多频谱微波水分析仪及其采样信号处理电路的制作方法

1.本技术涉及水分含量测量技术领域，特别是涉及一种多频谱微波水分析仪及其采样信号处理电路。


背景技术：

2.众所周知，为提高生产效率和产品质量，粮食、矿石、化工、食品等生产线上的物料，常需进行水分检测。而微波水分测量技术，作为一种新型的水分检测方法，可以实现被测物料表面和内部的水分检测，被广泛应用到各行各业。
3.传统的多频谱微波水分析仪采样信号处理电路，接收微波检测信号的回波信号并发送至主控制器。由于物料中的水分子是极性分子，会吸收微波，产生键脚振动，将电磁能转化为热能，因此产生了微波相位的差别和振幅的衰减，主控制器根据回波信号，可以得到微波相位和振幅的变化，进而确定被测物料的水分检测结果。由于被测物料的水含量并不确定，而水含量的多少将直接决定回波信号的参数，因此，不同回波信号的参数差异较大。传统的频谱微波水分析仪采样信号处理电路，对回波信号进行无差别传输，而后端主控制器，面对参数差异跨度大的回波信号，在既定工作模式下，难以确保水分析结果的精度。
4.因此，传统的多频谱微波水分析仪，具有检测结果精度低的缺点。


技术实现要素：

5.基于此，有必要提供一种检测结果精度高的多频谱微波水分析仪及其采样信号处理电路。
6.一种多频谱微波水分析仪采样信号处理电路，包括：
7.接收微波检测信号的回波信号，并将所述回波信号传输至放大电路的信号接收电路；所述微波检测信号由微波信号发射电路生成并发射至被测物料；所述回波信号由所述微波检测信号透过所述被测物料后得到；
8.输出所述回波信号对应的初始反馈信号至反馈电路，以及对所述回波信号进行放大处理后，输出回波放大信号至模数转换电路的所述放大电路；
9.对所述初始反馈信号进行处理后，输出反馈信号至主控制器的所述反馈电路；
10.对所述回波放大信号进行模数转换后，输出回波数字信号至所述主控制器的所述模数转换电路；
11.所述放大电路连接所述信号接收电路、所述模数转换电路和所述反馈电路；所述模数转换电路和所述反馈电路连接所述主控制器。
12.在其中一个实施例中，所述信号接收电路包括第一接收模块、第二接收模块和传输模块；所述传输模块连接所述第一接收模块、所述第二接收模块和所述放大电路。
13.在其中一个实施例中，所述第一接收模块包括第一输入滤波单元、第一接收单元和第一输出滤波单元；所述第一接收单元连接所述第一输入滤波单元和所述第一输出滤波单元，所述第一输出滤波单元连接所述传输模块；
14.所述第二接收模块包括第二输入滤波单元、第二接收单元和第二输出滤波单元；所述第二接收单元连接所述第二输入滤波单元和所述第二输出滤波单元，所述第二输出滤波单元连接所述传输模块。
15.在其中一个实施例中，所述第一输入滤波单元包括端口j1、电容c1、电阻r1、电阻r2和电阻r3；所述第一接收单元包括射频放大器p1、电阻r4、保护电阻r5、电阻r6、电容c2、电容c3和电容c4；所述第一输出滤波单元包括电容c5、电阻r7、电阻r8和电阻r9；所述回波信号经由端口j1到达所述第一输入滤波单元；
16.所述电容c1和所述电阻r2串联，形成的公共端通过所述电阻r3接地；所述电阻r2的另一端通过所述电阻r1接地，并连接所述端口j1；所述电容c1的另一端连接所述射频放大器p1的输入端；所述射频放大器p1的供电端通过所述电阻r6连接电源，并通过所述电容c2接地；
17.所述保护电阻r5与所述电阻r4串联；所述保护电阻r5的另一端连接所述电源，并通过所述电容c3接地，所述电容c4与所述电容c3并联；所述电阻r4的另一端连接所述射频放大器p1的输出端；
18.所述电容c5和所述电阻r8串联，形成的公共端通过所述电阻r7接地；所述电容c5的另一端连接所述射频放大器p1的输出端；所述电阻r8的另一端通过所述电阻r9接地；所述电阻r8的另一端还连接所述传输模块。
19.在其中一个实施例中，所述放大电路包括滤波模块、一级放大模块和二级放大模块；所述滤波模块连接所述信号接收电路和所述一级放大模块；所述二级放大模块连接所述一级放大模块、所述模数转换电路和所述反馈电路。
20.在其中一个实施例中，所述一级放大模块包括电阻r19、电阻r20、电阻r2电阻r22、电阻r23、电容c12、电容c13、电容c14和运算放大器a1；
