CN102645154A - 基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器，该传感器包括压控振荡器（101）、环形电桥（102）、微波检测器（103）和天线（104）；压控振荡器（101）的输出端与环形电桥（102）的第一端口（201）相连；天线（104）的输出端与环形电桥（102）的第四端口（204）相连；环形电桥（102）的第二端口（202）和第三端口（203）分别与微波检测器（103）的第一输入端和第二输入端相连。本发明还提供了一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测方法。本发明的能够实现功分电路的稳定性、可靠性、一致性，从而保证水膜厚度检测传感器的一致性、可重复性、可靠性和温度稳定性，同时降低成本和复杂度。

Description

基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

近年来，高速公路建设的规模十分巨大，因此大量公路路面的监测和维护日益重要。公路路面在实际的使用过程中，积水会对整个路面结构产生不利的影响，并极大的增大了交通事故的发生几率。水膜厚度检测传感器能够准确测量路面积水厚度，从而实现对公路路面的实时测量和预警，对于高速公路系统的信息化和智能化以及交通事故的预防预警有着十分重要的意义。目前水膜厚度测量传感器主要基于光学和微波的原理。光学传感器主要是应用光学特性，通过对光反射、折射、光谱等的变化来测量水膜厚度。微波传感器主要是利用微波特性，通过微波信号反射系数的变化来测量水膜厚度。微波传感器通过压控振荡器（VC0）产生微波信号，微波信号通过功分电路分成两路，一路输入到微波检测器的第一输入端，一路输入到天线端，信号反射后再送往微波检测器的第二输入端，通过比较第一输入端和第二输入端的信号幅度相位比实现水膜厚度的测量。目前基于微波反射原理的水膜厚度检测传感器的功分电路是分立电路，电路中的分立电感、电容、电阻元件具有不可避免的温度效应和精度差异，会导致功分电路的一致性、可靠性的劣化以及温度漂移效应的产生，从而影响水膜厚度的检测。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器及其检测方法，应用该结构的传感器可以消除由分立元件构成的功分电路对检测的影响，解决了传感器在一致性、可靠性、复杂性、温度稳定性和生产成本等诸多方面的问题，从而为实现基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器在路面传感器系统中的产业化应用提供了支持和保证。

技术方案： 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器，该传感器包括压控振荡器、环形电桥、微波检测器和天线；

压控振荡器的输出端与环形电桥的第一端口相连；天线的输出端与环形电桥的第四端口相连；环形电桥的第二端口和第三端口分别与微波检测器的第一输入端和第二输入端相连；

压控振荡器用于产生微波信号，传送给环形电桥；

环形电桥根据功分比将该微波信号分为第一微波信号和第二微波信号两路，第一微波信号传输给微波检测器第一输入端，第二微波信号传输给天线；环形电桥同时还接收天线的反射信号，并将反射信号再次进行分配，其中一部分反射信号被输入到微波检测器第二输入端；

天线用于发射第二微波信号，并接收反射信号给环形电桥，

微波检测器，用于将第一微波信号与经过天线接收的反射信号进行幅度相位差的比较，实现水膜厚度检测的功能。

优选的，环形电桥包括微带线、微带介质基片和接地板，微带线和接地板分别位于微波介质基片的两个相对的表面，

环形电桥有四个端口，第一端口连接压控振荡器，第二端口和第三端口连接微波检测器，第四端口连接到天线馈电中。

本发明还提供了一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测方法，该方法包括如下步骤：压控振荡器产生微波信号，传送给环形电桥；环形电桥根据功分比将该微波信号分为第一微波信号和第二微波信号两路，第一微波信号传输给微波检测器，第二微波信号传输给天线；环形电桥同时还接收天线的反射信号，并将反射信号再次进行分配，其中一部分反射信号被输入到微波检测器；微波检测器将第一微波信号与经过天线接收的反射信号进行幅度相位差检测，实现水膜厚度检测的功能。

有益效果：水膜厚度检测传感器在检测过程中受到由分立元件构成的功分电路温漂效应的影响，导致了传感器温度稳定性、一致性、重复性和可靠性的严重劣化。本发明中的基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器，采用全微带传输线的环形电桥结构，解决了分立元件的温漂效应，具有良好的温度稳定性，使得水膜厚度检测传感器的灵敏度、复杂性、可靠性和一致性都有了较大的改善。

