專利名稱：：一種微波雷達水份傳感器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種微波雷達水份傳感器，尤其是涉及一種接觸/非接觸連續或點測微波雷達水份傳感器.
背景技術：
：已有技術公告的CN2648459實用新型專利所闡述的一種石油持水率測井儀，由持水率雷達傳感探頭、高頻信號收發處理器、數字信號處理器、微處理器以及有線單芯搖傳模塊電路等組成，其測定的基本原理是利用儀器測定電磁波的傳播速度和相移大小，求得介電常數，然后利用DSP技術和無線搖傳(WTC)技術，根據介電常數與含水量關系的理論模型和相移與含水量的理論模型計算出持水率大小并通過單芯電纜傳入地面儀顯示和輸出。這樣在實際使用時即可以方便快速地確定持水的深度和水流的方向，有效地確定油層含水量的大小。該產品為原油勘探、開采、開發、提煉、儲運過程中對接觸流體介質中持水率或含水量大小的動態準確計量和監測發揮了很大作用。但隨著應用范圍的推廣，檢測對象的復雜多樣性以及其它參量(如溫度、密度、持氣率、壓力等)要素的影響，造成本專利產品的推廣應用受到了很大的限制，特別在非接觸有耗介質的水份(水份本專利指被測混合介質中水所占的比例成份的通稱，既可以指體積方面建標的持水率或含水率，也可以指質量方面建標的含水量或濕度，具體因建標要求而定，但不與檢測技術沖突，后文直接引用，不再說明)測量中，很難推廣到實用階段。那么如何快速、準確地完成接觸或非接觸有耗介質中含水量或持水率大小的可靠測量呢？依據已公開應用的成熟技術，在改進提高原有專利產品的基礎上，通過在產品工藝結構，檢測原理，方法技巧、模型建立及對外接口上的創新，提出更具有繼承性和通用性的解決方案，來滿足不同行業，不同檢測(監測)對象的實際需要，而最新研制了一種微波雷達水份傳感器。本方案在應用原有技術的基礎上將提出系統、全面、高性價比的改進措施，近而形成關于檢測被測物水份大小的系列微波雷達水份儀檢測產品。公知的電磁波傳播理論所依賴的麥克斯韋方程，已較為系統地研究和分析了電磁波在有耗介質中傳播的二次參數特性，它通常可以用三個重要的參數來描述有耗介質(有耗介質本專利指空氣、水分和或有耗介質混合物的簡稱，后文直接引用，不再說明)的阻抗特性，衰減特性和相位特性，而介電常數、品質因子和衰減系數則是耗介質特性的集中反映。水(水本專利指物理水，后文直接引用，不再說明)，它和我們的生活、生產最為密切，在不同溫度下的密度、粘度、介電常數和離子積常數等值表現的很突出見附錄表1，特別是介電常數值(復數)與其他相關檢測水份物質的區別以及溫度對它的影響。而在微波傳輸理論問中，復介電常數作為一個與頻率有關的函數，是容易分析和測定的。本專利將依此參數并應用雷達探測技術來研究分析微波在有耗介質中所表現的二次傳輸特性0與水份大小的敏感程度并研制出傳感器及相關產品。
發明內容本發明的目的在于針對現有技術存在的不足之處而提供一種新型一種微波雷達水份傳感器，尤其是涉及一種接觸/非接觸連續或點測微波雷達水份傳感器，它具有結構簡單緊湊、頻率高，響應快，能量低；調制和傳播機制靈活，檢測和處理迅速測而體現出快速，準確，分辨率高，可非接觸、可靠性高，生產過程安全等優點。為實現上述目的，見圖l，本發明包括有探頭、信號通道、信號處理器(DSP)、TPS接口、微處理器(MCU)、12C接口、驅動接口，其中，探頭的輸出端口處設有天線，天線可帶有云臺和濾刮器，信號處理器(DSP)和微處理器(MCU)分別由各自的軟件管理，預檢測的信號經由探頭、信號通道、信號處理機、TPS接口、以及微處理器(MCU)與驅動接口相連，探頭另外經由極化分離器與信號收發機構成回路，天線設在用于檢測介質的一側或兩側。由于微波雷達水份傳感器屬于多傳感器系統，對其相關變量設置有充分的接口，其他探頭如溫度可通過12C與信號處理機連接，完成對對水份參量修正。對增加的其它傳感器檢測模塊可通過TPS接口連接上。