有充分的接口(11)——(19)，独立变量由水份探头(10)直接获得、相关变量之一的温度或其他变量则由接口(11)——(19)获得，这些相关修正变量(如温度、压力、密度等)是水份检测多传感器系统的必测参量之一，如修正变量温度和独立变量水份信号共同送到信号处理器(DSP)(31)汇合，供处理器调用。
所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：作为水份变量的TPS接口(40)、见图10、11、12、13，其他检测传感器之一的TPS接口(41)——(49)，它们是系统检测的其他参量，如流量、速度、持气率、密度等。它们可以通过TPS接口(40)到微处理器(MCU)(50)汇合，遵守共同的协议，该协议是指微处理器(MCU)(50)与下部各参数测量总线(TPS)接口之间的数据交换约定，微处理器(MCU)(50)上位机发出的串行数据为不归零码，共11位，它包括一个起始位，8位数据一个奇偶校验位和一个停止位，见图10，在8位数据中，低四位为参量地址，最多可寻址16个参量，最高位为1，代表地址标志位，其余三位为零。在运行时，微处理器(MCU)(50)可以直接和其它各参量传感器并接在总线TPS(40)上，其它各参量传感器被编织址，见图11，当上位机对各参量寻址时，所发出的地址信号被所有并接的传感器(下位机)接收，而只有地址相同的那支传感器响应，响应后将回答两个数据，格式见图12、图13，TPS(40)接口总线上，数据的传输速率为11.45KBPS.
所述的微波雷达水份传感器的驱动接口(60)，其特征在于：作为连接仪表和WTC之间的电缆上传输的信号协议是归偏曼彻斯特II码、是归零制的，见图14、图15，协议约定是：每一通道，共有20位数据，其中有占3位时间宽度的数据同步位、16数据位和1位奇偶校验，占时间3.5ms。一帧传10通道信息，占时40ms，如此循环重复，完成多参数测试。
所述的微波雷达水份传感器的微处理器(MCU)(50)，它以MPU为核心，集成存储器(80)、控制电路、时钟电路，TPS(40)，人机接口I2C(70)、输出和驱动接口(60)，完成多传感信号处理后的输出、该部分上接I/O口，下接TPS总线，可满足与多参量传感器的配接，完成多参数测试。
附录1：水在不同温度下的密度、粘度、介电常数和离子积常数K的典型值
| 温度t(Temperature)/℃ | 密度ρ(Density)/(g/ml) | 黏度η(Viscosity)/(103Pa·s) | 介电常数ε(Dielectricconstant)/(F/m) | 离子积常数(Ionicproduct constant)K. |
| 0 | 0.99984 | 1.5188 | 87.90 | 0.11×10-14 |
| 5 | 0.999965 | 1.5188 | 85.90 | 0.17×10-14 |
| 10 | 0.999700 | 1.3097 | 83.95 | 0.30×10-14 |
| 15 | 0.999099 | 1.1447 | 82.04 | 0.46×10-14 |
| 20 | 0.998203 | 1.0087 | 80.18 | 0.69×10-14 |
| 25 | 0.997044 | 0.8949 | 78.36 | 1.00×10-14 |
| 30 | 0.995646 | 0.8004 | 76.58 | 1.48×10-14 |
| 35 | 0.99403 | 0.7208 | 74.85 | 2.09×10-14 |
| 40 | 0.99222 | - | 73.15 | 2.95×10-14 |
| 50 | 0.98804 | - | 69.88 | 5.5×10-14 |
| 55 | - | - | 68.30 | - |
| 60 | 0.98320 | - | 66.76 | 9.55×10-14 |
| 65 | - | - | 65.25 | - |
| 温度t(Temperature)/℃ | 密度ρ(Density)/(g/ml) | 黏度η(Viscosity)/(103Pa·s) | 介电常数ε(Dielectricconstant)/(F/m) | 离子积常数(Ionicproduct constant)K. |
| 70 | 0.97777 | - | 63.78 | 15.8×10-14 |
| 75 | - | - | 62.34 | - |
| 80 | 0.97179 | - | 60.93 | 25.1×10-14 |
| 85 | - | - | 59.55 | - |
| 90 | 0.96531 | - | 58.20 | 38.0×10-14 |
| 95 | - | - | 56.88 | - |
| 100 | 0.95836 | - | 55.58 | 55.0×10-14 |
Claims (10)
1.一种接触/非接触连续或点测式微波雷达水份传感器，见图1，它包括有：探头(10)、信号通道(20)、信号处理器(DSP)(30)、TPS接口(40)、微处理器(MCU)(50)、驱动接口(60)、人机接口(70)、FLASH(80)，其中，探头的输出端口处设有天线(90)，天线可带有云台(100)和滤刮器(110)，其中，微波雷达水份传感器属于多传感器系统，对其相关修正变量探头设置有充分的接口(11)——(19)，对增加的其它传感器检测模块可通过TPS接口连接上。也可增加其它传感器检测模块(41)——(49)。该传感器利用微波段频率电磁波和雷达探测技术来探测水在其有耗介质中分布所表现出衰减大小和相位变化的一种地球物理勘探方法。由于所采用的频率高，响应快，能量低；调制和传播机制灵活，检测和处理迅速测而体现出快速，准确，分辨率高，可非接触可靠等优势。可广泛应用于水份大小检测，工程地质勘查、水土调查以及环境评价等应用领域。具有结构简单紧凑、低功耗、快速、无损、连续检测，并实时显示探测结果，分析、判读直观方便、生产过程安全等。
