專利名稱：一種相位差測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于糧庫儲糧監(jiān)測領(lǐng)域，更具體涉及一種利用電磁波來測定糧食密度的相位差測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
糧食密度是糧庫儲糧數(shù)量檢測系統(tǒng)中一項重要的物理量，因為糧食介電常數(shù)與糧食密度之間關(guān)系的存在，可以利用介電常數(shù)特性方便確定地糧庫中糧堆的密度數(shù)據(jù)，從而為有效開展清倉查庫工作奠定技術(shù)上的基礎(chǔ)。如圖1所示，一種糧堆介電常數(shù)直接法的測量裝置，其中兩接收天線接收的波形如圖2所示。該裝置測量獲得電磁波在發(fā)射天線與接收天線之間傳播的時間以及發(fā)射天線與接收天線的距離，由此計算糧堆的介電常數(shù)。該方法中，電磁波在發(fā)射天線與接收天線之間傳播的時間由信號接收機根據(jù)A、B兩根接收天線的信號相位差獲得。相位差測量常用的方法有直接測量法和李沙育圖形法，這兩種方法直接用肉眼觀察示波器上顯示的波形或者李沙育圖，難以保證測量精度。但是隨著示波器的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，可以將采集到的數(shù)據(jù)保存下來，在計算機上完成相位差的數(shù)據(jù)處理與計算，也可用虛擬儀器替代示波器進行數(shù)據(jù)采集，大大提高了測量的精度，但是成本也提高了。另外也有采用相位_時間轉(zhuǎn)換法進行相位差測量的研究，相位_時間轉(zhuǎn)換法在被測信號頻率較高時， 測得相位差的絕對誤差比較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高相位差的測量精度，同時降低成本，從而能準確低成本地測定糧食的密度，提供了一種相位差測量裝置與方法。本發(fā)明具體技術(shù)方案如下一種相位差測量裝置，所述裝置包括相位差測量單元，用于將兩接收天線的電磁波相位差轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；極性判斷單元，用于判斷兩接收天線的電磁波相位超前還是滯后；測控單元，用于處理測量數(shù)據(jù)、顯示測量結(jié)果以及傳輸數(shù)據(jù)給上位機。進一步，所述相位差測量單元中具體包括相位檢測器，將兩接收天線的電磁波相位差轉(zhuǎn)換為電信號；低通濾波器，用于濾除干擾信號、信號阻抗匹配和信號電流放大；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電信號模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量；其中，相位檢測器，低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器順序相連。進一步，所述極性判斷單元包括雙通道電壓比較器，用于將兩正弦電磁波均整形為方波；D觸發(fā)器，用于比較兩方波的相位關(guān)系；其中雙通道電壓比較器的兩路輸出分別與 D觸發(fā)器的D輸入端和時鐘輸入端相連。雙通道電壓比較器和D觸發(fā)器相連。進一步，所述測控單元包括微控制器，用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對測量數(shù)據(jù)進行處理，控制顯示裝置與USB控制器的數(shù)據(jù)傳輸；顯示裝置在微控制器的控制下顯示測量結(jié)果；USB控制器在微控制器的控制下將測量數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給上位機；其
4中，微控制器分別與顯示裝置和USB控制器相連。進一步，所述相位檢測器為乘法器型的相位檢測器。進一步，所述低通濾波器為巴特沃什型有源低通濾波器。一種相位差測量方法，包括以下步驟S100，將來至兩接收天線的電磁波送入相位檢測器，相位差轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻干擾信號、阻抗匹配及電流放大后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量；S200，將來至兩接收天線的電磁波送入雙通道電壓比較器，將兩正弦電磁波均整形為方波，由D觸發(fā)器比較兩方波的相位超前與滯后關(guān)系；S300，微控制器獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，并運用去極值平均濾波法減小隨機測量誤差，計算出電壓值Vphs ；S400，微控制器獲得極性判斷結(jié)果，按公式Δ φ = ±ai-a(lVPHS (士由極性判斷結(jié)果確定，B0^a1是常數(shù))計算出相位差值；S500，相位差測量結(jié)果在顯示裝置上顯示，并由USB控制器經(jīng)USB接口送入上位機。進一步，步驟SlOO中所述電磁波為同頻率正弦波。進一步，步驟S300中所述去極值平均濾波方法為連續(xù)采樣N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2個采樣的平均值。進一步，步驟S400中％、B1的值取得采用方法為由雙通道信號源同時輸出兩路頻率相同相位差為△ Φ的正弦波，經(jīng)過相位差測量裝置將相位差轉(zhuǎn)換為電壓Vphs，并在LCD 上顯示出電壓；采取以10°步進進行0 360°移相，通過測量獲得反映相位差電壓Vphs與相位差Δ φ的離散數(shù)據(jù)；再通過最小二乘法計算出％、 的值發(fā)明效果本發(fā)明在很寬的頻率范圍內(nèi)相位差的測量精度與信號電平無關(guān)，相位極性判斷單元擴展了相位檢測器的測量范圍，去極值平均濾波和線性校正方法減小了測量誤差，提高了測量精度。


