导波雷达液位计回波信号处理模块设计方法研究.pdf

分类号 密级 udc 注1 学 位 论 文 导波雷达液位计回波信号处理导波雷达液位计回波信号处理 模块设计方法研究模块设计方法研究 题名和副题名 李林巍李林巍 作者姓名 指导教师 贾宝富贾宝富 教教 授授 电子科技大学电子科技大学 成成 都都 姓名 职称 单位名称 申请学位级别 硕士硕士 专业学位类别 工程硕士工程硕士 工程领域名称 电子与通信工程电子与通信工程 提交论文日期 2014 042014 04 论文答辩日期 2014 052014 05 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 20142014 年年 6 6 月月 2828 日日 答 辩委员会主席 评阅人 注 1 注明 国际十进分类法 udc 的类号 the research on design method of guided wave radar level gauge echo signal processing module a master thesis submitted to university of electronic science and technology of china major master of engineering author li linwei advisor prof jia baofu school school of physical electronics 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意 作者签名 日期 年 月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 作者签名 导师签名 日期 年 月 日 摘要 i 摘 要 导波雷达液位计作为一种测距仪表 相比其他传统的液位测量仪表 具有精 度和可靠性较高 实时性较好 能够在恶劣的环境下测量等优点 被广泛应用于 石油化工 冶金 锅炉等工业领域中 随着市场上对导波雷达液位计需求量的逐 渐增多 对其设计与开发有越来越重要的意义 并相继成为各大公司关注的热点 本论文首先介绍了导波雷达液位计测距依据的主要核心技术 时域反射原 理 接着对要实现导波雷达液位计的性能及设计指标提出要求 本文是将导波雷 达液位计分为机械设计模块 脉冲收发电路 回波信号处理电路及通信显示电路 四大模块单独分析设计的 最后给出了导波雷达液位计系统的整体设计方案 具 体工作内容如下 1 窄脉冲信号的产生方法 本文中 窄脉冲信号发生器采用的是雪崩三极 管 该电路设计简单 对 pcb 板要求不高 成本较低 在 ads 中建立电路等效模 型 经优化取得各元件最佳参数值 实测中产生的脉冲信号脉宽 8ns 幅度 1 5v 2 接收回波信号处理的方法 重点讨论采用等效时间采样法实现信号在时 间轴上的展宽在液位计测量中的应用 等效时间采样的关键在于取样门电路的设 计 本文分别对双管取样门 平衡取样门 桥式取样门电路进行仿真及优化 对 比性能后选取桥式取样门 另外选取了 ad 公司生产的延时芯片 ad9500 实现脉冲 的延时 8hz 选取变压器实现对称取样脉冲的产生 最后实现信号在时间轴上展宽 方便后续对信号进行处理 本论文硬件电路的设计核心采用中等容量增强型微处理器 stm32f103vf 并 对电源模块 信号处理模块以及通信显示模块的硬件电路图进行了详细的分析与 设计 软件部分主要包括电路总体设计流程的主程序 回波信号处理的算法 按 键和 lcd 液晶屏显示 串行通信模块 系统辅助程序以及对实物的调试等 本文 主要研究硬件电路的设计 最后 根据设计方案加工了一款符合设计指标的导波雷达液位计 进行现场 测试 并对测试结果做分析和总结 实测结果精度小于 5mm 验证了设计的导波 雷达液位计具有损耗低 抗干扰性强 测量精度高等优点 基本符合设计要求 关键词 关键词 导波雷达液位计 时域反射原理 等效时间采样 取样门 回波信号处 理 abstract ii abstract compared to other conventional level measurement instruments guided wave radar level gauge as a rangefinder has a lot of advantages such as high accuracy and reliability good real time capable of measuring in harsh environments etc so it is widely used petroleum industry chemical industry and other industrial fields with the quantity demanded of guided wave radar level gauge on the market is gradually increasing major companies have a growing attention on the design and development