所述的微波雷達水份傳感器探頭的輸出端口(11)連接有天線部分(90)，見圖2，天線部分可帶有天線(90)、云臺(100)、濾刮器(IIO)，用來完成掃描被測介質面的準確發射和接收，天線檢測方案因應用現場介質(92)的要求不同而靈活選用，或選用非接觸式方案A、或選用接觸式方案B，當選用接觸式方案B時，設在用于檢測介質的一側，另一例置發射面(93)，選用非接觸式方案A時，天線則分成收/發天線并置介質的兩側，對液體介質來說，雙天線也可做成侵入檢測，即接觸方案式。其中，信道(93)經嚴格精加工成平衡線式，以解決連接的平衡與非平衡轉換，抑制干擾。所述的微波雷達水份傳感器探頭(10)，見圖3，由天線接口(11)、極化分離器(12)、發射單腔多模橢圓濾波器(13)、接收單腔多模橢圓濾波器(14)，發射信道(15)、接受信道(16)、發射信號端口(17)和接受信號端口(18)等組成。所述探頭的極化分離器(12)見圖4，它的結構由內腔精密加工成波導型極化分離器，其中一端有天線接口(ll)，另一端短路，與收發饋線相接的兩個同軸接口相互垂直，在兩接口之間固定有一塊金屬極化去耦板123，并在接口121、122相對應的波導壁上加有匹配調諧螺釘124和125。所述水份傳感器的信號通道(20)，它是探頭(10)和信號處理器(DSP)的信號連接傳輸通道，它既可以同時輸出激勵源和接收檢測信號，也可以分別設計成獨立單向的通道、表現的物理連接有圓波導、矩形波或同軸波導。所述探頭的信號處理器(DSP)(30)，見圖5，其原理結構框圖包括數字信號處理器(DSP)(31)、數字鑒相器(32)、鑒幅器(33)、選擇開關(34)、信號整形(35)、比較器(36)、信號源(37)和混頻器(38)。從信道(20)接收的信號通過混頻處理(38)將高頻測量信號fm和參考信號fr轉換為低頻測量和參考信號，低頻測量和參考信號分別經過比較器(36)生成方波信號作為各自的檢波參考信號，通過模擬開關分別實現幅度檢測和相位差檢測，最后，把數據送入到數字處理器(31)中，數字處理器(31)依據FLASH(39)中算法進行處理。信號處理器(DSP)的混頻器(38)，見圖6，其原理結構框圖包括信號源(380)，基準頻率(381)、測量頻率(382)、10MHZ混頻器(383)，處理電路(385)和被測系統(386)，其中被測介質系統包含的幅度衰件減和相位變化等物理信息見圖7。程控信號源(37)，見圖8，其原理結構框圖包括溫補晶振(370)，鑒相器PD(371)、環路濾波器LF(372)、介質壓控振蕩器振VC0(373)，倍頻及輸出(374)和分頻器(375)等構成。計量測量中，一般要求同時保證測量效率和測量精度。此時提高時基信號的頻率是必然的實現方案；但同時要考慮電路對頻率信號的處理能力，由于計數器內部的時間延遲，待測信號的頻率存在上限。綜合各項因素，本系統選定標稱值為50MHz，頻率穩定度高于10-7的晶體振蕩器作為測頻環節的時基信號，相位測量精度可達O.1。數字鑒相器(32)、鑒幅器(33)、選擇開關(34)、兩個信號整形(35)、比較器(36)等構成敏檢波電路，將降頻后的低頻測量信號和參考信號分別經過比較器(36)生成方波信號作為各自的檢波參考信號。其中，在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數關系，這時輸出電壓uo=Usm/2cos#，即輸出信號隨相位差#的余弦而變化，可以根據輸出信號的大小確定相位差的值；同時，采用相敏檢波實現待測信號與噪聲的分離，達到選頻鑒幅的目的，信號經鑒幅器(33)輸出一個與輸入衰減信號成正比的直流信號，接著采用16位快速模數轉化芯片對選擇開關(34)選定的幅度檢測直流信號和相位差值信號分別完成模/數轉化，轉化的結果送入處理器(31)中。作為相敏檢測技術的改進方案，其特征在于作為應用之一的數字鑒相器(32)，見圖9，其原理結構框圖包括鑒相器detector(320)、門控器control(321)、計數器counter和鎖存器latch.