CN116754582A - 一种应用于溶液浓度检测系统的数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于溶液浓度检测系统的数据处理方法。本发明以实际搭建的基于FPGA的溶液浓度检测系统为技术背景。该溶液浓度检测系统使用TM 010模式的双端口圆柱形微波谐振腔作为测量传感器，以FPGA为控制核心。其数据处理部分包含数据存储单元，数据平滑单元和数据显示单元。其中数据显示单元包含LCD显示单元和数码管显示单元两部分。对具体实现方法进行了阐述，该方法可以实现对溶液浓度检测系统的数据处理及数据显示。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种应用于溶液浓度检测系统的数据处理方法。
背景技术
微波微扰法测量技术具有抗干扰能力强、可实时测量、可用于无损检测、信号稳定性强以及可进行非接触测量的特点。微波微扰法测量技术的本质是利用微波信号与被测样品之间的相互作用，得到样品的某些特性。通过对传感器电磁特性参数的测量，建立输入信号与折射信号、反射信号或者散射信号的速度与相位等特性的相互关系，并与被测样品参数建立联系。微波谐振器可以进行非接触式测量，避免对待测物质产生影响。微波谐振器还具有精确度高、损耗小、频率选择性好、检测速度快以及方便操作等特性，因此该技术在溶液浓检测领域具有很高的研究和应用价值。
本发明以实际搭建的基于FPGA的溶液浓度检测系统为技术背景。该系统以微波微扰法为基础，分析解决了该理论在用于测量不同介电常数样品时的问题。并利用有限元方法优化谐振器的结构参数，制作出黄铜材质的双端口微波谐振腔，该双端口圆柱形微波谐振腔工作模式为TM 010，基于以上研究背景，提出了一种应用于溶液浓度检测系统的数据处理方法。
发明内容
本发明提出了一种数据处理方法，该方法应用于以FPGA为核心的水溶液浓度检测系统之中，该系统使用TM 010模式的双端口圆柱形微波谐振腔作为测量传感器。
一种应用于溶液浓度检测系统的数据处理方法，包括以下步骤：
（1）对数据进行处理时，一般需要对数据的确定成分和误差成分进行分析，以减少数据整体的不确定性。本系统所采集的数据均为随机点数据，首先减少其中的不确定性起伏。
（2）如果有N个非稳态数据值，可以看做每m个数据在个相邻数据的小区间内是接近平稳的，相邻数据的均值接近于相等的常量。于是可取每m个相邻数据的平均值来表示该m个数据中中间数据的取值，并视为消除了噪音信号，误差因平均作用而减小，此时的数据称为平滑后数据。
（3）数据显示部分主要功能是用来实时显示处理后的原始数据波形以及相对谐振点。数据显示部分有两个单元，一部分是LCD显示单元，另一部分是数码管显示单元。
（4）LCD显示单元用于实时显示谐振腔输出波形。
（5）数码管实现实时显示谐振腔谐振点的功能。6个数码管按照十进制计数原则进行显示，最高位表示100 kHz，上电时6个数码管置为0。
（6）使用3个机械按键控制数码管显示单元的显示功能。按键1为复位按键，按键2为数据存储按键。按键3显示待测样品溶液的谐振频点与基准频点的频率差值。
附图说明
图1 FPGA主控单元算法结构示意图
图2 LCD波形显示
图3 （a）数码管显示蒸馏水谐振点位置（b）样品溶液谐振点位置（c）样品溶液相对于基准频点的频率偏移量
具体实施方式
溶液浓度检测系统以FPGA为控制核心，如图1所示。其数据处理部分包含数据存储单元，数据平滑单元和数据显示单元。其中数据显示单元包含LCD显示单元和数码管显示单元两部分。相邻微波频点之间的频率间隔为4046 Hz，即电路系统的频率分辨率为4046 Hz。
（1）动态测试数据由确定性成分/>和误差成分/>组成，且确定性成分为有效信号，是随机起伏的测试误差或者噪声，即/>，采样后，可将测得的数据记为/>为减弱随机误差和噪声/>，需要对采集的初始点数据值做滤波处理，去除不规律波动。具体是将非稳态数据/>，在设定的数据长度上看做接近平稳的，随后在此长度上做局部平均，以减少/>所造成的随机波动。在长度为的等长小区间上对数据窗口进行移动，不断进行局部平均，得出平滑的滤波结果/>。
（2）如果有N个非稳态数据值，可以看做每个数据在m个相邻数据的小区间内是接近平稳的，相邻数据的均值接近于相等的常量。于是可取每m个相邻数据的平均值来表示该m个数据中中间数据的取值，并将其视为消除了噪音信号，平滑后的测量结果/>为
其中，，由公式（1-1）得到的结果，误差因平均作用而减小，此时的数据称为平滑后数据。这种动态测试数据的平滑滤波方法，称滑动平均法。进行滑动平均后，可滤除数据中的频繁随机起伏，平滑整体数据。
（3）数据平滑单元的具体实现方法为，首先在RAM中存储4000个原始波形的点数据值，将滑动窗口设置为13个点数据。即取N=4000、n=13。然后对13个原始数据值加和后取均值。进行多次平滑后，取平滑后数据的最大值点作为最终谐振点。
（4）LCD显示单元用来实时显示谐振腔输出波形。LCD显示单元显示的波形如图2所示，可以明显看到所显示波形具有峰值点。
（5）数码管实现实时显示谐振腔谐振点的功能。6个数码管按照十进制计数原则进行显示，最高位表示100 kHz，上电时6个数码管置为0。使用3个机械按键控制数码管显示单元的显示功能。具体来讲，按键1为复位按键，复位时数码管实时显示当前波形的谐振点在划分的4000个离散点中的位置。按键2为数据存储按键。当样品溶液为蒸馏水时的谐振点位置为基准频点位置，需按下此键进行记录，图3（a）即为样品溶液为蒸馏水时的基准频点位置，表示此时所测试的蒸馏水的谐振点位置在第1594个点的位置处。图3（b）为10 mg/dl的样品溶液所对应的谐振频点位置。按下按键3显示待测样品溶液的谐振频点与基准频点的频率差值，此时数码管显示待测样品溶液相对于蒸馏水的谐振频率偏移量为 (1617-1594)×4046=93058 Hz，如图3（c）所示。
Claims (1)
1.一种应用于溶液浓度检测系统的数据处理方法，包括以下步骤：
溶液浓度检测系统以FPGA为控制核心，如图1所示，其数据处理部分包含数据存储单元，数据平滑单元和数据显示单元，其中数据显示单元包含LCD显示单元和数码管显示单元两部分，相邻微波频点之间的频率间隔为4046 Hz，即电路系统的频率分辨率为4046 Hz；（1）动态测试数据由确定性成分/>和误差成分/>组成，且确定性成分为有效信号，是随机起伏的测试误差或者噪声，即/>，采样后，可将测得的数据记为，为减弱随机误差和噪声/>，需要对采集的初始点数据值做滤波处理，去除不规律波动，具体是将非稳态数据/>，在设定的数据长度上看做接近平稳的，随后在此长度上做局部平均，以减少/>所造成的随机波动，在长度为N的等长小区间上对数据窗口进行移动，不断进行局部平均，得出平滑的滤波结果/>；（2）如果有N个非稳态数据值/>，可以看做每个数据在m个相邻数据的小区间内是接近平稳的，相邻数据的均值接近于相等的常量，于是可取每m个相邻数据的平均值来表示该m个数据中中间数据的取值，并将其视为消除了噪音信号，平滑后的测量结果/>为
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