of guided wave radar level gauge this paper introduces the guided wave radar level gauge distance based core technology the principle of time domain reflectometry then proposes design specifications and performance requirements of guided wave radar level gauge demand guided wave radar level gauge in this paper is analyzed and designed from four separate modules machine design circuit pulse transmitting and receiving circuit echo signal processing circuit and the communication display circuit finally this paper gives the overall design scheme of guided wave radar level gauge system the main contents ars listed as follows 1 the generation method of narrow pulse signal avalanche transistor is used in the design of narrow pulse generator in this paper the circuit structure is simple less requirements on the pcb board low cost then in ads software establish an equivalent circuit model we can get the best parameter values for each component after optimized the width of measured pulse is 8ns and the amplitude of measured pulse is 1 5v 2 the processing method of echo signal focuses on the methods to achieve equivalent time sampling in this paper we select the sampling gate bridge to achieve signal broadening on the timeline the design key of sampling gate circuit is to generate symmetric sampling pulse and delayed pulse after analyzed and compared we select the ad company s delay chip ad9500 to achieve pulse delay 8hz select a transformer to achieve symmetric sampling pulse finally signal is stretched on the time axis to facilitate subsequent signal processing the design core of hardware circuit is on the basis of medium capacity enhanced microprocessor stm32f103vf then this paper display a detailed analysis and design abstract iii of hardware circuit of power module signal processing module and communication module the main part of the software includes circuit design processes the echo signal processing algorithms keys and lcd screen display serial communication modules and system auxiliary program and so on this paper studies mainly the design of hardware circuit finally this paper processes a guided wave radar level gauge that meets the design specifications according to the design scheme after field