通過比較器產生的同頻測量方波信號fm和參考方波信號fr經鑒相器detector(320)鑒相后輸出相位差信號fp，fp信號作為門控信號送入計數器(322)和門控環節(321)，計數器門控端以控制計數器的計數時間，其作用與閘門電路相當。計數器counter的計數脈沖CLK同時也送入控制環節的CLK端，這樣控制環節綜合了相位差信號fp產生鎖存器的鎖存信號EN和計數器的清零信號CLR以協調控制計數器和鎖存器的工作。計數器的計數結果經鎖存器latch(323)鎖存后輸出，供處理器調用。作為信號處理器(DSP)內置軟件的FLASH(39)，它裝載有關于水份大小與檢測相位和幅度大小對應關系以及溫度等修正參量的模型和算法，通過信號處理器(DSP)(30)有效的運算后，輸出獨立水份檢測變量到TPS接口(40)中。所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于給相關變量設置有充分的接口(11)——(19)，獨立變量由水份探頭(10)直接獲得、相關變量之一的溫度或其他變量則由接口(11)——(19)獲得，這些相關修正變量(如溫度、壓力、密度等)是水份檢測多傳感器系統的必測參量之一，如修正變量溫度和獨立變量水份信號共同送到信號處理器(DSP)(31)匯合，供處理器調用。所述的信號處理器(DSP)的內置的軟件，鑒于電磁波基本理論的復雜性，理論計算與正演模擬都是建立在近似基礎上的.從而設計了基于信號處理器(DSP)的三次B樣條插值算法模型，并在DSP上實現了三次B樣條曲線的插補功能。這些成果應用及數據處理軟件將更有利于關于水份測量結果的解釋。所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于作為水份變量的TPS接口(40)、見圖10、11、12、13，其他檢測傳感器之一的TPS接口(41)——(49)，它們是系統檢測的其他參量，如流量、速度、持氣率、密度等。它們可以通過TPS接口(40)到微處理器(MCU)(50)匯合，遵守共同的協議，該協議是指微處理器(MCU)(50)與下部各參數測量總線(TPS)接口之間的數據交換約定，微處理器(MCU)(50)上位機發出的串行數據為不歸零碼，共ll位，它包括一個起始位，8位數據一個奇偶校驗位和一個停止位，見圖10，在8位數據中，低四位為參量地址，最多可尋址16個參量，最高位為l，代表地址標志位，其余三位為零。在運行時，微處理器(MCU)(50)可以直接和其它各參量傳感器并接在總線TPS(40)上，其它各參量傳感器被編織址，見圖11，當上位機對各參量尋址時，所發出的地址信號被所有并接的傳感器(下位機)接收，而只有地址相同的那支傳感器響應，響應后將回答兩個數據，格式見圖12、圖13，TPS(40)接口總線上，數據的傳輸速率為11.45KBPS.所述的微波雷達水份傳感器的驅動接口(60)，其特征在于作為連接儀表和WTC之間的電纜上傳輸的信號協議是歸偏曼徹斯特II碼、是歸零制的，見圖14、圖15，協議約定是每一通道，共有20位數據，其中有占3位時間寬度的數據同步位、16數據位和1位奇偶校驗，占時間3.5ms。一幀傳10通道信息，占時40ms，如此循環重復，完成多參數測試。微處理器(MCU)(50)，它以MPU為核心，集成存儲器(80)、控制電路、時鐘電路，TPS(40)，人機接口I2C(70)、輸出和驅動接口(60)，完成多傳感信號處理后的輸出、該部分上接I/O口，下接TPS總線，總線可滿足與多參量傳感器的配接，完成多參數測試。下面結合附圖對本發明做進一步的說明圖1為本發明的整體原理結構示意圖；圖2為本發明的探頭前端天線部分的結構示意圖；圖3為本發明探頭的結構示意圖；圖4為本發明探頭極化分離器的A-A向剖視圖；圖5本發明的信號處理器(DSP)原理結構示意圖；圖6為本發明的混頻器結構示意圖；圖7為介質測量技術方案的示意圖；圖8為本發明的信號源結構示意圖；圖9是本發明的數字鑒相結構示意圖；圖10是本發明的上位機編碼示意圖。