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谐振腔微扰测量法的系统研究与设计

作　者: 王洪军
导　师: 肖夏
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微扰法微波谐振腔溶液浓度谐振频率频率测量
分类号: TN015
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 2次
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内容摘要

微波测量技术是继超声波、红外线、激光和射线之后发展起来的一种新型无损检测技术，近年来在科技、经济及社会生活等方面都得到了广泛的应用。微扰法是微波在实际测量中普遍使用的一种方法，通过测量谐振频率的变化得到被测介质的一些参量，利用微波谐振腔作为传感器实现对物质非电量的测量。本文根据微扰测量原理、以测量葡萄糖溶液的浓度为例设计了谐振腔测量系统的整体方案，全面论述了系统的设计思想、硬件结构、程序实现和结果分析，测量系统以AT89C52单片机为控制和处理的核心，主要由谐振腔测量模块、谐振频率跟踪模块和等精度频率测量模块组成。本文详细阐述了微扰法的测量原理，推导出谐振频率的偏移量与溶液浓度的关系式，设计了用于溶液浓度测量的微波谐振腔，在电磁仿真软件中仿真优化了腔体的结构尺寸和耦合结构，并对加载溶液后的谐振腔进行了数值仿真分析。分析得到了谐振腔对调频信号的响应规律，以此为依据设计了谐振频率的自动跟踪模块，并设计和分析跟踪模块的硬件电路，通过对解调信号的幅度和相位进行鉴别自动调整D/A转换器的输出电压，使压控振荡器输出调频信号的载波频率始终等于谐振频率，跟踪精度达到KHz。设计了对谐振频率偏移量进行测量的等精度频率测量模块，应用硬件描述语言完成了基于FPGA进行频率测量的软件设计、编译仿真和时序分析，频率测量的精度达到10-7，仿真得到了谐振频率的偏移量与溶液浓度的关系，验证了该测量方法的可行性。最后设计了系统的主程序，实现了单片机对整个测量系统的控制。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 微波的定义和特点  7-9
  1.2 微波的应用范围  9-10
  1.3 微波测量的特点  10-11
  1.4 微扰法的研究现状  11-12
  1.5 本文主要研究内容  12
  1.6 本章小结  12-13
第二章微扰测量系统  13-22
  2.1 微扰法原理  13-18
  2.2 微扰法测量系统  18-21
    2.2.1 系统设计方法  18-19
    2.2.2 测量系统的原理  19-21
  2.3 本章小结  21-22
第三章微波谐振腔的设计  22-36
  3.1 圆柱形谐振腔  22-26
  3.2 谐振腔的结构设计  26-28
  3.3 电磁仿真 EDA 软件简介  28
  3.4 耦合孔的优化设计  28-33
  3.5 波导的优化设计  33-34
  3.6 检测数值分析  34-35
  3.7 本章小结  35-36
第四章频率跟踪系统的设计  36-53
  4.1 系统的连接框图  36-37
  4.2 谐振腔对调频信号的响应  37-40
  4.3 频率跟踪模块的设计实现  40-42
  4.4 模块电路的设计  42-48
  4.5 DAC 的选择分析  48-49
  4.6 频率跟踪的软件设计  49-52
    4.6.1 跟踪模块的流程图  49-51
    4.6.2 程序实现  51-52
  4.7 本章小结  52-53
第五章频率测量系统的设计  53-64
  5.1 频率测量环路  53-54
  5.2 频率测量方法  54-56
  5.3 频率测量模块的实现原理  56-57
  5.4 频率测量的仿真分析  57-60
    5.4.1 时序分析  57-59
    5.4.2 频偏与溶液浓度的关系  59-60
  5.5 软件设计  60-63
    5.5.1 主程序流程  60-61
    5.5.2 程序实现  61-63
  5.6 本章小结  63-64
第六章总结与展望  64-66
  6.1 总结  64-65
  6.2 展望  65-66
参考文献  66-69
发表论文和参加科研情况说明  69-70
致谢  70

谐振腔微扰测量法的系统研究与设计

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