CN115220370A - 一种基于fpga的溶液浓度实时监测系统 - Google Patents

一种基于fpga的溶液浓度实时监测系统 Download PDF

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肖夏
谷林硕
熊杰
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Tianjin University
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Tianjin University
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    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统。本发明基于工作模式为

Description

一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统。
背景技术
微波谐振腔是基于微波测量技术的一种传感器，具有品质因素高、损耗小、高稳定性等特点。微波谐振腔的原理主要是腔体微扰技术，即在测试样品时假设谐振腔在微小扰动前后的变化是近似相同的。当谐振腔满足微扰条件时，可以通过测试谐振腔的频率变化对待测物质的电磁参数（介电常数或磁导率）进行测试，实现待测物质特性参数与微波传感器的电学参数的统一。例如浓度和谐振频率的统一。因此，利用微波谐振腔可以实现对于溶液浓度的精确检测；
现阶段使用微扰法对溶液浓度进行检测主要是将微波谐振腔与矢量网络分析仪（VNA）连接，基于网络分析仪的介电频谱技术，通过直接检测不同浓度下溶液的介电常数，间接推算出与介电常数相对应的溶液浓度。它的优点是测量准确，迅速、快捷。但在实际的工程应用中，需要对被检测物质进行实时监测，同时由于测试成本以及测试环境的限制，可能无法使用矢量网络分析仪这样的大型仪器。所以构建小型化，低成本，可实时监测溶液浓度变化的系统就显得尤为必要；
本发明基于工作模式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的双端口圆柱形微波谐振腔结构，提出了一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统。
发明内容
本发明提出了一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统，该系统相比于传统使用矢量网络分析仪进行测量的方法，具有小型化，低成本，可实时监测溶液浓度变化的特点。
一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统，包括以下步骤：
（1）FPGA输出数字电压扫描信号至数模转换器DAC的输入端口，DAC经过数模转换，输出相应的模拟电压扫描信号至压控振荡器VCO。模拟电压变化范围为3V~5V。模拟电压信号控制VCO产生高频微波信号至谐振腔输入端口。微波信号的扫描频率范围3.43~3.60GHz。谐振腔内插入待测溶液管，其输出信号经过低噪音放大器放大后，送入检波器进行功率大小检测，并输出对应的模拟电压值。经ADC进行模数转换后，送入FPGA进行数据处理。
（2）FPGA主控部分包含DAC电压数据存储单元，DAC控制单元，ADC控制单元，数据存储单元和数据处理单元。
（3）DAC电压数据存储单元，用来存储DAC所要输出的模拟电压对应的16位数字电压值。
（4）DAC控制单元读取电压数据存储单元中的数字电压值，将DAC所需控制信号输出至DAC的信号输入端。
（5）ADC控制单元主要控制ADC读取输入模拟电压信号后转换为16位数字电压值后，最后存入数据存储单元。
（6）数据处理单元对采集到的数据进行平滑拟合处理，找到数据中的最大电压值对应的VCO的输出频率，即为所测溶液浓度值下谐振频率
Figure 809679DEST_PATH_IMAGE002
。
（7）溶液管中填充空气时，重复步骤1，可得到空腔时的谐振频率
Figure 933493DEST_PATH_IMAGE003
，由此求得谐振频率偏移量
Figure 483423DEST_PATH_IMAGE004
。通过微扰理论公式可得到溶液的介电常数
Figure 223846DEST_PATH_IMAGE005
，进而根据介电常数与浓度的关系推导出溶液浓度
Figure 517424DEST_PATH_IMAGE006
。
附图说明
图1基于FPGA的溶液浓度实时监测系统原理图
图2 FPGA主控部分示意图
图3 S21参数与输入微波频率的关系
具体实施方式
本发明基于微波微扰原理。对于工作模式为
Figure 29832DEST_PATH_IMAGE007
的谐振腔，忽略磁导率的变化，有公式
Figure 485084DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 712803DEST_PATH_IMAGE009
表示扰动引起的谐振频率的偏移量，
Figure 544493DEST_PATH_IMAGE010
表示空心管中物质介电常数的变化量，
Figure 174058DEST_PATH_IMAGE003
表示空腔谐振腔的谐振频率，
Figure 800211DEST_PATH_IMAGE011
表示空气的介电常数，
Figure 515226DEST_PATH_IMAGE012
表示空腔时的电场强度分布，
Figure 478503DEST_PATH_IMAGE013
表示管空心部分的体积，
Figure 634678DEST_PATH_IMAGE014
表示谐振腔内腔的体积。同时溶液在特定浓度
Figure 756699DEST_PATH_IMAGE006