圖11為本發明的下位機編碼示意圖；圖12為本發明的下位機低字節應答編碼示意圖；圖13為本發明的下位機高字節應答示意圖；圖14是本發明的輸出接口(WTC)編碼示意圖；圖15是本發明的電纜時序示意圖。附錄1:水在不同溫度下的密度、粘度、介電常數和離子積常數K的典型實驗值。具體實施例方式以下所述僅為本發明的較佳實施案例，并不因此而限定本發明的權利保護范圍。首先，見圖1所示本發明它包括有探頭(10)、信號通道(20)、信號處理器(DSP)(30)、TPS接口(40)、微處理器(MCU)(50)、驅動接口(60)、人機接口(70)、FLASH(80)，其中，探頭的輸出端口處設有天線(90)，天線可帶有云臺(100)和濾刮器(IIO)，其中，微波雷達水份傳感器屬于多傳感器系統，對其相關修正變量探頭設置有充分的接口(11)——(19)，也可增加其它傳感器檢測模塊(41)——(49)。信號處理器(DSP)(30)和微處理器(MCU)(50)分別由各自的軟件管理，預檢測的信號經由探頭(10)、信號通道(20)、信號處理機(30)、TPS接口(40)、以及微處理器(MCU)(50)與驅動接口(60)相連，探頭另外經由極化分離器與信號收發機構成回路，天線設在用于檢測介質的一側或兩側。由于微波雷達水份傳感器屬于多傳感器系統，對其相關修正變量設置有充分的接口(11)——(19)，其他探頭如溫度可通過I2C與信號處理機連接，完成對對水份參量修正。對增加的其它傳感器檢測模塊可通過(41)——(49)接入到TPS接口(40)上。其中，作為信號處理器(DSP)的內置的軟件，鑒于電磁波基本理論的復雜性，理論計算與正演模擬都是建立在近似基礎上的.從而設計了基于信號處理器(DSP)的三次B樣條插值算法模型，并在DSP上實現了三次B樣條曲線的插補功能。這些成果應用及數據處理軟件將更有利于關于水份測量結果的解釋。作為微波雷達水份傳感器的控制中樞微處理器(MCU)(50)，它以MPU為核心，嵌入有接口協議和管理軟件，硬件集成了存儲器(80)、控制電路、時鐘電路，TPS(40)，人機接口I2C(70)、輸出和驅動接口(60)，完成多傳感信號處理后的輸出、該部分上接I/O口，下接TPS總線，可滿足與多參量傳感器的配接，完成多參數測試。見圖2所示天線部分可帶有天線(90)、云臺(100)、濾刮器(IIO)，用來完成掃描被測介質面的準確發射和接收，天線檢測方案因應用現場介質(92)的要求不同而靈活選用，或選用非接觸式方案A、或選用接觸式方案B，當選用接觸式方案B時，設在用于檢測介質的一側，另一側置發射面(93)，選用非接觸式方案A時，天線則分成收/發天線并置介質的兩側，對液體介質來說，雙天線也可做成侵入檢測，即接觸方案式。其中，信道(93)經嚴格精加工成平衡線式，以解決連接的平衡與非平衡轉換，抑制干擾。見圖3所示微波雷達水份傳感器探頭(10)，由天線接口(11)、極化分離器(12)、發射單腔多模橢圓濾波器(13)、接收單腔多模橢圓濾波器(14)，發射信道(15)、接受信道(16)、發射信號端口(17)和接受信號端口(18)等組成。其中，探頭的極化分離器(12)，見圖4，它的結構由內腔精密加工成波導型極化分離器，其中一端有天線接口(ll)，另一端短路，與收發饋線相接的兩個同軸接口相互垂直，在兩接口之間固定有一塊金屬極化去耦板123，并在接口121、122相對應的波導壁上加有匹配調諧螺釘124和125。其中，探頭的信號處理器(DSP)(30)，見圖5，其原理結構框圖包括數字信號處理器(DSP)(31)、數字鑒相器(32)、鑒幅器(33)、選擇開關(34)、信號整形(35)、比較器(36)、信號源(37)和混頻器(38)。從信道(20)接收的信號通過混頻處理(38)將高頻測量信號fm和參考信號fr轉換為低頻測量和參考信號，低頻測量和參考信號分別經過比較器(36)生成方波信號作為各自的檢波參考信號，通過模擬開關分別實現幅度檢測和相位差檢測，最后，把數據送入到數字處理器(31)中，數字處理器(31)依據FLASH(39)中算法進行處理。