21.所述运算放大器a1的同相输入端通过所述电阻r20接地；所述电阻r19和所述电阻r23串联，形成的公共端连接所述滤波模块；所述电阻r19的另一端连接所述运算放大器a1的反相输入端，所述电阻r23的另一端连接所述运算放大器a1的输出端；所述电容c14和所述电阻r23并联；
22.所述运算放大器a1的正电源端通过所述电阻r21连接电源正极，并通过所述电容c12接地；所述运算放大器a1的负电源端通过所述电阻r22连接电源负极，并通过所述电容c13接地；所述运算放大器a1的输出端连接所述二级放大模块。
23.在其中一个实施例中，所述二级放大模块包括电阻r24、电阻r25、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电容c15、电容c16、电容c17和运算放大器a2；
24.所述运算放大器a2的同相输入端接地；所述电阻r24和所述电阻r25串联，形成的公共端通过所述电阻r28连接所述运算放大器a2的输出端；所述电容c17和所述电阻r28并联；所述电阻r24的另一端连接所述一级放大模块；所述电阻r25的另一端连接所述运算放大器a2的反相输入端；
25.所述运算放大器a2的正电源端通过所述电阻r26连接电源正极，并通过所述电容c15接地；所述运算放大器a2的负电源端通过所述电阻r27连接电源负极，并通过所述电容c16接地；所述运算放大器a2的输出端连接所述模数转换电路和所述反馈电路。
26.在其中一个实施例中，所述模数转换电路包括模数转换模块和整形模块；所述模
数转换模块连接所述放大电路和所述整形模块；所述整形模块连接所述主控制器。
27.在其中一个实施例中，所述反馈电路包括电阻r29、电阻r30和电阻r31；
28.所述电阻r29与所述电阻r31串联，所述电阻r29的另一端连接所述放大电路，所述电阻r31的另一端连接所述主控制器；所述电阻r30与所述电阻r29并联。
29.一种多频谱微波水分析仪，包括微波信号发射电路、主控制器和如上述的多频谱微波水分析仪采样信号处理电路，所述主控制器连接所述多频谱微波水分析仪采样信号处理电路和所述微波信号发射电路。
30.上述多频谱微波水分析仪及其采样信号处理电路，配置反馈电路向主控制器输出回波信号对应的反馈信号，主控制器可以根据反馈信号适应性调整自身的工作模式，以匹配对应回波信号的检测需求，有利于提高水分析结果的精度。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为一实施例中多频谱微波水分析仪采样信号处理电路的组成框图；
33.图2为一实施例中信号接收电路的结构示意图；
34.图3为一实施例中放大电路和反馈电路的结构示意图；
35.图4为一实施例中模数转换电路的结构示意图；
36.图5为一实施例中多频谱微波水分析仪的组成框图。
具体实施方式
37.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
38.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
39.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
40.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
41.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
42.在一个实施例中，提供了一种多频谱微波水分析仪采样信号处理电路，如图1所示，该采样信号处理电路包括信号接收电路100、放大电路200、模数转换电路300和反馈电路400。放大电路200连接信号接收电路100、模数转换电路300和反馈电路400；模数转换电路300和反馈电路400连接主控制器。