testing we analyze and summarize the test results measured results are consistent with the design requirements guided wave radar level gauge has a lot of advantages of low loss strong anti interference high accuracy keywords guided wave radar level gauge time domain reflectometry equivalent time sampling sampling gate echo signal processing circuit 目录 iv 目 录 第一章 绪论 1 1 1 液位计的研究背景及选题意义 1 1 2 导波雷达液位计国内外研究现状 3 1 2 1 雷达液位计的分类 3 1 2 2 国内外研究现状 4 1 3 论文的主要研究内容及章节安排 7 第二章 导波雷达液位计理论基础分析 8 2 1 时域反射技术 8 2 1 1 传输线的理论与设计及其匹配理论 8 2 1 2 匹配探头的设计 11 2 1 3 时域反射原理 12 2 2 定向耦合器 13 2 3 导波雷达液位计的性能及设计指标 14 2 4 本章小结 15 第三章 窄脉冲信号发生器的设计 16 3 1 隧道二极管窄脉冲信号发生器 16 3 2 雪崩晶体三极管窄脉冲信号发生器 17 3 2 1 雪崩效应 17 3 2 2 基于雪崩三极管的窄脉冲信号产生电路 19 3 3 阶跃恢复二极管窄脉冲信号发生器 24 3 3 1 阶跃恢复二极管工作原理 24 3 3 2 基于阶跃恢复二极管的窄脉冲信号产生电路 27 3 4 基于门电路的窄脉冲信号发生器 29 3 5 本章小结 31 第四章 取样头的设计 32 4 1 等效时间采样原理 32 4 1 1 采样定理 33 4 1 2 等效时间采样原理 34 4 2 等效时间采样的分类 35 4 2 1 顺序等效时间采样法 35 目录 v 4 2 2 随机等效时间采样法 36 4 2 3 混合等效时间采样法 37 4 3 取样门的分类与选取 38 4 3 1 双二极管取样门 38 4 3 2 平衡取样门 40 4 3 3 桥式取样门 42 4 4 对称取样脉冲的实现方法 47 4 4 1 利用射频变压器产生对称取样脉冲 48 4 4 2 利用槽线 微带转换结构产生对称取样脉冲 48 4 4 3 利用 srd 肖特基二极管结合射频三极管产生对称取样脉冲 48 4 5 脉冲延时电路的实现方法 50 4 5 1 采用可编程延时芯片 ad9500 50 4 5 2 采用 dds 频率合成芯片 ad9850 51 4 5 3 采用晶振与 cmos 器件结合实现脉冲延时 52 4 6 本章小结 53 第五章 系统方案与硬件电路设计 54 5 1 系统总体方案设计 54 5 2 硬件电路设计 55 5 2 1 步进延时脉冲产生原理 55 5 2 2 电源电路 58 5 2 3 可变增益放大器电路 59 5 2 4 数字电位计电路 60 5 2 5 单片机及外围电路 61 5 3 本章小结 70 第六章 试验与数据分析 71 6 1 窄脉冲信号实测结果与分析 72 6 2 回波信号实测结果分析 72 6 3 本章小结 74 第七章 总结与展望 75 致 谢 77 参考文献 78 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 液位计的研究背景及选题意义 80 年代以来 随着我国经济迅猛增长 产品工业逐步趋向于自动化和智能化 液位计 1 作为测量液位的重要仪表之一也得到了越来越广泛的应用 通常可用在水 库中水位以及罐体中液位等的测量中 还可用在两种介电常数相差较大的液体中 用来确定液位的分界面 国内市场最先使用的液位计都是购买的国外进口品牌 主要来自 siemens 2 e h 3 vega 4 等公司 随着国内市场对液位计需求量的 增多 很多公司开始研制液位计 以北京古大有限公司为首 首先生产出第一台 属于国内的液位计 随着后期技术的不断成熟与改进 目前性能可与国外品牌不 相上下 按照应用场合的不同 测量液位的方法又可分成两种 一种是连续测量方法 另一种是位式测量方法 主要区分于是否是对固定液位的测量 连续测量是能实 时对测量液面的变动进行检测并输出相关信息及时处理 而位式测量则是用在对 固定液面的测量中 在工业领域中常采用的是连续测量的方法 按照测量原理又 可分为差压式 浮筒式 连通式 伺服式 电容式 磁致伸缩式 超声波式以及 微波 雷达式液位计 差压式液位计 5 工作原理是通过压力传感器来感应被测液体两端压力差来计 算液位高度的 所以该液位计不适合于测量带有腐蚀性或者粘稠的液体中 且对 温度的变化较敏感 安装也较复杂 可靠性和精度都一般 浮筒式液位计 6 工作原理是通过浮筒的浮力来计算液位高度的 其测量易受液 面晃动的影响 所以精度不是很高 同样不适合于测量带有腐蚀性或者粘稠的液 体中 但是该液位计具有受外界温度和压力影响较小 安装简单 成本低等优点 连通式液位计 7 