圖1是背景技術(shù)中采用直接法測量介電常數(shù)的裝置示意圖；圖2是背景技術(shù)中兩接收天線接收的電磁波信號；圖3是本發(fā)明的相位差測量裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明的相位差測量方法的流程圖；圖5是本發(fā)明的去極值平均濾波方法的流程圖。具體實施實例下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖3所示的相位差測量裝置由相位差測量單元、極性判斷單元和測控單元組成，通道1、2分別接兩根接收天線。相位差測量單元包括相位檢測器、低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的。相位檢測器采用AD8302，將兩輸入信號的相位差也轉(zhuǎn)化為電壓輸出，其范圍為0 1. 8V，可表示兩信號的相位差為-180° +180°。低通濾波器采用了運算放大器AD8532構(gòu)成的巴特沃什型有源濾波器，該巴特沃什有源濾波器的增益為1，通帶保持平坦，_3dB帶寬為20KHz，0 5KHz 波形基本不發(fā)生改變，40KHz時的衰減可達56dB。模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用14位的MAX1067，使相位的分辨率不低于0. 1°，采樣速度為200ksps。極性判斷單元包括雙通道電壓比較器和D觸發(fā)器。雙通道電壓比較器采用AD8612，其內(nèi)部具有兩路獨立的比較器，用一片即可完成兩路信號的整形，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波。D觸發(fā)器采用74LVC74A，兩路方波，一路接在D觸發(fā)器時鐘輸入引腳，另一路接在D 輸入引腳，D觸發(fā)器的輸出Q端接到微控制器的數(shù)據(jù)線上。當Q為高電平時，說明通道1相位超前于通道2，相位差為正，否則說明通道2相位超前于通道1，相位差為負。測控單元包括微控制器、IXD和USB控制器。微控制器采用單片機，采用SPI總線與模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1067相連，對MAX1067進行控制并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，對測量數(shù)據(jù)進行處理， 控制IXD顯示與USB控制器的數(shù)據(jù)傳輸。IXD在單片機的控制下顯示測量結(jié)果。USB控制器將測量數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給PC機。如圖4所示的相位差測量方法包括以下步驟S100,將來至兩接收天線的電磁波送入相位檢測器AD8302，將相位差轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過由AD8532構(gòu)成的巴特沃什型有源低通濾波器，濾除高頻干擾信號號、阻抗匹配和電流放大后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1067將電信號模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量；S200，將來至兩接收天線的電磁波送入電壓比較器AD8612，將兩正弦電磁波均整形為方波，一路接在D觸發(fā)器時鐘輸入引腳，另一路接在D輸入引腳，D觸發(fā)器的輸出Q接到微控制器的數(shù)據(jù)線上。當Q為高電平時，說明通道1相位超前于通道2，相位差為正，否則說明通道2相位超前于通道1，相位差為負；S300，微控制器通過SPI總線與模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1067相連，對MAX1067進行控制并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并運用去極值平均濾波法減小隨機測量誤差；S400，微控制器獲得極性判斷結(jié)果，按公式Δ φ = ±ai-a(1VPHS(VPHS是步驟S300的處理結(jié)果，士由極性判斷結(jié)果確定，B0^a1是常數(shù))計算出相位差值；S500，相位差測量結(jié)果在微控制器的控制下傳輸?shù)絀XD上顯示，并由USB控制器經(jīng) USB接口送入PC機。步驟S300中所述去極值平均濾波方法為連續(xù)采樣N次，將其累加求和，同時找出其中的最大值與最小值，從累加各中剔除其最大值和最小值，再求余下N-2個采樣的平均值，即得有效采樣值，采集完成后向上位機發(fā)送有效采樣值。其流程圖如圖5所示。步驟S400中％、 的值取得采用方法為由雙通道信號源同時輸出兩路頻率相同相位差為△ Φ的正弦波，經(jīng)過相位差測量裝置將相位差轉(zhuǎn)換為電壓Vphs，并在LCD上顯示出電壓。采取以10°步進進行0 360°移相，通過測量出的獲得反映相位差電壓Vphs與相位差Δ φ的離散數(shù)據(jù)。通過最小二乘法計算出％、 的值。