2.根据权利要求1所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：探头的输出端口(11)连接有天线部分(90)，见图2，天线部分可带有天线(90)、云台(100)、滤刮器(110)，用来完成扫描被测介质面的准确发射和接收，天线检测方案因应用现场介质(92)的要求不同而灵活选用，或选用非接触式方案A、或选用接触式方案B，当选用接触式方案B时，设在用于检测介质的一侧，另一侧置发射面(93)，选用非接触式方案A时，天线则分成收/发天线并置介质的两侧，对液体介质来说，双天线也可做成侵入检测，即接触方案式。其中，信道(93)经严格精加工成平衡线式，以解决连接的平衡与非平衡转换，抑制干扰。
3.根据权利要求1所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：探头(10)，见图3，由天线接口(11)、极化分离器(12)、发射单腔多模椭圆滤波器(13)、接收单腔多模椭圆滤波器(14)，发射信道(15)、接受信道(16)、发射信号端口(17)和接受信号端口(18)等组成。
4.根据权利要求1所述的水份传感器，其特征在于：极化分离器(12)见图4，它的结构由内腔精密加工成波导型极化分离器，其中一端有天线接口(11)，另一端短路，与收发馈线相接的两个同轴接口相互垂直，在两接口之间固定有一块金属极化去耦板123，并在接口121、122相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉124和125。
5.根据权利要求2所述的水份传感器，其特征在于：信号通道(20)是探头(10)和信号处理器(DSP)的信号传输通道，它既可以同时输出激励源和接收检测信号，也可以分别设计成独立单向的通道、表现的物理连接有圆波导、矩形波或同轴波导。
6.根据权利要求1所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：作为信号处理器(DSP)(30)，见图5，其原理结构框图包括：数字信号处理器(DSP)(31)、数字鉴相器(32)、鉴幅器(33)、选择开关(34)、信号整形(35)、比较器(36)、信号源(37)和混频器(38).从信道(20)接收的信号通过混频处理(38)将高频测量信号fm和参考信号fr转换为低频测量和参考信号，低频测量和参考信号分别经过比较器(36)生成方波信号作为各自的检波参考信号，通过模拟开关分别实现幅度检测和相位差检测，最后，把数据送入到数字处理器(31)中，数字处理器(31)依据FLASH(39)中算法进行处理.其中，混频器(38)，见图6，其原理结构框图包括：信号源(380)，基准频率(381)、测量频率(382)、10MHZ混频器(383)，处理电路(385)和被测系统(386)，其中被测介质系统包含的幅度衰件减和相位变化等物理信息见图7.其中，作为应用之一的程控信号源(37)，见图8，其原理结构框图包括：温补晶振(370)，鉴相器PD(371)、环路滤波器LF(372)、介质压控振荡器振VCO(373)，倍频及输出(374)和分频器(375)等构成.计量测量中，一般要求同时保证测量效率和测量精度.此时提高时基信号的频率是必然的实现方案；但同时要考虑电路对频率信号的处理能力，由于计数器内部的时间延迟，待测信号的频率存在上限.综合各项因素，本系统选定标称值为50MHz，频率稳定度高于10-7的晶体振荡器作为测频环节的时基信号，相位测量精度可达0.1.其中，作为应用之一的数字鉴相器(32)、鉴幅器(33)、选择开关(34)、两个信号整形(35)、比较器(36)等构成敏检波电路，将降频后的低频测量信号和参考信号分别经过比较器(36)生成方波信号作为各自的检波参考信号.其中，在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，这时输出电压uo＝Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化，可以根据输出信号的大小确定相位差的值；同时，采用相敏检波实现待测信号与噪声的分离，达到选频鉴幅的目的，信号经鉴幅器(33)输出一个与输入衰减信号成正比的直流信号，接着采用16位快速模数转化芯片对选择开关(34)选定的幅度检测直流信号和相位差值信号分别完成模/数转化，转化的结果送入处理器(31)中.对内置软件的FLASH(39)，它装载有关于水份大小与检测相位和幅度大小对应关系以及温度等修正参量的模型和算法，通过信号处理器(DSP)(30)有效的运算后，输出独立水份检测变量到TPS接口(40)中.其中，作为应用之一的数字鉴相器(32)，见图9，其原理结构框图包括：鉴相器detector(320)、门控器control(321)、计数器counter和锁存器latch.通过比较器产生的同频测量方波信号fm和参考方波信号fr经鉴相器detector(320)鉴相后输出相位差信号fp，fp信号作为门控信号送入计数器(322)和门控环节(321)，计数器门控端以控制计数器的计数时间，其作用与闸门电路相当.计数器counter的计数脉冲CLK同时也送入控制环节的CLK端，这样控制环节综合了相位差信号fp产生锁存器的锁存信号EN和计数器的清零信号CLR以协调控制计数器和锁存器的工作.计数器的计数结果经锁存器latch(323)锁存后输出，供处理器调用.