是一种玻璃管液位计 在市场中也较常见 其优点就是安装简 单 成本低 可直观读取测量结果 但是缺点是测量结果与液位是否波动有直接 关系 不适应于远距测试 可靠性较差 伺服式液位计 8 工作原理是通过采用可逆马达来驱动浮标从而来计算液位高 度的 该液位计测量精度较高且安装简单 只是价格昂贵一点 但是长期使用会 磨损机械表层对测量结果的精度造成影响 电容式液位计 9 工作原理主要是根据电容传感器获取的液体介电常数的大小 以及电容的大小来计算液位高度的 通常用来测量介电常数较高的液体 可用于 带有腐蚀性的液体中 高压情况下可实现远距传输 电子科技大学硕士论文 2 磁致伸缩式液位计 10 工作原理是利用磁致伸缩技术对液位进行测量的 由电 路发射的电流脉冲沿着磁致伸缩线传输 形成环形的电磁场 导波杆底部装有磁 体的浮子根据液面的变动沿着杆上下移动 在周围形成磁场 当两个场相遇时就 会产生一个回波信号 通过计算发射信号和回波信号之间的时间差来计算液位高 度 该液位计测量精度高达 0 5mm 可靠性高 但是不适于腐蚀性液体中 且不 能远距传输 超声波液位计 11 工作原理是依据回波测距原理来计算液位高度的 由天线发 射装置发出的超声波信号在空气中传播遇到液面时发生反射 通过计算发射波与 反射的回波信号之间的时间差来计算液位高度 该液位计反应快 精度高 但是 成本较高 安装较复杂 由于超声波在罐体内可以来回反射产生大量干扰信号 所以不适用于小罐体或者密闭环境对液位的测量中 微波 雷达液位计 12 是利用时域反射原理设计的一款液位计 也是近几年兴起 的一种新的测量技术 其工作原理是电路发射的脉冲信号传输到液面产生反射信 号 通过计算发射信号与反射信号之间的时间差从来确定液位的高度 该液位计 精度高 且不易受到周围环境 介质密度 温度 蒸汽等 的影响 因此应用广 泛 可用于高温高压及现场环境较恶劣的工业领域中 其优势大大高过前几种液 位计 也是目前最有市场的液位计 与传统的液位测量仪表相比 雷达液位计精度更高 更易适应现场环境相对 恶劣的工业情况 13 下 所以雷达液位计也逐步取代了传统液位测量仪表在工业领 域中的位置 成为了市场的核心主力 尽管目前国内已经很有多厂商开始研发生 产雷达液位计 但是真正做到精度高 性能好的厂家不多 代表性的公司有北京 古大有限公司 算是国内研制液位计的一个里程碑 考虑到液位计的可观的市场 前景 以及目前多数厂家存在的精度不高 技术含量不过关以及回波信号处理存 在的问题等 加上工业上对于液位计能及时准确显示液位信息要求越来越高 因 此对液位计的研发已经成为热点 对于回波信号处理的分析研究以及液位计技术 的改进更是得到了越来越多的关注 雷达液位计的精度 体积 价位以及安装等 方面也成为了客户关心的关键 而导波雷达液位计因为自身独特的优势 具备可 用来测量较小介电常数的液体 且信号在传输过程中能量损耗较小等优点 所以 对其研究有更重大的意义 第一章 绪论 3 1 2 导波雷达液位计国内外研究现状 1 2 1 雷达液位计的分类 目前市场上 常见的雷达液位计大致可分为三大类 包括脉冲雷达液位计 导波雷达液位计以及调频连续波 fmcw 雷达液位计 分别对其工作原理及性 能优势作如下简介 脉冲雷达液位计 14 其工作原理是由喇叭天线发射周期性脉冲信号 信号在 空间传输 其速度接近于光速 当遇到被测液面时 由于传输中介电常数发生变 化 信号会在液位表面发生反射 反射回来的回波信号又被喇叭天线接收 通过 测量发射与接收信号之间的时间差来计算液面的高度 该液位计是通过喇叭天线 向外发射信号 必然会有能量传输不集中 测较远距离的液位目标时 损耗大 回波干扰信号较多 这对测试结果非常不利 所以脉冲雷达液位计的精度不仅取 决于测试目标的远近 还决定于脉冲信号的性能好坏 为了达到更高的精度 希 望脉冲信号带宽尽可能的窄 幅度尽可能高 一般该液位计精度是测量量程的 0 2 0 3 导波雷达液位计 15 其工作原理同脉冲雷达液位计基本一致 只是脉冲信号 是沿着导波杆传输的 该导波杆是从容器顶部直接插到容器底部的 常见的导波 杆包括单杆 双杆 同轴线 单缆和双缆 采用导波杆的液位计传输能量较集中 回波信号受干扰程度也较小 能够用来测量介电常数低至 1 4 的液位 由于导波杆 是插到容器底部的 所以也可用该液位计来测量不同介电常数分层液体的液位高 度 调频连续波 fmcw 雷达液位计 16 与前两种液位计不同 其工作原理是 通过喇叭天线发射经线性调制的连续调频波 遇到被测液位后反射回来的连续波 与发射波会产生频差 通过混频器得到的差频信号包含了测量的距离信息 经过 信号处理后即可得到液位高度 由于调频连续波液位计也属于非接触式液位计 抗干扰能力强 所以对测量环境要求低 且理论上没有测距盲区 更适用于近距 高精度的液位测量 精度可高达量程的 0 1 但是其测量距离易受发射功率的限 制 而且相对于导波雷达物位计 整体的电路设计更为复杂 成本也更高 所以 对于测量环境复杂度不高 对于精度要求不是很高的液位测量 通常较少采用调 频连续波雷达液位计 上述分析中 前两种液位计都属于脉冲式雷达液位计 其工作原理一样 都 是通过测量时间差来计算液位高度的 发射的都是脉冲信号 不同的是前者由喇 叭天线发射的脉冲信号是经过调制的 