43.其中，放大电路200是包含运算放大器或三极管，可以实现放大功能的电路；模数转换电路300是包含模数转换芯片或转换器，可以将模拟信号转换成数字信号的电路。具体的，信号接收电路100接收微波检测信号的回波信号，并将回波信号传输至放大电路200；微波检测信号由微波信号发射电路生成并发射至被测物料；回波信号由微波检测信号透过被测物料后得到。一方面，放大电路200输出回波信号对应的初始反馈信号至反馈电路400，由反馈电路400对初始反馈信号进行处理后，输出反馈信号至主控制器。这样，主控制器就可以根据反馈信号适应性调整自身的工作模式，以匹配对应回波信号的检测需求。另一方面，放大电路200对回波信号进行放大处理后，输出回波放大信号至模数转换电路300，由模数转换电路300对回波放大信号进行模数转换后，输出回波数字信号至主控制器。最后由主控制器在对应工作模式下进行水含量分析，得到被测物料的水含量检测结果并输出。
44.进一步的，初始反馈信号的输出时机并不唯一。例如，放大电路200可以在对回波信号进行放大处理前、行放大处理后或者在进行放大处理的同时向反馈电路400输出初始反馈信号。
45.上述多频谱微波水分析仪及其采样信号处理电路，一方面，配置放大电路200和模数转换电路300，对回波信号进行放大和模数转换后传输至主控制器，可以提高信号强度，便于主控制器进行后续处理；另一方面，配置反馈电路400向主控制器输出回波信号对应的反馈信号，主控制器可以根据反馈信号适应性调整自身的工作模式，以匹配对应回波信号的检测需求，有利于提高水分析结果的精度。
46.在一个实施例中，如图2所示，信号接收电路100包括第一接收模块110、第二接收模块120和传输模块130；传输模块130连接第一接收模块110、第二接收模块120和放大电路200。
47.其中，第一接收模块110和第二接收模块120分别用于接收高频微波回波信号和低频微波回波信号。具体可以由第一接收模块110接收高频微波回波信号，第二接收模块120接收低频微波回波信号；也可以由第一接收模块110接收低频微波回波信号，第二接收模块120接收高频微波回波信号。以频率为1ghz-5ghz的微波检测信号为例。第一接收模块110和第二接收模块120分别用于接收3ghz-5ghz的高频微波回波信号和1ghz-3ghz的低频微波回波信号。进一步的，第一接收模块110和第二接收模块120可以分别连接接收天线，通过接收天线实现回波信号的接收。传输模块130用于将高频微波回波信号和低频微波回波信号进行汇总后，传输至主控制器。
48.在一个实施例中，请继续参考图2，传输模块130为基带b1。其中，基带b1的第一输入端和第二输入端分别连接第一接收模块110和第二接收模块120。基带12的输出端通过端口j3连接主控制器。
49.在一个实施例中，请继续参考图2，第一接收模块110包括第一输入滤波单元111、第一接收单元112和第一输出滤波单元113；第一接收单元112连接第一输入滤波单元111和第一输出滤波单元113，第一输出滤波单元113连接传输模块130。第二接收模块120包括第
二输入滤波单元121、第二接收单元122和第二输出滤波单元123；第二接收单元122连接第二输入滤波单元121和第二输出滤波单元123，第二输出滤波单元123连接传输模块130。
50.其中，第一输入滤波单元111包括端口j1、电容c1、电阻r1、电阻r2和电阻r3；第一接收单元112包括射频放大器p1、电阻r4、保护电阻r5、电阻r6、电容c2、电容c3和电容c4；第一输出滤波单元113包括电容c5、电阻r7、电阻r8和电阻r9。
51.具体的，回波信号经由端口j1到达第一输入滤波单元111。电容c1和电阻r2串联，形成的公共端通过电阻r3接地；电阻r2的另一端通过电阻r1接地，并连接端口j1；电容c1的另一端连接射频放大器p1的输入端。射频放大器p1的供电端通过电阻r6连接电源，并通过电容c2接地。保护电阻r5与电阻r4串联；保护电阻r5的另一端连接电源，并通过电容c3接地；电容c4与电容c3并联。电阻r4的另一端连接射频放大器p1的输出端。电容c5和电阻r8串联，形成的公共端通过电阻r7接地；电容c5的另一端连接射频放大器p1的输出端；电阻r8的另一端通过电阻r9接地。电阻r8的另一端还连接传输模块130，具体连接传输模块130中基带b1的第一输入端。
52.进一步的，第二输入滤波单元121包括端口j2、电容c6、电阻r10、电阻r11和电阻r12；第二接收单元122包括射频放大器p2、电阻r13、保护电阻r15、电阻r14、电容c7、电容c8和电容c9；第二输出滤波单元123包括电容c10、电阻r16、电阻r17和电阻r18。