其中，混頻器(38)，見圖6，其原理結構框圖包括信號源(380)，基準頻率(381)、測量頻率(382)、10MHZ混頻器(383)，處理電路(385)和被測系統(386)，其中被測介質系統包含的幅度衰件減和相位變化等物理信息見圖7，需要檢測得到的相位信息A①和幅度衰減信息AV。其中，程控信號源(37)，見圖8，其原理結構框圖包括溫補晶振(370)，鑒相器PD(371)、環路濾波器LF(372)、介質壓控振蕩器振VC0(373)，倍頻及輸出(374)和分頻器(375)等構成。計量測量中，一般要求同時保證測量效率和測量精度。此時提高時基信號的頻率是必然的實現方案；但同時要考慮電路對頻率信號的處理能力，由于計數器內部的時間延遲，待測信號的頻率存在上限。綜合各項因素，本系統選定標稱值為50MHz，頻率穩定度高于10-7的晶體振蕩器作為測頻環節的時基信號，相位測量精度可達O.1。其中，數字鑒相器(32)、鑒幅器(33)、選擇開關(34)、兩個信號整形(35)、比較器(36)等構成敏檢波電路，將降頻后的低頻測量信號和參考信號分別經過比較器(36)生成方波信號作為各自的檢波參考信號。其中，在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數關系，這時輸出電壓uo=Usm/2cosA①，即輸出信號隨相位差A①的余弦而變化，可以根據輸出信號的大小確定相位差的值；同時，采用相敏檢波實現待測信號與噪聲的分離，達到選頻鑒幅的目的，信號經鑒幅器(33)輸出一個與輸入衰減信號成正比的直流信號AV，接著采用16位快速模數轉化芯片對選擇開關(34)選定的幅度檢測直流信號和相位差值信號分別完成模/數轉化，轉化的結果送入處理器(31)中。更進一步說明，作為相敏檢測技術的改進方案，的數字鑒相器(32)，見圖9，其原理結構框圖包括鑒相器detector(320)、門控器control(321)、計數器counter和鎖存器latch.通過比較器產生的同頻測量方波信號fm和參考方波信號fr經鑒相器detector(320)鑒相后輸出相位差信號fp，fp信號作為門控信號送入計數器(322)和門控環節(321)，計數器門控端以控制計數器的計數時間，其作用與閘門電路相當。計數器counter的計數脈沖CLK同時也送入控制環節的CLK端，這樣控制環節綜合了相位差信號fp產生鎖存器的鎖存信號EN和計數器的清零信號CLR以協調控制計數器和鎖存器的工作。計數器的計數結果經鎖存器latch(323)鎖存后輸出，供處理器調用。其中，作為信號處理器(DSP)內置軟件的FLASH(39)，它裝載有關于水份大小與檢測相位和幅度大小對應關系以及溫度等修正參量的模型和算法，通過信號處理器(DSP)(30)有效的運算后，輸出獨立水份檢測變量到TPS接口(40)中。所述水份傳感器的信號通道(20)，它是探頭(10)和信號處理器(DSP)的信號連接傳輸通道，它既可以同時輸出激勵源和接收檢測信號，也可以分別設計成獨立單向的通道、表現的物理連接有圓波導、矩形波或同軸波導。所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于給相關變量設置有充分的接口(11)——(19)，獨立變量由水份探頭(10)直接獲得、相關變量之一的溫度或其他變量則由接口(11)——(19)獲得，這些相關修正變量(如溫度、壓力、密度等)是水份檢測多傳感器系統的必測參量之一，如修正變量溫度和獨立變量水份信號共同送到信號處理器(DSP)(31)匯合，供處理器調用。所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于作為水份變量的TPS接口(40)、見圖10、11、12、13，其他檢測傳感器之一的TPS接口(41)——(49)，它們是系統檢測的其他參量，如流量、速度、持氣率、密度等。