是非接触式的雷达液位计 后者由沿着导 电子科技大学硕士论文 4 波杆传输的脉冲信号是非调制的 是接触式的雷达液位计 后一种液位计发射的 是经线性调制的连续调频波 是通过测量频率差来计算液位高度的 调频范围越 大 测得距离越远 线性度越好 分辨率越高 脉冲雷达液位计和 fmcw 雷达液 位计都属于非接触式液位计 优势在于可在具有腐蚀性的测量环境中使用 但是 两者都采用喇叭式天线发射信号 信号传输受到喇叭口的影响 测较远距离时 信号会在容器壁内多次反射 对真实回波信号的检测造成干扰 在测量介电常数 较小的液面时 其反射回波信号幅度较小 会难以识别 对测试结果造成影响 而导波雷达液位计虽然不能在强腐蚀性环境中使用 但是它有自身的优势 1 可用来测量较低介电常数的液位环境 回波信号的幅度大小与介电常数 的大小呈正比例关系 因为信号沿导波杆传播 所以损耗较小 在介电常数低至 1 4 的环境仍能有效监测到回波信号 2 可用来测量不同介质的分界面 当下层液面的介电常数比上层液面的介 电常数大很多时 信号传播到上层液面时有一部分信号反射 有一部分信号继续 传播到下层界面 通过不同层面的回波信号来分辨不同介质的分界面 3 可用来测量容器内部环境易产生干扰信号的液位 由于信号沿着导波杆 传播 能量比较集中 几乎不会传播到容器壁上 更不可能在壁上产生反射 对 回波信号干扰较小 测量结果精确 且安装简单 4 可用于易燃易爆化工现场的测量 导波雷达液位计的输出信号能量较小 所以较安全 可适用于石化行业 且功耗较低 可以直接使用回路供电 不需要 额外增加交流供电 可大大节省安装费用 总之 导波雷达液位计因其自身优势及成本较低 被广泛用在工业测距领域 中 目前现场中使用的导波雷达液位计大多数是进口产品 国内大多数厂家只是 代售商 拥有核心技术的厂商不是很多 而随着工业领域的不断拓展 导波雷达 液位计的需求量也与日俱增 加上进口产品本身价格昂贵 所以对导波雷达液位 计的研发有着重大的意义 1 2 2 国内外研究现状 雷达液位计的发展起源于上世纪 80 年代 最先开始研发雷达液位计的是 vega 4 和 saab 公司 vega 主要以研发生产脉冲式雷达液位计为主 大多采用 时间拓展的方法来对时间进行测量 并通过多次测量取平均值来提升精度 但是 因受到电路芯片的限制 所生产的雷达液位计精度不高 当时可做到 5 10mm saab 主要以研发生产调频连续波雷达液位计为主 采用傅里叶变换技术以及锁相 跟踪技术 做到高精度要求 可达到 1mm 第一章 绪论 5 80 年代以来 随着我国经济迅速发展 工业领域对自动化程度的要求越来越 高 市场上雷达液位计的需求量也与日俱增 由 vega siemens 2 e h 3 rousemount 17 等大品牌公司供应的雷达液位计占据了国内市场需求量总额的 80 90 2002 年以前国内石油化工领域选用的调频连续波雷达液位计有 99 主 要来自于 saab 公司 2005 年以前国内市场选用的导波雷达液位计有 80 85 来自于 vega 公司 随着科学技术的进步 射频器件在工业领域中得到了大量的应用 雷达液位 计的工作频率也由低频向高频过渡 由最开始的超高频波段 915mhz 980mhz 发展到 x 波段 5 8ghz 6 3ghz 再到后来的 k 波段 24ghz 26ghz 2011 年西门子 siemens 研制了一款中心频率高达 78ghz 的 fmcw 雷达液位计 18 频 率的逐渐增大 使得设计的天线或者传输线体积逐渐减小 实现了器件的小型化 重量轻 更有利于现场安装 测量量程可高达 70 米 不断的采用新技术 简化结 构 缩减成本 使得雷达液位计能够不断适应于更恶劣更复杂的环境 可测量更 小介电常数的液面 由 krohne 19 公司生产的导波雷达液位计可用来测量介电常 数低至 1 4 的液位 导波雷达液位计逐步向更智能化 更高精度以及更佳性能的方 向发展 与国外进口产品比较 由国内生产的雷达液位计不论从技术水平 还是市场 需求 都比国外晚起步很多 国内最早研发生产雷达液位计的是北京古大仪表有 限公司 2003 年生产出国内第一台雷达液位计 是国内雷达液位计的一个里程碑 2007 年相继生产出第一台 26ghz 雷达液位计 随着技术的不断进步 加上国内市 场需求量的增加 越来越多的国内厂商加入了生产研发和销售雷达液位计的行列 中 但是拥有自己核心技术的厂商寥寥无几 生产出来的导波雷达液位计也存在 很多问题 比如精度不高 功能不齐全 对真实回波信号的确定以及处理经验不 足等 所以大多数厂商还停留在国外刚起步的水平 或者直接购买国外雷达液位 计的核心电子部件 自己进行组装后再流入市场 目前对国内市场上用的较多的 国外厂商生产的雷达液位计性能作对比 如表 1 1 所示 国外生产导波雷达液位计的几家厂商对于回波信号处理模块的技术做的相当 成熟 以 e h 为例 为了消除固定的干扰信号 顶部回波 首次提出四种有效 确定回波真实位置的方法 接着对这四种方法得到的结果分配一定的权重因子 然后比较 最后选择权重最大的数值作为有效的回波位置 21 rousemount 公 司使用采集到的回波信号先减去补偿信号 依据固定的干扰信号预先设置的波形 相同的信号 然后再进行有效回波的确定 