專利名稱：電子多用途材料平面高度傳感器的制作方法
政府權(quán)利的聲明根據(jù)美國能源部與加利福尼亞大學(xué)為羅倫斯利物莫國家實(shí)驗(yàn)室簽訂的合同No.W-7405-ENG-48，美國政府對(duì)本發(fā)明有跟蹤的權(quán)利。
本發(fā)明一般地來說涉及一種傳感器，更具體地說涉及一種平面高度傳感器，用來測量容器如反應(yīng)器、導(dǎo)管、河床、灌溉渠、傳送裝置、自由固定的堆積物以及各種其他系統(tǒng)中流體或其他材料的平面高度和狀況。此外，本發(fā)明涉及一種線性的位移傳感器，用于機(jī)械工具、液壓執(zhí)行元件和類似的有可移動(dòng)部件的設(shè)備。
現(xiàn)有技術(shù)中有各種各樣的設(shè)備用來測量兩種液體之間的液面或交界面。通常，這些設(shè)備包括容器中的傳感器和將數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送到遠(yuǎn)地的設(shè)備，數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)地檢測并轉(zhuǎn)換成反映容器中液面的可用形式。
典型的機(jī)械的和機(jī)電的傳感器(如浮筒)不太可靠，并且難以用在深槽或裝有腐蝕性液體的箱槽中。利用聲波或超聲波信號(hào)的設(shè)備又相對(duì)地不精確，因?yàn)橐羲匐S溫度和濕度的改變而改變?；诔暭夹g(shù)的傳感器不提供對(duì)實(shí)際流體平面的精確測量，因?yàn)槌曅盘?hào)通常對(duì)可能在流體表面形成的泡沫樣的東西(或泡沫)不反射。在容性的平面高度傳感器中，液體必須裹住傳感器，這樣，傳感器壁上的潮氣可能被傳感器錯(cuò)誤地感知。再之，容性傳感器不能提供關(guān)于浸入有傳感器的流體或混合體的狀況的信息。
頻率調(diào)制(FM)連續(xù)波(CW)雷達(dá)傳感器也一直用于對(duì)容器中液面的測量。在這些傳感器中，自由傳播的雷達(dá)信號(hào)向液體表面發(fā)射，雷達(dá)信號(hào)在液面下被反射回接收機(jī)并測定出信號(hào)的傳播時(shí)間，因而測定出參考點(diǎn)與流體面之間的距離。這些雷達(dá)昂貴、體積大且分辨力有限-典型值是6英寸。
大多數(shù)時(shí)域反射法(TDR)系統(tǒng)提供液面的精確指示且對(duì)液面的變化有快速反應(yīng)，但是，它們需要十分復(fù)雜而昂貴的系統(tǒng)才能正確地運(yùn)作。美國專利No.3832900中羅斯(Ross)描述了一個(gè)這樣的系統(tǒng)，他將一條開路同軸線浸入裝滿液體的容器中。液面在同軸線中產(chǎn)生一個(gè)不連續(xù)點(diǎn)且產(chǎn)生一個(gè)基帶脈沖信號(hào)的反射，該信號(hào)沿傳輸線往回傳播。收到這個(gè)反射的時(shí)間相對(duì)于發(fā)射脈沖的時(shí)間就決定了液面。但是，傳輸線容易造成堵塞而需要頻繁地清洗。
羅斯在美國專利No.3995212中描述了一個(gè)測量液面的裝置，其目的在于尋找堵塞問題并減小輻射反射檢測系統(tǒng)的復(fù)雜性。更確切地說，這份專利描述了一個(gè)形成脈沖發(fā)生器的裝置，產(chǎn)生一個(gè)脈沖時(shí)間為亞納秒的基帶探測脈沖，通過一個(gè)直接耦合器與一個(gè)變換裝置相耦合。這個(gè)變換裝置把引導(dǎo)探測脈沖的傳輸線變換成單導(dǎo)線傳輸線，波形沿此導(dǎo)線連續(xù)傳播。導(dǎo)線安放得與液體表面垂直且伸進(jìn)液面。在液體表面因介質(zhì)常數(shù)改變而引起的探測脈沖的反射沿著導(dǎo)線向變換裝置往回傳播并與直接耦合器耦合。