53.具体的，回波信号经由端口j2到达第二输入滤波单元121。电容c6和电阻r11串联，形成的公共端通过电阻r12接地；电阻r11的另一端通过电阻r10接地，并连接端口j2；电容c6的另一端连接射频放大器p2的输入端。射频放大器p2的供电端通过电阻r13连接电源，并通过电容c7接地。保护电阻r15与电阻r14串联；保护电阻r15的另一端连接电源，并通过电容c8接地；电容c9与电容c8并联。电阻r14的另一端连接射频放大器p2的输出端。电容c10和电阻r17串联，形成的公共端通过电阻r16接地；电容c10的另一端连接射频放大器p2的输出端；电阻r17的另一端通过电阻r18接地。电阻r17的另一端还连接传输模块130，具体连接传输模块130中基带b1的第二输入端。
54.上述实施例中，即是给出了信号接收电路100的具体电路构成，通过设置不同的接收模块分别接收不同频段的回波信号，有利于提高接收灵敏度，进而提高水分析仪的采样灵敏度。
55.如上文所述，初始反馈信号的输出时机并不唯一。在一个实施例中，放大电路200在对回波信号进行放大处理后输出初始反馈信号。如图3所示，放大电路200包括滤波模块210、一级放大模块220和二级放大模块230；滤波模块210连接信号接收电路100和一级放大模块220；二级放大模块230连接一级放大模块220、模数转换电路300和反馈电路400。
56.其中，滤波模块210可以是包含滤波器或滤波电容，能隔离回波信号中的直流分量的电路模块。例如图3中，滤波模块210为电容c11。滤波模块210具体通过端口j3连接信号接收电路100中基带b1的输出端。
57.具体的，信号接收电路100传输的回波信号，经过滤波模块210进行滤波处理后，依次由一级放大模块220和二级放大模块230进行放大处理后，得到回波放大信号。该回波放大信号，被直接传输至模数转换电路300进行模数转换，用于后端主控制器进行水含量分析。二级放大模块230还向反馈电路400发送回波放大信号对应的初始反馈信号，由反馈电路400输出反馈信号至主控制器，便于主控制器在进行水含量分析之前完成工作参数调整。
本实施例中，即是在对回波信号进行二级放大后输出初始反馈信号。可以理解，在其他实施例中，也可以在对回波信号进行一级放大前或一级放大后，即在一级放大模块220的输入端或输出端向反馈电路400输出初始反馈信号。
58.进一步的，在一个实施例中，请继续参考图3，一级放大模块220包括电阻r19、电阻r20、电阻r21、电阻r22、电阻r23、电容c12、电容c13、电容c14和运算放大器a1。运算放大器a1的同相输入端通过电阻r20接地；电阻r19和电阻r23串联，形成的公共端连接滤波模块210；电阻r19的另一端连接运算放大器a1的反相输入端，电阻r23的另一端连接运算放大器a1的输出端；电容c14和电阻r23并联。运算放大器a1的正电源端通过电阻r21连接电源正极，并通过电容c12接地；运算放大器a1的负电源端通过电阻r22连接电源负极，并通过电容c13接地。运算放大器a1的输出端连接二级放大模块230。
59.此外，还可以在一级放大模块220的输入端设置场效应管，以确保一级放大模块220的阻抗匹配。具体的，该场效应管的第一端接地，第二端连接一级放大模块220的输入端，具体连接运算放大器a1的同相输入端。
60.在一个实施例中，请继续参考图3，二级放大模块230包括电阻r24、电阻r25、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电容c15、电容c16、电容c17和运算放大器a2。运算放大器a2的同相输入端接地；电阻r24和电阻r25串联，形成的公共端通过电阻r28连接运算放大器a2的输出端；电容c17和电阻r28并联。电阻r24的另一端连接一级放大模块220，具体连接运算放大器a1的输出端。电阻r25的另一端所述运算放大器a2的反相输入端。运算放大器a2的正电源端通过电阻r26连接电源正极，并通过电容c15接地；运算放大器a2的负电源端通过电阻r27连接电源负极，并通过电容c16接地。运算放大器a2的输出端连接模数转换电路300和反馈电路400。
61.上述实施例中，即是给出了放大电路200的具体电路构成，对回波信号进行两级放大，可以提高送入主控制器的信号强度，进而提升后端主控制器的水含量分析工作效率。