22 当液体的介电常数接近空气的介 电常数时 此时回波信号幅度极小 较难识别出来 为此 rousemount 公司 电子科技大学硕士论文 6 又提出将现场采集到的回波信号先减去修正后的空罐信号 再对减去后的回波曲 线查找最大峰值点作为有效回波的位置 23 对于虚假回波的抑制 siemens 公司 根据经验总结出一条电平曲线 使用适当的算法对该电平曲线进行修正 使得修 正后的曲线包络空罐回波中的虚假回波 然后再用回波曲线减去该修正后的曲线 求取液位 24 从而快速得到可靠稳定的测量结果 25 表 1 1 国外导波雷达液位计性能比对表 公司 rousem ount vage e h krohne nivelco hycont rol 20 型号 3300 vagefle x61 fmr231 1300c microtre k vf03 适用 场合 液体 粉尘 蒸汽 固体 液体 较轻 固体介质 液体 浆料 颗粒 液体 自来水 液体 固体 粉尘 液体 粉末 和颗粒状 的固体 介电 常数 2 5 1 7 2 1 2 2 2 3 测量范围 m 0 1 23 5 1 32 20 0 5 40 24 24 精度 mm 5 10 10 3 15 5 最小分辨 率 mm 1 不祥 1 1 不祥 1 盲区 mm 100 400 500 250 400 400 环境 温度 oc 40 85 30 60 40 80 40 80 30 55 40 55 过程 温度 oc 40 150 40 150 60 400 40 200 50 250 40 200 过程 压力 bar 1 40 1 40 40 70 1 40 40 0 16 保护 等级 ip66 ip65 ip65 ip66 ip65 ip67 防爆 等级 eexia iic t4 eexia iic t6 eexia iic t6 ex d ia iic t6 eexia iic t6 eexia iic t6 第一章 绪论 7 1 3 论文的主要研究内容及章节安排 随着工业领域的不断发展 导波雷达液位计的需求量在市场中占据了越来越 重要的位置 正因为其较强的市场竞争力和吸引力 对导波雷达液位计的设计及 开发也引起了热议 成为关注的焦点 本论文就是通过大量收集资料 仔细分析 研究最后确定了具体的系统整体实现方案 而导波雷达液位计主要由脉冲收发电 路模块 信号处理模块以及通讯显示电路模块构成 本论文主要分析介绍整个系 统的硬件电路实现部分 软件部分主要包括电路总体设计流程的主程序 回波信 号处理的算法 按键和 lcd 液晶屏显示 串行通信模块 系统辅助程序以后对实 物的调试等 这些由另一位队友配合完成 具体各章节安排如下 第一章 主要介绍导波雷达液位计的研究背景及选题意义 产品分类以及国 内外研究发展状况 最后对本论文各章节安排作了简单的介绍 第二章 主要介绍采用导波雷达液位计测距的核心技术 时域反射原理 在 引进时域反射原理之前介绍了传输线理论基础与匹配理论相关概念以及探头的设 计及仿真 并给出了导波雷达液位计的设计指标以及对性能的要求 第三章 主要介绍窄脉冲信号产生电路模块 分别介绍了基于隧道三极管 雪崩三极管 阶跃恢复二极管以及门电路的窄脉冲信号发生器的电路结构 软件 仿真及性能优劣势等 综合后 本论文选用了雪崩三极管 可产生脉宽较窄 幅 度较大的窄脉冲 具有传输距离远及分辨率高的优点 另外对 pcb 板的要求也不 高 成本较低 第四章 介绍回波信号处理模块 主要是等效时间采样的实现方法 分析比 对双管取样门 平衡取样门以及桥式取样门电路的原理和性能 本文最后选取桥 式取样门 取样门电路的设计关键在于延时脉冲信号的产生和对称取样脉冲的产 生 接着对可实现信号的延迟方法及对称取样脉冲的产生电路做了详细的描述 第五章 主要介绍导波雷达液位计系统的整体设计方案 详细介绍硬件电路 设计中采用关键的单片机 stm32f103vf 的特点及其外围电路 简单介绍电源电 路 信号调理电路以及通信显示电路的实现过程 最后就 pcb 板的加工及制作 提出了几点注意事项 第六章 针对设计指标要求 对设计结果进行分析和总结 指出设计过程中 存在的缺陷 后续工作中将对其不断完善 并在章节最后对导波雷达液位计的发 展前景进行了展望 电子科技大学硕士论文 8 第二章 导波雷达液位计理论基础分析 本章节主要介绍导波雷达液位计的工作原理以及依据的核心技术 时域反射 原理 当信号沿着传输线传播时 如果在传输过程中存在阻抗突变点时 电磁波 信号就会在突变点处产生反射 通过分析判断反射回波信号的极性 幅度以及延 时来精确定位其阻抗突变点 由于液体介电常数的变化可以等效为传输线阻抗的 变化 因此可采用这种方法来确定液位的真实高度 本章节同时也简单介绍了传输线理论基础 26 阻抗匹配理论相关知识以及探 头的设计 由于导波雷达液位计设计中 发射信号与接收信号共用一根传输线 所以必须要保证两路信号有效的隔离 本论文引入了基于传输线变压器来实现定 向耦合的方法 利用定向耦合器的特性实现发射信号与接收信号之间的隔离 2 1 时域反射技术 时域反射技术常被用在测量土壤中含水量 土壤溶质和水分的关系以及滑坡 监测等领域中 其原理简单 导波雷达液位计的核心技术采用的就是时域反射原 理 tdr 