一种基于FPGA的溶液浓度实时监测系统

一种基于fpga的溶液浓度实时监测系统
技术领域
1.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：

2.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。


技术实现要素：

3.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。
4.一种基于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。
5.（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。
6.（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。
7.（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。
8.（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。
9.（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。
10.（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，由此求得谐振频率偏移量。通过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。
附图说明
11.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 s
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参数与输入微波频率的关系
具体实施方式
12.本发明基于微波微扰原理。对于工作模式为的谐振腔，忽略磁导率的变化，有公式，其中，表示扰动引起的谐振频率的偏移量，表示空心管中物质介电常数的变化量，表示空腔谐振腔的谐振频率，表示空气的介电常数，表示空腔时的电场强度分布，表示管空心部分的体积，表示谐振腔内腔的体积。同时溶液在特定浓度下具有特定的介电常数，所以根据根据谐振频率的偏移量即可确定溶液的浓度。
13.以工作模式为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，进而推算出溶液的浓度值c。
14.（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。
15.（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。
16.（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。
17.（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。
18.（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。
19.（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，由此求得谐振频率偏移量。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。对于某一特定浓度下的溶液，其s
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参数与输入微波频率的关系如图3所示，s
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最大值对应的微波频率即为谐振频率。


技术特征：
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，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；（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，由此求得谐振频率偏移量；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。

技术总结
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的双端口圆柱形微波谐振腔结构以及微波微扰原理提出。本发明首先搭建了基于FPGA的溶液浓度实时监测系统并简述了其工作原理，其中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，并对具体实现方法进行了阐述。该检测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。可实时监测溶液浓度变化的特点。


技术研发人员：肖夏 谷林硕 熊杰
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2021.04.16
技术公布日：2022/10/20