基于微波諧振腔的葡萄糖溶液濃度測量系統(tǒng)

　　1.4 微波諧振腔的材料選擇：

　　要實(shí)現(xiàn)葡萄糖溶液濃度的測量，諧振腔測得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要通過波導(dǎo)傳入到外處理電路，同時(shí)外處理電路也需要通過波導(dǎo)TE₀₁實(shí)時(shí)監(jiān)控諧振腔內(nèi)的頻率偏移。作為傳輸介質(zhì)，波導(dǎo)應(yīng)滿足：①作為耦合裝置應(yīng)符合諧振腔的耦合要求;②使傳輸信號衰減最小。

　　微波信號通過矩形波導(dǎo)，由圓形孔耦合到諧振腔，當(dāng)輸入諧振腔的微波頻率與諧振頻率相等時(shí)，微波信號在腔內(nèi)形成駐波，此時(shí)諧振腔的反射功率很小，達(dá)到諧振狀態(tài)^[7] 。由于電磁波在液體中的損耗使諧振腔的Q值下降，為使Q值達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須盡可能的減小電磁波輻射損耗和腔體內(nèi)表面損耗。一方面以銅作為諧振腔的材料，兩端封閉減小電磁波的泄露;另一方面要在諧振腔表面鍍銀，且使內(nèi)表面光滑，減小導(dǎo)體的損耗。微波諧振腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　1.5 試劑及實(shí)驗(yàn)要求：

　　由于溫度變化對介電常數(shù)有影響，因此需要溫度傳感器實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，建立不同溫度下頻率、濃度的數(shù)據(jù)庫。本文重點(diǎn)在于將濃度信息轉(zhuǎn)化為電信息，為減少溫度對測量誤差的影響，所有實(shí)驗(yàn)溫度均選擇溫度為298.15 K。

　　系統(tǒng)選擇濃度為100 mmol/kg、200 mmol/kg、300 mmol/kg、400 mmol/kg、500 mmol/kg、600 mmol/kg的葡萄糖溶液濃度進(jìn)行測量。

　　1.6 系統(tǒng)測量框圖

　　諧振腔測量系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。圖中的諧振腔為工作在TE₀₁₁模式的封閉反射式諧振腔，當(dāng)腔內(nèi)被測量溶液的濃度發(fā)生變化時(shí)，諧振腔的諧振頻率發(fā)生偏移，壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)產(chǎn)生的調(diào)頻信號經(jīng)過定向耦合器分成兩路：一路進(jìn)入混頻器，與本振信號混頻，產(chǎn)生中頻信號;另一路通過環(huán)形器進(jìn)入諧振腔，諧振腔的反射信號再經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入檢波器，檢波器輸出調(diào)制信號，頻率跟蹤系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制信號的大小和方向控制VCO的輸出頻率，使輸出的載波頻率始終與諧振腔的諧振頻率相等?；祛l器的基準(zhǔn)頻率為諧振腔的諧振頻率9.6 GHz，由混頻器產(chǎn)生的差頻信號為微擾前后的頻率偏移，差頻信號經(jīng)過整形放大后經(jīng)過頻率測量系統(tǒng)測量其頻率，最后通過數(shù)據(jù)處理就可以得到溶液的濃度。

　　為了得到溶液濃度變化所產(chǎn)生的諧振頻率的準(zhǔn)確偏移量，首先要求諧振腔具有很高的品質(zhì)因數(shù)^[10]，其次由于該偏移量是混頻器輸出的差頻信號，混頻器的基準(zhǔn)頻率必須具有很高的穩(wěn)定性。再次，頻率跟蹤系統(tǒng)要有較高的可靠性，要求能夠控制VCO的輸出頻率與諧振腔的諧振頻率保持一致，這樣才能保證測量的精度。

2 自動頻率跟蹤系統(tǒng)

　　2.1 跟蹤原理

　　在測量系統(tǒng)中，VCO的輸入由直流信號和調(diào)制信號共同控制，所以其輸出為調(diào)頻信號，自動頻率跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是諧振腔對調(diào)頻信號的幅度響應(yīng)。當(dāng)調(diào)頻信號輸入諧振腔時(shí)，根據(jù)載波頻率與諧振頻率的大小關(guān)系，諧振腔的響應(yīng)有3種不同的情況^[8]。設(shè)f_t為輸入調(diào)頻信號的載波頻率，f₀為諧振腔的諧振頻率，當(dāng)f_t<f₀時(shí)，檢波器的輸出信號與調(diào)頻信號的頻率相同、相位相反，當(dāng)f_t>f₀時(shí)，檢波器的輸出信號與調(diào)頻信號的頻率和相位均相同，當(dāng)f_t=f₀時(shí)，檢波器的輸出信號為幅度很小的調(diào)頻信號的絕對值。由以上分析可知，要確定輸入調(diào)頻信號與諧振頻率的關(guān)系，只需分析檢波器輸出信號與輸入調(diào)頻信號的幅度和相位的關(guān)系^[9]。先對輸出信號進(jìn)行幅度的鑒別，由于諧振時(shí)諧振腔吸收了大部分的功率，檢波器的輸出信號幅度很小;沒有諧振時(shí)，檢波器輸出幅度比較大，但相位不同，所以先對檢波器的輸出進(jìn)行幅度鑒別，然后根據(jù)幅度鑒別的結(jié)果進(jìn)行相位的檢測。