對于η個實驗數(shù)據(jù)對(xi，yi) (i = 1,2,... ,η)可求得 以上，僅為本發(fā)明的較佳實施例及所運用技術(shù)原理，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍的內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種相位差測量裝置，其特征在于所述裝置包括相位差測量單元，用于將兩接收天線的電磁波相位差轉(zhuǎn)換為數(shù)字量； 極性判斷單元，用于判斷兩接收天線的電磁波相位超前還是滯后； 測控單元，用于處理測量數(shù)據(jù)、顯示測量結(jié)果以及傳輸數(shù)據(jù)給上位機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述相位差測量單元中具體包括相位檢測器，將兩接收天線的電磁波相位差轉(zhuǎn)換為電信號；低通濾波器，用于濾除干擾信號、信號阻抗匹配和信號電流放大； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電信號模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量； 其中，相位檢測器，低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器順序相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述極性判斷單元包括雙通道電壓比較器，用于將兩正弦電磁波均整形為方波；D觸發(fā)器，用于比較兩方波的相位關(guān)系；其中，雙通道電壓比較器的兩路輸出分別與D觸發(fā)器的D輸入端和時鐘輸入端相連，雙通道電壓比較器和D觸發(fā)器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述測控單元，包括微控制器，用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對測量數(shù)據(jù)進行處理，控制顯示裝置與USB控制器的數(shù)據(jù)傳輸；顯示裝置在微控制器的控制下顯示測量結(jié)果；USB控制器在微控制器的控制下將測量數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給上位機； 其中，微控制器分別與顯示裝置和USB控制器相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種相位差測量裝置，其特征在于所述相位檢測器為乘法器型的相位檢測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種相位差測量裝置，其特征在于所述低通濾波器為巴特沃什型有源低通濾波器。
7.利用權(quán)利要求1所述的裝置實現(xiàn)相位差測量方法，其特征在于包括以下步驟， S100，將來至兩接收天線的電磁波送入相位檢測器，相位差轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻干擾信號、阻抗匹配及電流放大后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)子里；S200，將來至兩接收天線的電磁波送入雙通道電壓比較器，將兩正弦電磁波均整形為方波，由D觸發(fā)器比較兩方波的相位超前與滯后關(guān)系；S300，微控制器獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，并運用去極值平均濾波法減小隨機測量誤差，計算出電壓值V腿；S400，微控制器獲得極性判斷結(jié)果，按公式A^zi3l-AfSis (±由極性判斷結(jié)果確定，^0、a是常數(shù))計算出相位差值；S500,相位差測量結(jié)果在顯示裝置上顯示，并由USB控制器經(jīng)USB接口送入上位機。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種相位差測量方法，其特征在于步驟SlOO中所述電磁波為同頻率正弦波。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種相位差測量方法，其特征在于步驟S300中所述去極值平均濾波方法為連續(xù)采樣N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2個采樣的平均值。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種相位差測量方法，其特征在于步驟S400中％、A的值取得采用方法為由雙通道信號源同時輸出兩路頻率相同相位差為的正弦波，經(jīng)過相位差測量裝置將相位差轉(zhuǎn)換為電壓并在IXD上顯示出電壓；采取以10°步進進行0 360°移相，通過測量獲得反映相位差電壓Gis與相位的離散數(shù)據(jù)；再通過最小二乘法計算出 、 的值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相位差測量裝置和方法，其中測量裝置包括由相位檢測器、低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的相位差測量單元，由雙通道電壓比較器和D觸發(fā)器組成的極性判斷單元，由微控制器、LCD和USB控制器組成的測控單元。測量裝置通過相位差測量單元將兩根接收天線的電磁波相位差轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用極性判斷單元判斷兩電磁波相位是超前還是滯后，利用測控單元進行測量數(shù)據(jù)處理，測量結(jié)果顯示與傳輸。
文檔編號G01R25/00GK102419397SQ20111023383
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者吳方明, 吳炳方, 楊雷東 申請人:中國科學院遙感應用研究所