下具有特定的介电常数
Figure 601420DEST_PATH_IMAGE005
，所以根据根据谐振频率的偏移量
Figure 633967DEST_PATH_IMAGE009
即可确定溶液的浓度
Figure 910228DEST_PATH_IMAGE006
。
以工作模式为
Figure 940501DEST_PATH_IMAGE007
的微波谐振腔和微波微扰理论为基础，设计了一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统，具体技术方案如下：
（1）基于FPGA的溶液浓度实时监测系统原理图如图1所示。FPGA输出数字电压扫描信号至数模转换器DAC的输入端口，DAC经过数模转换，输出相应的模拟电压扫描信号至压控振荡器VCO。模拟电压变化范围为3V~5V。模拟电压信号控制VCO产生高频微波信号至谐振腔输入端口。微波信号的扫描频率范围3.43~3.60GHz。谐振腔内插入待测溶液管，其输出信号经过低噪音放大器放大后，送入检波器进行功率大小检测，并输出对应的模拟电压值。经ADC进行模数转换后，送入FPGA进行数据处理。由于微波谐振腔处于谐振状态下时，输出端口输出功率最大，由此可判定腔体处于谐振状态时的谐振频率
Figure 364529DEST_PATH_IMAGE002
，进而推算出溶液的浓度值c。
（2）FPGA主控部分的组成如图2所示。包含DAC电压数据存储单元，DAC控制单元，ADC控制单元，数据存储单元和数据处理单元。
（3）DAC电压数据存储单元，主要存储DAC所要输出的模拟电压对应的16位数字电压值。数字电压变化范围3333~3FFF（16进制）。共3277个数据点。对应输出模拟电压范围为3V~5V。
（4）DAC控制单元与DAC电压数据存储单元相连接。依次读取DAC电压数据存储单元中的数字电压值，根据DAC所需输出时序要求，将时钟信号，数据有效使能信号，以及数字电压值逐位逐个输出至DAC的信号输入端。并循环扫描。
（5）ADC控制单元与数据存储单元相连接。主要控制ADC读取输入模拟电压信号，经由ADC内部硬件电路自动转换为16位数字电压值后，按照次序依次存入数据存储单元。
（6）数据处理单元和数据存储单元相连接。将数据存储单元中存储的3277个电压值进行平滑拟合处理，找到最大值电压值对应的VCO输出频率，即为所测溶液浓度值下对应的谐振频率
Figure 341712DEST_PATH_IMAGE002
。
（7）溶液管中填充空气时，重复步骤1，可得到空腔时的谐振频率
Figure 534796DEST_PATH_IMAGE003
，由此求得谐振频率偏移量
Figure 939233DEST_PATH_IMAGE004
。通过上述微扰理论公式可得到溶液的介电常数，进而根据介电常数与浓度的关系推导出溶液浓度
Figure 850557DEST_PATH_IMAGE006
。对于某一特定浓度下的溶液，其S21参数与输入微波频率的关系如图3所示，S21最大值对应的微波频率即为谐振频率
Figure 365852DEST_PATH_IMAGE002
。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统，系统的实现方法包括以下步骤：
（1）基于FPGA的溶液浓度实时监测系统原理如下：FPGA输出数字电压扫描信号至数模转换器DAC的输入端口，DAC经过数模转换，输出相应的模拟电压扫描信号至压控振荡器VCO；模拟电压变化范围为3V~5V；模拟电压信号控制VCO产生高频微波信号至谐振腔输入端口；微波信号的扫描频率范围3.43~3.60GHz；谐振腔内插入待测溶液管，其输出信号经过低噪音放大器放大后，送入检波器进行功率大小检测，并输出对应的模拟电压值；经ADC进行模数转换后，送入FPGA进行数据处理；由于微波谐振腔处于谐振状态下时，输出端口输出功率最大，由此可判定腔体处于谐振状态时的谐振频率
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，进而推算出溶液的浓度值c；
（2）FPGA主控部分的组成包含DAC电压数据存储单元，DAC控制单元，ADC控制单元，数据存储单元和数据处理单元；DAC电压数据存储单元，主要存储DAC所要输出的模拟电压对应的16位数字电压值；数字电压变化范围3333~3FFF（16进制）；共3277个数据点；对应输出模拟电压范围为3V~5V；DAC控制单元与DAC电压数据存储单元相连接；依次读取DAC电压数据存储单元中的数字电压值，根据DAC所需输出时序要求，将时钟信号，数据有效使能信号，以及数字电压值逐位逐个输出至DAC的信号输入端；并循环扫描；
（3）ADC控制单元与数据存储单元相连接；主要控制ADC读取输入模拟电压信号，经由ADC内部硬件电路自动转换为16位数字电压值后，按照次序依次存入数据存储单元；数据处理单元和数据存储单元相连接；将数据存储单元中存储的3277个电压值进行平滑拟合处理，找到最大值电压值对应的VCO输出频率，即为所测溶液浓度值下对应的谐振频率
Figure 375646DEST_PATH_IMAGE002
；
（4）溶液管中填充空气时，重复步骤1，可得到空腔时的谐振频率
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，由此求得谐振频率偏移量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；通过上述微扰理论公式可得到溶液的介电常数，进而根据介电常数与浓度的关系推导出溶液浓度
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
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