信号是沿着杆状传输线或者缆绳传输的 由电子线路中发出的发射信号 经过 50 的同轴电缆传播的过程中 会涉及到同轴电缆到导波杆的匹配以及杆到 缆绳的匹配 即信号源与传输线之间的匹配 本文设计了一个探头 匹配转换头 来严格保证这两部分阻抗匹配 不然不仅会影响信号源的输出功率 还会降低系 统的传输效率以及系统的稳定性 从而影响测量结果的误差和精度 这些因阻抗 不匹配引入的反射回波干扰信号是测量中不愿看到的 所以这就涉及到传输线理 论和匹配理论相关知识 所以在介绍时域反射原理前先对传输线理论及匹配理论 做一简单的介绍 2 1 1 传输线的理论与设计及其匹配理论 传输线是可将电磁能量定向传输的装置 导波雷达液位计中用来传递信号的 导波装置有很多种 包括单杆 双杆 同轴线及电缆绳等 为了使能量在传输过 程中更集中 损耗更小 现在很多场合甚至采用三杆传输线 工业中常采用杆状导波雷达和缆绳状导波雷达液位计分别如下图 2 1 图 2 2 所示 一般杆状导波雷达液位计可测目标距离为 4 6m 而缆绳状导波雷达液位计 可测距离范围高达 35m 第二章 导波雷达液位计理论基础分析 9 图 2 1 杆状导波雷达液位计 图 2 2 缆绳状导波雷达液位计 传输线等效电路原理图如下图 2 3 所示 是由无数个由电感 l 电容 r 电容 c 和电导 g 组成的模块构成的 es zs c gzl c g lrlr 图 2 3 传输线等效电路图 传输线的特性阻抗可表示成 0 rjwl z gjwc 2 1 若传输过程中 线路出现故障 此时在故障点会发生阻抗突变 产生一个回 波信号 故障点的阻抗可看作是负载阻抗 zl 通过计算负载阻抗 结合特性阻抗 就可以分析故障点的位置 这里引入反射系数 的概念 用来表征负载阻抗与特 性阻抗之间的关系 0 0 l l zz zz 2 2 电子科技大学硕士论文 10 1 当信号沿着传输线在传输过程中没有遇到障碍物时 有 0l zz 此时 0 信号没有反射 全部被吸收 2 当传输线断路时 有 l z 此时1 信号发生全反射 发射信号 与反射信号极性相同 如下图 2 4 所示 图 2 4 回波信号示意图 3 当信号在传输过程中遇到障碍物 发生短路时 在短路点有信号的突变 有0 l z 此时1 信号发生全反射 但是发射信号与反射信号极性相反 如下图 2 5 所示 图 2 5 回波信号示意图 4 当负载阻抗大于特性阻抗 即 0l zz 时 此时01 信号部分被反 射 反射回波信号与发射信号极性相同 但是其幅度小于断路情况下的幅度 如 下图 2 6 所示 图 2 6 回波信号示意图 5 当负载阻抗小于特性阻抗 即 0l zz 时 此时10 同样信号部 分被反射回来 反射回波信号与发射信号极性相反 但是其幅度小于短路时反射 信号的幅度 如下图 2 7 所示 第二章 导波雷达液位计理论基础分析 11 图 2 7 回波信号示意图 2 1 2 匹配探头的设计 考虑到阻抗匹配等问题 实际设计中 电子线路中的发射信号经过 50 的同 轴电缆传输到传输线中 主要有两个阻抗突变点会影响到匹配 同轴到杆的匹配 以及杆到缆绳的匹配 所以必须要保证设计出来的探头能满足在该两点匹配完全 使得信号能够高效率的传播 从而保证测量结果的精确性和可靠性 在 ansoft hfss 软件中建立探头模型并对其仿真 由仿真结果可看出 右下图 2 8 图 2 9 所示 中心频率约在 940mhz 15db 带宽达到 0 8 1 05ghz 10db 带宽达到 0 75 1 1ghz 仿真结果初步符合设计要求 图 2 8 hfss 软件探头仿真模型 图 2 9 hfss 软件仿真结果曲线图 电子科技大学硕士论文 12 本文设计的探头结构图以及实物图如下图 2 10 图 2 11 所示 在套筒内部填 充介质以及 o 型圈 可以避免在有蒸汽 粉尘的环境下工作太久而导致对系统的性 能造成影响 且有利于降低驻波比和缩小探头体积 通过适当改变变量参数 介 质块直径 长度以及圆环直径等对驻波比影响较大的参数 来改善探头特性 图 2 10 探头结构图 图 2 11 探头实物图 2 1 3 时域反射原理 导波雷达液位计的测试核心技术基于时域反射原理 27 28 测量原理如下图2 12 所示 从安装上 导波杆是直接插到罐底的 仪表内部的电路板会通过同轴电缆 与传输线相连 并做到阻抗匹配 尽可能使脉冲信号能高效率沿着导波杆向液面 传输 尽可能少的信号发生反射 反射回来的少部分信号被称作顶部回波信号 当信号传播遇到液位面时 由于液体介电常数与空气介电常数相差较大 液位面 处阻抗发生变化 大量信号发生反射 形成真实的液位回波信号沿着导波杆返回 到发射装置处 但是仍然有一部分信号继续沿着导波杆向下传播到罐底 反射回 来的波称作底部回波信号 液位计就是通过对这些回波信号信号处理后 测量顶 部回波信号与真实回波信号之间的时间差来计算距离的 信号在罐中沿着导波杆的传播速度为 c 假设发射信号与回波信号之间的传输 距离为 s 经信号处理后测量出来的时间差是 t 则可由公式sct 计算出信号 在导波杆上传输的距离 22 svt l 2 3 假定罐高为 h 从而可计算出所测液位的高度 hhl 2 4 第二章 导波雷达液位计理论基础分析 13 在实际计算中 在罐体的顶部和底部都存在一段非线性区 