它們可以通過TPS接口(40)到微處理器(MCU)(50)匯合，遵守共同的協議，該協議是指微處理器(MCU)(50)與下部各參數測量總線(TPS)接口之間的數據交換約定，微處理器(MCU)(50)上位機發出的串行數據為不歸零碼，共ll位，它包括一個起始位，8位數據一個奇偶校驗位和一個停止位，見圖10，在8位數據中，低四位為參量地址，最多可尋址16個參量，最高位為l，代表地址標志位，其余三位為零。在運行時，微處理器(MCU)(50)可以直接和其它各參量傳感器并接在總線TPS(40)上，其它各參量傳感器被編織址，見圖11，當上位機對各參量尋址時，所發出的地址信號被所有并接的傳感器(下位機)接收，而只有地址相同的那支傳感器響應，響應后將回答兩個數據，格式見圖12、圖13，TPS(40)接口總線上，數據的傳輸速率為11.45KBPS.<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權利要求一種接觸/非接觸連續或點測式微波雷達水份傳感器，見圖1，它包括有探頭(10)、信號通道(20)、信號處理器(DSP)(30)、TPS接口(40)、微處理器(MCU)(50)、驅動接口(60)、人機接口(70)、FLASH(80)，其中，探頭的輸出端口處設有天線(90)，天線可帶有云臺(100)和濾刮器(110)，其中，微波雷達水份傳感器屬于多傳感器系統，對其相關修正變量探頭設置有充分的接口(11)——(19)，對增加的其它傳感器檢測模塊可通過TPS接口連接上。也可增加其它傳感器檢測模塊(41)——(49)。該傳感器利用微波段頻率電磁波和雷達探測技術來探測水在其有耗介質中分布所表現出衰減大小和相位變化的一種地球物理勘探方法。由于所采用的頻率高，響應快，能量低；調制和傳播機制靈活，檢測和處理迅速測而體現出快速，準確，分辨率高，可非接觸可靠等優勢。可廣泛應用于水份大小檢測，工程地質勘查、水土調查以及環境評價等應用領域。具有結構簡單緊湊、低功耗、快速、無損、連續檢測，并實時顯示探測結果，分析、判讀直觀方便、生產過程安全等。2.根據權利要求l所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于探頭的輸出端口(11)連接有天線部分(90)，見圖2，天線部分可帶有天線(90)、云臺(100)、濾刮器(110)，用來完成掃描被測介質面的準確發射和接收，天線檢測方案因應用現場介質(92)的要求不同而靈活選用，或選用非接觸式方案A、或選用接觸式方案B，當選用接觸式方案B時，設在用于檢測介質的一側，另一側置發射面(93)，選用非接觸式方案A時，天線則分成收/發天線并置介質的兩側，對液體介質來說，雙天線也可做成侵入檢測，即接觸方案式。其中，信道(93)經嚴格精加工成平衡線式，以解決連接的平衡與非平衡轉換，抑制干擾。3.根據權利要求l所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于探頭(10)，見圖3，由天線接口(11)、極化分離器(12)、發射單腔多模橢圓濾波器(13)、接收單腔多模橢圓濾波器(14)，發射信道(15)、接受信道(16)、發射信號端口(17)和接受信號端口(18)等組成。4.根據權利要求1所述的水份傳感器，其特征在于極化分離器(12)見圖4，它的結構由內腔精密加工成波導型極化分離器，其中一端有天線接口(ll)，另一端短路，與收發饋線相接的兩個同軸接口相互垂直，在兩接口之間固定有一塊金屬極化去耦板123，并在接口121、122相對應的波導壁上加有匹配調諧螺釘124和125。5.根據權利要求2所述的水份傳感器，其特征在于信號通道(20)是探頭(10)和信號處理器(DSP)的信號傳輸通道，它既可以同時輸出激勵源和接收檢測信號，也可以分別設計成獨立單向的通道、表現的物理連接有圓波導、矩形波或同軸波導。6.