附图说明

图1是基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器示意图。

压控振荡器101、环形电桥102、天线104和微波检测器103

图2是环形电桥结构示意图。

    图中1是微带线，2是介质基片，3是接地板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1－2，本发明提供的基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器包括压控振荡器101、环形电桥102、微波检测器103和天线104；

压控振荡器101的输出端与环形电桥102的第一端口201相连；天线104的输出端与环形电桥102的第四端口204相连；环形电桥102的第二端口202和第三端口203分别与微波检测器103的第一输入端和第二输入端相连；

压控振荡器101用于产生微波信号，传送给环形电桥102；

环形电桥102根据功分比将该微波信号分为第一微波信号和第二微波信号两路，第一微波信号传输给微波检测器103第一输入端，第二微波信号传输给天线104；环形电桥102同时还接收天线104的反射信号，并将反射信号再次进行分配，其中一部分反射信号被输入到微波检测器103第二输入端；

天线104用于发射第二微波信号，并接收反射信号给环形电桥102，

微波检测器103，用于将第一微波信号与经过天线104接收的反射信号进行幅度相位差的比较，实现水膜厚度检测的功能。

环形电桥102包括微带线、微带介质基片和接地板，微带线和接地板分别位于微波介质基片的两个相对的表面，

环形电桥102有四个端口，第一端口201连接压控振荡器101，第二端口202和第三端口203连接微波检测器103，第四端口204连接到天线104馈电中。

本发明还提供了基于环形电桥结构的水膜厚度检测方法，该方法包括如下步骤：压控振荡器101产生微波信号，传送给环形电桥102；环形电桥102根据功分比将该微波信号分为第一微波信号和第二微波信号两路，第一微波信号传输给微波检测器103，第二微波信号传输给天线104；环形电桥102同时还接收天线104的反射信号，并将反射信号再次进行分配，其中一部分反射信号被输入到微波检测器103；微波检测器103将第一微波信号与经过天线104接收的反射信号进行幅度相位差检测，实现水膜厚度检测的功能。

 

本发明的目的在于克服现有水膜厚度检测传感器中的功分电路缺点，提供一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器。本发明的水膜厚度检测传感器包括压控振荡器101、环形电桥102、天线104和微波检测器103。压控振荡器101用于产生微波信号，并将微波信号输入到环形电桥102的一个端口，微波信号经环形电桥102进行信号的分配后，一部分微波信号被输入到微波检测器103的第一输入端，另一部分微波信号被输入到天线104，由于天线104感应到的不同水膜厚度的等效阻抗不同，因此该部分微波信号的反射系数会随着水膜厚度的不同而改变，被反射的微波信号再次经过环形电桥进行分配，其中一部分微波信号被输入到微波检测器103的第二输入端并与微波检测器103第一输入端的输入信号进行幅度相位差的比较，从而检测出水膜厚度值。

应用本发明中的基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器可以实现水膜厚度检测模块在路面传感器系统中的产业化应用，进而推动整个路面传感器系统产业的发展。

本发明中的基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器采用微波反射的原理，但是利用环形电桥结构而非分立元件构成的功分电路实现四个端口微波信号的分配和比较，最终实现水膜厚度的检测。相比而言，基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器具有以下主要特点：一、采用全微带传输线构成的环形结构，可以在不使用任何分立元件的情况下获得精确的分配比和高的隔离度，并极大的减小了电路的体积和复杂性，具有良好的一致性和可靠性；二、环形电桥结构中没有电感、电容、电阻等易受到温度、湿度等影响的器件，因此相对而言具有良好的温度稳定性；三、微带技术具有体积小，重量轻，成本低和频带宽等优点，性能优异。

基于以上特点，很明显的可以看出本发明与由分立元件构成的水膜厚度检测传感器相比具有高性能、高可靠性、良好一致性、优异温度稳定性、低成本等优点，因此，基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。

本发明的全微带传输线结构能够实现功分电路的稳定性、可靠性、一致性，从而保证水膜厚度检测传感器的一致性、可重复性、可靠性和温度稳定性，同时降低成本和复杂度。

本发明的基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器不同于以往的水膜厚度检测传感器，利用微带环形代替分立元件组成的功分电路。

图1所示为本发明的基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器的结构图。如图所示，该水膜厚度检测传感器包括压控振荡器101、环形电桥102、微波检测器103及天线104。