反射波的取樣被耦合到直接耦合器的反射口，直接耦合器還有一個(gè)口，口上出現(xiàn)入射波的取樣。這兩個(gè)口通過一個(gè)開關(guān)耦合到液面處理器，在處理器中入射波與反射波之間的延遲被測定出來。這個(gè)延遲用來測定液面。但是，這個(gè)液面檢測系統(tǒng)是相當(dāng)昂貴的，體積龐大，不能用來測量導(dǎo)電液體的深度。
勞爾等人(Rao et al)在美國專利No.4489601中插述了一個(gè)裝置，測量導(dǎo)電或非導(dǎo)電液體在參考面以上的高度。高伯(Goubau)傳輸線從輸入端延伸到一個(gè)有空?qǐng)A筒的接頭處，空?qǐng)A筒的直徑比高伯線的外徑大。在這外接頭處，高伯線伸進(jìn)空?qǐng)A筒形成一條同軸傳輸線，垂直地浸入液體-從液面以上伸入到液面下的某個(gè)參考面(通常是底面)。
脈沖在輸入端與高伯線耦合，且作為表面波傳播，直至到達(dá)接頭處變成兩種方式一種是在同軸線外的表面波方式，另一種是在同軸線內(nèi)的橫電磁方式。變換裝置控制分配給兩種方式的相對(duì)功率。在同軸線外傳播的表面波碰到液面的時(shí)候就產(chǎn)生反射。橫電磁方式在同軸線中完整地留下且無反射，直至一會(huì)兒到達(dá)液面下的參考面。在同軸線外的已反射表面波與同軸線內(nèi)的已反射橫電磁方式波沿著同軸線往回傳播，在高伯線耦合成為時(shí)間上隔開的已反射表面波。在高伯線上傳播的反射波送到直接耦合器并由接收機(jī)檢測。接收脈沖之間的時(shí)間與液面至參考面的距離成正比。然而，這個(gè)一般的TDR液面?zhèn)鞲醒b置相當(dāng)昂貴且體積龐大。
因此，人們對(duì)現(xiàn)有裝置的不滿意就迫切需要一種新的材料平面高度傳感器，該傳感器旨在解決上述的現(xiàn)有裝置中存在的問題，此外還提供合適的分辨力。這個(gè)新的平面高度傳感器要能夠指出容器如反應(yīng)器、導(dǎo)管、河床、灌溉渠、傳送裝置、自由固定的堆積物和各種其他的系統(tǒng)中流體或其他材料的平面高度和狀況。另外，新的傳感器還要能作為一個(gè)線性位移傳感器用于機(jī)械工具、液壓執(zhí)行元件和類似的帶有可移部件的裝置。
因此，本發(fā)明的目的是提供一個(gè)改進(jìn)的平面高度傳感器，它既不昂貴又很精確，重量輕，使用簡便。
本發(fā)明的另一目的是提供一個(gè)平面高度傳感器，它尺寸小巧，適用于致密的環(huán)境和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一個(gè)新的平面高度傳感器，它有極低的功耗，同時(shí)有寬的工作范圍。
本發(fā)明再有一個(gè)目的是提供一個(gè)新的平面高度傳感器，它能夠用來指示流體和其他材料(如顆粒狀材料)的平面高度和狀況。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一個(gè)新的平面高度傳感器，它能夠?qū)τ谄揭频臏y量判明移動(dòng)反射的交界面。
本發(fā)明的又一目的是提供一個(gè)傳感器，它也能夠用作線性位移傳感器。
本發(fā)明還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供一個(gè)平面高度傳感器，它檢測被測液體的實(shí)際平面且通常對(duì)泡沫狀材料不感應(yīng)。