即盲区 这两段 距离是在测量中无法精确得到的 需要将顶部盲区 h0与底部盲区 h1的高度考虑进 去 所以实测结果应该是 01 hhhh 2 5 顶部盲区 h0 底部盲区 h1 罐高h l 液位 高度h 有效量程 图 2 12 导波雷达液位计测量原理图 22 时域反射原理包括罐底反射原理以及分层测量原理 根据实际测试中 测量 环境的不同来合理选择应用 罐底反射原理通常用于测量介电常数较低的介质 首先测出空罐时 测出底 部回波脉冲的时间差 1 t 由于导波杆底部到顶部的高度是已知的 从而可算出传输 速度 1 v 然后测量当罐内有介质时 介质的介电常数和传播速度 2 v是已知的 测出 底部回波脉冲的时间 2 t 则液位的高度可表示为 211 2 1 21 tt vv hh vv 2 6 分层测量原理通常用来测量不同介电常数介质的分界面 而且下层介质的介 电常数应远大于上层介质的介电常数 2 2 定向耦合器 信号在传输过程中 由导波杆同时发射和接收信号 所以涉及到信号间的隔 离 本文采用的是基于传输线变压器 29 实现定向耦合 利用定向耦合器的特性来 电子科技大学硕士论文 14 实现发射信号与接收信号间的隔离 传输线变压器作为电路设计中常用的一种基 础元件 相比传统变压器 具有体积小 功率容量大以及工作频带宽等优点 基于传输线变压器实现定向耦合器的原理如下图 2 13 所示 本文中的变压器 采用的是反相变压器 其工作原理是 当信号从 a 端输入时 分成两路传播 一 路信号沿着电感 l1直接传输到 c 端 作为耦合端 其中会有一小部分信号进入到 反相变压器中到达 d 端 另一路信号沿着负载 zl和电感 l2直接传输到 d 端 到 达 d 端的信号等幅反相相抵消 作为隔离端 当信号从 b 端输入时 其原理与 a 端输入时相同 只是 c 端是隔离端 d 端是耦合端 可通过适当改变电容 c1和 c2 电感 l1和 l2的值来使得隔离端输出尽量为零 尽量保证信号间的隔离较好 c1zlc1 l1l2 ab cd c2c2 反相变压器 图 2 13 基于反相变压器设计的定向耦合器等效电路原理图 2 3 导波雷达液位计的性能及设计指标 导波雷达液位计属于接触型的测距仪表 相比其他雷达液位计 可测量的液 体的介电常数可以低至 1 4 并可区分两种不同介电常数液体的分界面 在实际测 量中 应用较广泛 本论文对导波雷达液位计的性能及设计指标要求如下 1 工作频率是 915mhz 2 测量范围 刚性导波杆 0 6m 柔性缆绳 0 35m 3 精度 3mm 4 传感器 控制器温度 40 85oc 5 过程温度 40 150oc 6 工作压力 1 40bar 7 计算并能在 lcd 液晶显示器上显示液位高度及单位 8 可修改液位参数 如液体的介电常数 杆或者缆绳长度 液位偏移量以 及法兰类型等 第二章 导波雷达液位计理论基础分析 15 9 可实现 4 20ma 电流信号的传输以及 hart 通讯协议 10 低功耗 防爆或本安型要求 抗干扰性好 11 维护方便 安装简单 成本较低 12 内部和外部数据存储保存 防止数据掉电丢失 13 系统出现错误时 能进行自我诊断 2 4 本章小结 本章节主要介绍导波雷达液位计的核心技术 时域反射原理 简单介绍了传 输线的理论基础与探头的设计流程 发射信号与接收信号之间的隔离采用的是基 于传输线变压器设计的定向耦合器实现的 最后 提出导波雷达液位计的设计指 标及要达到的性能要求 电子科技大学硕士论文 16 第三章 窄脉冲信号发生器的设计 导波雷达液位计发射的脉冲信号要求是一个超宽带窄脉冲信号 其具有较宽 的频谱 既包含较低的频率分量 又包含较高的频率分量 若脉冲信号带宽过宽 就会使得系统的分辨率降低 测量死区增加 若脉冲信号幅度过小 就会使得信 号不能较远距离的传输 因此为了达到测量精度要求 得到更好的测量结果 需 要产生一个幅度较大 带宽较窄且重复频率较高的脉冲发射信号 可产生窄脉冲信号的核心器件种类繁多 通常有隧道二极管 雪崩晶体三极 管 阶跃恢复二极管及数字门电路等 每种元件产生窄脉冲信号的机理不同 可 根据实际情况选择合适的脉冲发生电路 下文将对四种脉冲信号发生器电路作详 细的分析与介绍 3 1 隧道二极管窄脉冲信号发生器 隧道二极管是以其隧道效应 混合砷化镓和锑化镓等材料而制成的一款半导 体晶体二极管 众所周知 对于普通的 pn 结 只有在外加偏压大于势垒电压的情 况下 电子才可以通过耗尽层形成电流 但是 要是 pn 结很薄 并且掺杂浓度较 高 电子就会逐步穿透势垒形成隧道电流 这种现象称为隧道效应 其具有开关 速度快 工作频率高等优点 隧道二极管的伏安特性曲线如图 3 1 所示 其中曲线上升部分表示的是正阻 区 下降部分表示的是负阻区 隧道二极管脉冲电路图如 3 2 所示 图 3 1 隧道二极管的伏安特性曲线 第三章 窄脉冲信号发生器的设计 17 u0 r1 l e r2 ac r3 l c2 图 3 2 隧道二极管脉冲发生器电路图 通过给 r1 r2 和 e 选取不同的数值 可大致归纳出三种具有代表性的直流 负载线 实现三种不同类型的脉冲电路 负载线 i 与伏安特性曲线交于 a 点位于正 阻区 是稳定点 用于实现单稳态电路 负载线 ii 与伏安特性曲线交于 b 点位于 负阻区