根據權利要求1所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于作為信號處理器(DSP)(30)，見圖5，其原理結構框圖包括數字信號處理器(DSP)(31)、數字鑒相器(32)、鑒幅器(33)、選擇開關(34)、信號整形(35)、比較器(36)、信號源(37)和混頻器(38)。從信道(20)接收的信號通過混頻處理(38)將高頻測量信號fm和參考信號fr轉換為低頻測量和參考信號，低頻測量和參考信號分別經過比較器(36)生成方波信號作為各自的檢波參考信號，通過模擬開關分別實現幅度檢測和相位差檢測，最后，把數據送入到數字處理器(31)中，數字處理器(31)依據FLASH(39)中算法進行處理。其中，混頻器(38)，見圖6，其原理結構框圖包括信號源(380)，基準頻率(381)、測量頻率(382)、10MHZ混頻器(383)，處理電路(385)和被測系統(386)，其中被測介質系統包含的幅度衰件減和相位變化等物理信息見圖7。其中，作為應用之一的程控信號源(37)，見圖8，其原理結構框圖包括溫補晶振(370)，鑒相器PD(371)、環路濾波器LF(372)、介質壓控振蕩器振VC0(373)，倍頻及輸出(374)和分頻器(375)等構成。計量測量中，一般要求同時保證測量效率和測量精度。此時提高時基信號的頻率是必然的實現方案；但同時要考慮電路對頻率信號的處理能力，由于計數器內部的時間延遲，待測信號的頻率存在上限。綜合各項因素，本系統選定標稱值為50MHz，頻率穩定度高于10-7的晶體振蕩器作為測頻環節的時基信號，相位測量精度可達O.1。其中，作為應用之一的數字鑒相器(32)、鑒幅器(33)、選擇開關(34)、兩個信號整形(35)、比較器(36)等構成敏檢波電路，將降頻后的低頻測量信號和參考信號分別經過比較器(36)生成方波信號作為各自的檢波參考信號。其中，在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數關系，這時輸出電壓uo=Usm/2cos#，即輸出信號隨相位差#的余弦而變化，可以根據輸出信號的大小確定相位差的值；同時，采用相敏檢波實現待測信號與噪聲的分離，達到選頻鑒幅的目的，信號經鑒幅器(33)輸出一個與輸入衰減信號成正比的直流信號，接著采用16位快速模數轉化芯片對選擇開關(34)選定的幅度檢測直流信號和相位差值信號分別完成模/數轉化，轉化的結果送入處理器(31)中。對內置軟件的FLASH(39)，它裝載有關于水份大小與檢測相位和幅度大小對應關系以及溫度等修正參量的模型和算法，通過信號處理器(DSP)(30)有效的運算后，輸出獨立水份檢測變量到TPS接口(40)中。其中，作為應用之一的數字鑒相器(32)，見圖9，其原理結構框圖包括鑒相器detector(320)、門控器control(321)、計數器counter和鎖存器latch.通過比較器產生的同頻測量方波信號fm和參考方波信號fr經鑒相器detector(320)鑒相后輸出相位差信號fp，fp信號作為門控信號送入計數器(322)和門控環節(321)，計數器門控端以控制計數器的計數時間，其作用與閘門電路相當。計數器counter的計數脈沖CLK同時也送入控制環節的CLK端，這樣控制環節綜合了相位差信號fp產生鎖存器的鎖存信號EN和計數器的清零信號CLR以協調控制計數器和鎖存器的工作。計數器的計數結果經鎖存器latch(323)鎖存后輸出，供處理器調用。7.根據權利要求1所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于給相關變量設置有充分的接口(11)——(19)，獨立變量由水份探頭(10)直接獲得、相關變量之一的溫度或其他變量則由接口(11)——(19)獲得，這些相關修正變量(如溫度、壓力、密度等)是水份檢測多傳感器系統的必測參量之一，如修正變量溫度和獨立變量水份信號共同送到信號處理器(DSP)(31)匯合，供處理器調用。8.