62.在一个实施例中，请继续参考图3，反馈电路400包括电阻r29、电阻r30和电阻r31；电阻r29与电阻r31串联，电阻r29的另一端连接放大电路200，电阻r31的另一端连接主控制器；电阻r30与电阻r29并联。其中，电阻r29的另一端具体连接放大电路200中二级放大模块230的输出端，即运算放大器a2的输出端。具体的，通过设置电阻分压，可以降低反馈信号的电压大小，避免因电压过大而造成后端电路的损伤，提升使用安全性。
63.在一个实施例中，如图4所示，模数转换电路300包括模数转换模块310和整形模块320；模数转换模块310连接放大电路200和整形模块320；整形模块320连接主控制器。
64.其中，模数转换模块310具体连接放大电路200中二级放大模块230的输出端，即运算放大器a2的输出端。在一个实施例中，请继续参考图4，模数转换模块310包括转换芯片u1及其外围电路，整形模块320包括整形芯片u2及其外围电路。转换芯片u1的输入端(即引脚3)通过电阻r32连接放大电路200，输出端(即引脚12和13)连接整形芯片u2的输入端，整形芯片u2的输出端通过端口j6连接主控制器。转换芯片u1和整形芯片u2的供电端分别通过电容c18和电容c21连接电源。转换芯片u1的引脚4和5通过电容c20接地，引脚6通过电容c19接地。进一步的，该整形芯片u2可以是型号为74ac132的芯片。
65.具体的，放大电路200输出的回波放大信号，依次通过模数转换模块310进行模数转换，通过整形模块320进行脉冲整形后，输出回波数字信号至主控制器。
66.需要说明的是，上文中涉及的各电容，可以是极性电容，也可以是非极性电容。例如，电容c4、电容c9、电容c12、电容c13、电容c15、电容c16、电容c18和电容c20为极性电容，且各极性电容的正极连接在高电位侧。
67.进一步的，为确保主控制器在进行水含量分析之前完成工作参数的调整，可以对模数转换模块310进行延时控制，例如可以由主控制器向转换芯片u1发送触发信号，控制转换芯片u1当前次模数转换工作的启动时机。
68.上述实施例中，即是提供了模数转换电路300的具体电路结构，对回波放大信号进行模数转换和整形处理后送入主控制器，可以提高回波数字信号的质量，进而提升后端主控制器的水含量分析工作效率。
69.在一个实施例中，如图5所示，提供了一种多频谱微波水分析仪，包括微波信号发射电路10、主控制器30和上述的多频谱微波水分析仪采样信号处理电路20，主控制器30连接多频谱微波水分析仪采样信号处理电路20和微波信号发射电路10。
70.其中，关于多频谱微波水分析仪采样信号处理电路20的具体限定参见上文，此处不再赘述。微波信号发射电路10是具备微波信号发射功能的电路模块，主控制器30是包含各类控制器或控制芯片的电路模块。具体的，主控制器30向微波信号发射电路10发射控制信号，控制微波信号发射电路10向被测物料发射微波检测信号，微波检测信号透过被测物料后得到回波信号。多频谱微波水分析仪采样信号处理电路20接收回波信号，一方面根据向主控制器30发送回波信号对应的反馈信号，便于主控制器30根据回波信号适应性调整自身的工作模式；另一方面对回波信号进行放大和模数转换处理后送入主控制器30。最后再由主控制器30在对应工作模式下完成水含量分析和处理，得到被测物料的水分含量并输出。
71.需要说明的是，主控制器30根据回波信号适应性调整自身的工作模式，以及进行水含量分析和处理，均可以通过现有技术实现。例如，主控制器30可以预存回波信号参数与工作模式的对应关系，根据获取的回波信号，以及回波信号参数与工作模式的对应关系，进行工作模式的调整。主控制器30可以根据微波相位和振幅的变化计算被测物料中的水含量。
72.上述多频谱微波水分析仪，向主控制器30输出回波信号对应的反馈信号，主控制器30可以根据反馈信号适应性调整自身的工作模式，以匹配对应回波信号的检测需求，有利于提高水分析结果的精度。
73.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
74.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。