基于微波微扰理论的溶液浓度测量系统设计

摘要

自1864年麦克斯韦发现电磁现象以来，电磁波经过了长久时间的发展，理论体系也更加趋于完善，微波作为一种高频电磁波在现如今的高频时代更是备受青睐，微波的各个方面的应用更是受到科学界的重视，如微波在雷达、遥感测控等无线通信领域发挥着重要作用，在高频测试仪器及设备中的应用以及微波武器方面也有重要应用，同时微波检测技术也得到了广泛的应用，如在化学工业中检测浓度、大气科学中检测湿度以及医学中检测人体病变等。本文所涉及的谐振腔测试系统可以用来检测液体浓度。首先通过分析选定7GHz的工作频率和 TE011模式为腔体主要工作模式。基于微扰理论提出了在TE011模式下的圆形谐振腔的谐振频率偏移与浓度之间的关系，二者关系表现为斜率受纯糖溶液介电常数、纯水溶液时谐振频率以及腔体半径等参数影响的线性关系。二者关系的提出可以为仿真以及实验和科研应用提供理论根据。
　　本研究采用BJ-84矩形波导进行供能，并通过小孔耦合完成能量传递。为防止腐蚀腔壁，在电磁场较强的腔体正中心加载溶液管便于测试。在谐振腔中设置吸波层以吸收干扰波形。基于Ansys HFSS对矩形波导长度、耦合孔半径、溶液管半径和吸波层半径进行优化仿真，通过S11参数比对结果后，四个参数分别选定为20mm、4mm、2mm和11mm。基于完善模型测量出纯水溶液谐振频率为7.6318GHz，基于此对10-200mg/dL的20组均匀浓度分布的溶液进行仿真测量频率偏移，谐振频率偏移与浓度的关系呈线性分布，符合理论结果。完善了模型以后综合考虑选择H55铜对腔体进行了制作。自动检测系统主要包括幅度检测、相位检测和频率检测模块。幅度检测主要检测谐振腔是否发生谐振，相位检测主要检测输入频率与谐振频率的偏差，并通过Multism对两个模块分别进行仿真验证，幅度检测与相位检测均可以将输出结果数字化，以便于FPGA分析结果。频率检测模块采用等精度测量方法测量频率偏移，并通过FPGA平台进行验证，在1s的时间闸门下，频率检测模块误差为1Hz，完全满足频率偏移测试的精度要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 微波理论与微波测量介绍

1.3谐振腔与微扰理论背景介绍

1.4 课题的国内外研究现状

1.5 论文的主要研究内容

1.6 本章小结

第2章 基于CPT的浓度与频偏的理论关系研究

2.1 CPT理论介绍

2.2圆柱形谐振腔电磁场分布

2.3 圆柱形TE011模式下频率偏移与浓度的关系

2.4本章小结

第3章 基于微波理论的谐振腔系统结构设计

3.1 腔体结构设计

3.2波导供能设计

3.3 耦合装置的选择

3.4溶液管设计

3.5本章小结

第4章 基于HFSS的结构与参数优化设计

4.1 波导长度与耦合孔的优化

4.2 溶液管半径优化

4.3吸波层的优化

4.4材料选取与实体制备

4.5不同浓度的溶液仿真

4.6本章小结

第5章 自动检测系统的设计

5.1 自动检测系统设计流程

5.2 幅度检测模块设计

5.3相位检测模块设计

5.4频率测试模块设计

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