根據權利要求1所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于信號處理器(DSP)(30)和微處理器(MCU)(50)分別由各自的軟件管理，預檢測的信號經由探頭(10)、信號通道(20)、信號處理機(30)、TPS接口(40)、以及微處理器(MCU)(50)與驅動接口(60)相連，探頭另外經由極化分離器與信號收發機構成回路，天線設在用于檢測介質的一側或兩側。由于微波雷達水份傳感器屬于多傳感器系統，對其相關修正變量設置有充分的接口(11)——(19)，其他探頭如溫度可通過I2C與信號處理機連接，完成對對水份參量修正。對增加的其它傳感器檢測模塊可通過(41)——(49)接入到TPS接口(40)上。其中，作為信號處理器(DSP)內置的軟件，鑒于電磁波基本理論的復雜性，理論計算與正演模擬都是建立在近似基礎上的.從而設計了基于信號處理器(DSP)的三次B樣條插值算法模型，并在DSP上實現了三次B樣條曲線的插補功能。這些成果應用及數據處理軟件將更有利于關于水份測量結果的解釋。其中，內嵌軟件管理之一的微處理器(MCU)(50)，它以MPU為核心，集成存儲器(80)、控制電路、時鐘電路，TPS(40)，人機接口12C(70)、輸出和驅動接口(60)，完成多傳感信號處理后的輸出、該部分上接I/O口，下接TPS總線，總線可滿足與多參量傳感器的配接，完成多參數測試。9.根據權利要求1所述的微波雷達水份傳感器，其特征在于作為水份變量的TPS接口(40)、見圖10、11、12、13，其他檢測傳感器之一的TPS接口(41)——(49)，它們是系統檢測的其他參量，如流量、速度、持氣率、密度等。它們可以通過TPS接口(40)到微處理器(MCU)(50)匯合，遵守共同的協議，該協議是指微處理器(MCU)(50)與下部各參數測量總線(TPS)接口之間的數據交換約定，微處理器(MCU)(50)上位機發出的串行數據為不歸零碼，共11位，它包括一個起始位，8位數據一個奇偶校驗位和一個停止位，見圖10，在8位數據中，低四位為參量地址，最多可尋址16個參量，最高位為1，代表地址標志位，其余三位為零。在運行時，微處理器(MCU)(50)可以直接和其它各參量傳感器并接在總線TPS(40)上，其它各參量傳感器被編織址，見圖11，當上位機對各參量尋址時，所發出的地址信號被所有并接的傳感器(下位機)接收，而只有地址相同的那支傳感器響應，響應后將回答兩個數據，格式見圖12、圖13，TPS(40)接口總線上，數據的傳輸速率為11.45KBPS.10.根據權利要求l所述的微波雷達水份傳感器的驅動接口(60)，其特征在于作為連接儀表和WTC之間的電纜上傳輸的信號協議是歸偏曼徹斯特II碼、是歸零制的，見圖14、圖15，協議約定是每一通道，共有20位數據，其中有占3位時間寬度的數據同步位、16數據位和1位奇偶校驗，占時間3.5ms。一幀傳10通道信息，占時40ms，如此循環重復，完成多參數測試。全文摘要本發明涉及一種微波雷達水份傳感器，尤其是涉及一種接觸/非接觸介質連續或點測式微波雷達水份傳感器。它包括有探頭、信號通道、信號處理器(DSP)、TPS接口、微處理器(MCU)、I2C接口、驅動接口，其中，探頭的輸出端口處設有天線，天線可帶有云臺和濾刮器，信號處理器(DSP)和微處理器(MCU)分別由各自的軟件管理，預檢測的信號經由探頭、信號通道、信號處理機、TPS接口、以及微處理器(MCU)與驅動接口相連，探頭另外經由極化分離器與信號收發機構成回路，天線設在用于檢測介質的一側或兩側。由于微波雷達水份傳感器屬于多傳感器系統，對其相關變量設置有充分的接口，其他探頭如溫度、電導率可通過I2C與信號處理機連接，完成對水份參量修正。文檔編號G01N22/04GK101706459SQ200910009700公開日2010年5月12日申請日期2009年2月1日優先權日2009年2月1日發明者楊厚榮申請人:楊厚榮
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