7.根据权利要求1所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：给相关变量设置有充分的接口(11)——(19)，独立变量由水份探头(10)直接获得、相关变量之一的温度或其他变量则由接口(11)——(19)获得，这些相关修正变量(如温度、压力、密度等)是水份检测多传感器系统的必测参量之一，如修正变量温度和独立变量水份信号共同送到信号处理器(DSP)(31)汇合，供处理器调用。
8.根据权利要求1所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：信号处理器(DSP)(30)和微处理器(MCU)(50)分别由各自的软件管理，预检测的信号经由探头(10)、信号通道(20)、信号处理机(30)、TPS接口(40)、以及微处理器(MCU)(50)与驱动接口(60)相连，探头另外经由极化分离器与信号收发机构成回路，天线设在用于检测介质的一侧或两侧.由于微波雷达水份传感器属于多传感器系统，对其相关修正变量设置有充分的接口(11)——(19)，其他探头如温度可通过I2C与信号处理机连接，完成对对水份参量修正.对增加的其它传感器检测模块可通过(41)——(49)接入到TPS接口(40)上.其中，作为信号处理器(DSP)内置的软件，鉴于电磁波基本理论的复杂性，理论计算与正演模拟都是建立在近似基础上的.从而设计了基于信号处理器(DSP)的三次B样条插值算法模型，并在DSP上实现了三次B样条曲线的插补功能.这些成果应用及数据处理软件将更有利于关于水份测量结果的解释.其中，内嵌软件管理之一的微处理器(MCU)(50)，它以MPU为核心，集成存储器(80)、控制电路、时钟电路，TPS(40)，人机接口I2C(70)、输出和驱动接口(60)，完成多传感信号处理后的输出、该部分上接I/O口，下接TPS总线，总线可满足与多参量传感器的配接，完成多参数测试.
9.根据权利要求1所述的微波雷达水份传感器，其特征在于：作为水份变量的TPS接口(40)、见图10、11、12、13，其他检测传感器之一的TPS接口(41)——(49)，它们是系统检测的其他参量，如流量、速度、持气率、密度等。它们可以通过TPS接口(40)到微处理器(MCU)(50)汇合，遵守共同的协议，该协议是指微处理器(MCU)(50)与下部各参数测量总线(TPS)接口之间的数据交换约定，微处理器(MCU)(50)上位机发出的串行数据为不归零码，共11位，它包括一个起始位，8位数据一个奇偶校验位和一个停止位，见图10，在8位数据中，低四位为参量地址，最多可寻址16个参量，最高位为1，代表地址标志位，其余三位为零。在运行时，微处理器(MCU)(50)可以直接和其它各参量传感器并接在总线TPS(40)上，其它各参量传感器被编织址，见图11，当上位机对各参量寻址时，所发出的地址信号被所有并接的传感器(下位机)接收，而只有地址相同的那支传感器响应，响应后将回答两个数据，格式见图12、图13，TPS(40)接口总线上，数据的传输速率为11.45KBPS.
10.根据权利要求1所述的微波雷达水份传感器的驱动接口(60)，其特征在于：作为连接仪表和WTC之间的电缆上传输的信号协议是归偏曼彻斯特II码、是归零制的，见图14、图15，协议约定是：每一通道，共有20位数据，其中有占3位时间宽度的数据同步位、16数据位和1位奇偶校验，占时间3.5ms。一帧传10通道信息，占时40ms，如此循环重复，完成多参数测试。
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