压控振荡器101，用于产生微波信号，并向环形电桥102提供微波信号。环形电桥102，用于将压控振荡器101提供的微波信号按一定的比例分成两路，一路传输给微波检测器103，作为入射波信号；一路传输给天线104，同时将天线104接收到的微波反射信号传输给微波检测器的103。微波检测器103，通过检测从环形电桥102传输过来的两路信号的幅度和相位差，输出相应的电压信号。天线104，将环形电桥102传输的微波信号发送到水膜，同时接收相应的反射微波信号，并将微波信号通过环形电桥102传输给微波检测器103中。

微带环形电桥102包括微带线、微带介质基片和接地板，微带线通过印刷电路板技术加工在微波介质基片的一面，另一面接地。微带线连接成环形，并且有四个端口，第一端口201连接压控振荡器101，第二端口 202和第三端口 203连接微波检测器103，第四端口204连接到天线104馈电中，各段微带线的特性阻抗、电长度和宽度由环形电桥102的输出功率比确定。理论上讲可以实现任意功分比。从端口1输入时，端口2和端口4输出电压同相，其相对幅度比为

式中：

为各端口的反射波

,

为环中微带线段的归一化特性导纳

同时为了满足匹配的要求，需满足：

通过以上公式结合计算机辅助工具来确定微带线的特征阻抗和电长度，从而设计实际的环形电桥。

    将压控振荡器、微波检测器和环形电桥集成到一个电路中，并通过通孔馈电给天线即构成水膜厚度检测传感器。

    本发明在不使用分立元件的情况下，使用环形电桥结构获得了良好的分配比和隔离性能，并且驻波比小，功率损耗小。与传统的功分电路不同，可以通过改变微带线的特性阻抗和宽度等参数实现不同的功分比。

    本发明中的基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器采用环形电桥结构实现四个端口微波信号的分配和比较，最终实现水膜厚度的检测。相比而言，基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器具有以下主要特点：一、采用全微带传输线构成的环形结构，可以在不使用任何分立元件的情况下获得精确的分配比和高的隔离度，并极大的减小了电路的体积和复杂性，具有良好的一致性和可靠性；二、环形电桥结构中没有电感、电容、电阻等易受到温度、湿度等影响的器件，因此相对而言具有良好的温度稳定性；三、微带技术具有体积小，重量轻，成本低和频带宽等优点，性能优异。

区分是否为该传感器的标准如下：

（a）采用环形电桥进行微波信号的分配，

（b）采用感应水膜厚度阻抗变化实现检测的方法。

满足以上两个标准的结构即应视为该基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器的结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1. 一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器，其特征在于：该传感器包括压控振荡器（101）、环形电桥（102）、微波检测器（103）和天线（104）；

压控振荡器（101）的输出端与环形电桥（102）的第一端口（201）相连；天线（104）的输出端与环形电桥（102）的第四端口（204）相连；环形电桥（102）的第二端口（202）和第三端口（203）分别与微波检测器（103）的第一输入端和第二输入端相连；

压控振荡器（101）用于产生微波信号，传送给环形电桥（102）；

环形电桥（102）根据功分比将该微波信号分为第一微波信号和第二微波信号两路，第一微波信号传输给微波检测器（103）第一输入端，第二微波信号传输给天线（104）；环形电桥（102）同时还接收天线（104）的反射信号，并将反射信号再次进行分配，其中一部分反射信号被输入到微波检测器（103）第二输入端；

天线（104）用于发射第二微波信号，并接收反射信号给环形电桥（102），

微波检测器（103），用于将第一微波信号与经过天线（104）接收的反射信号进行幅度相位差的比较，实现水膜厚度检测的功能。

2. 根据权利要求1所述的基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器，其特征在于：环形电桥（102）包括微带线、微带介质基片和接地板，微带线和接地板分别位于微波介质基片的两个相对的表面，

环形电桥（102）有四个端口，第一端口（201）连接压控振荡器（101），第二端口（202）和第三端口（203）连接微波检测器（103），第四端口（204）连接到天线（104）馈电中。

3. 一种基于环形电桥结构的水膜厚度检测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：压控振荡器（101）产生微波信号，传送给环形电桥（102）；环形电桥（102）根据功分比将该微波信号分为第一微波信号和第二微波信号两路，第一微波信号传输给微波检测器（103），第二微波信号传输给天线（104）；环形电桥（102）同时还接收天线（104）的反射信号，并将反射信号再次进行分配，其中一部分反射信号被输入到微波检测器（103）；微波检测器（103）将第一微波信号与经过天线（104）接收的反射信号进行幅度相位差检测，实现水膜厚度检测的功能。

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