簡言之，本發(fā)明以上的和進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)均由一個(gè)新的平面高度傳感器來完成，它的依據(jù)是十分短的電脈沖時(shí)間域反射法(TDR)。脈沖沿著浸入材料(如流體或固物物質(zhì))的傳輸線傳播。引起的參考反射和多介質(zhì)交界面之間的時(shí)間差能夠用于測量材料的平面高度和狀況。
傳感器與電路元件及溫度的變化基本無關(guān)，制造起來并不貴。傳輸線可以是高伯線、微波帶狀線(Microstrip)、同軸電纜、雙導(dǎo)線、共平面帶狀線或共平面波導(dǎo)管。典型地，傳輸線包括一條沿槽箱或容器內(nèi)壁安置的帶狀線。反射脈沖也包含關(guān)于流體內(nèi)層的信息，例如油箱底部積起的油泥。傳感器輕便可手提，很容易用于受限的和難以到達(dá)的地方。另外，傳感器還能用于極其接近傳輸線的物體的平移測量。
在自動(dòng)的或類似的使用場合，傳感器能用作量油尺去測定氣箱、曲軸箱、傳輸裝置、后背端、剎車流體油箱、風(fēng)擋水瓶、洗衣機(jī)等的灌注平面，工業(yè)桶的灌注平面等等。本傳感器能夠替代大多數(shù)的平面高度傳感器，包括那些用在洗手間、地下谷倉和氣站貯存箱、超大油輪等等的傳感器。本傳感器進(jìn)一步能用作一個(gè)線性的位移傳感器，用于機(jī)械位置控制、極限開關(guān)和音樂器材，其中，金屬或絕緣物體在離傳輸線極近的地方移動(dòng)或者與傳輸線接觸移動(dòng)。
本傳感器有一個(gè)極其簡單又便宜的取樣器-它僅僅是一只單二極管。被取樣的信號(hào)加到二極管的一端，即陽極端，門脈沖加到二極管的另一端，即陰極端。進(jìn)而，諸如取樣器漏取或不取樣、從信號(hào)輸入到取樣器輸出的假耦合等常見問題都不是要擔(dān)心的事情，因?yàn)樾盘?hào)只有高頻成分，平均值為0，這在下面關(guān)于TDR系統(tǒng)配置中將會(huì)說明。一個(gè)有限高頻帶寬放大器與取樣器相連，并把這些高頻成分阻擋住。因此，在一般取樣器中(如Tektronix ModelS-4)看到的復(fù)雜的漏取抵消電路被取消了。
另外，本傳感器有一個(gè)自偏壓設(shè)計(jì)，為在發(fā)送脈沖期間防止二極管正向?qū)?，平均整流門脈沖建立起約1V的直流電壓，則在取樣二極管兩端就有一個(gè)反偏。電容C(C＝22pf)保持且平滑這個(gè)偏壓，同時(shí)，一個(gè)1MΩ的偏壓電阻接地，形成一個(gè)泄放器，以維持偏壓電路的偏壓有一個(gè)絕對(duì)的最小值。
取樣緩沖放大器利用一個(gè)阻抗變換放大器，本質(zhì)上決定了帶寬。阻抗變換放大器是交流耦合的，消除了取樣二極管正向壓降和反向偏壓變化新造成的影響。進(jìn)一步說，它的高頻帶寬被限制在PRF以下，以便防止“脈沖到脈沖”偏壓變化的放大(此變化是在脈沖重復(fù)頻率PRF速率為2MHZ時(shí)產(chǎn)生的)，同時(shí)也平滑了隨機(jī)噪聲。
本傳感器還包括一個(gè)區(qū)間掃描電路，它在接收的門通路中利用一個(gè)十分簡單的RC延遲電路，提供一個(gè)與控制區(qū)間延遲電壓(此電壓由4.7kΩ電阻供給)有關(guān)的指數(shù)延遲函數(shù)。這個(gè)關(guān)于區(qū)間掃描的獨(dú)一無二的設(shè)計(jì)清楚地顯示了本發(fā)明超越一般傳感器的特色，一般的傳感器需要昂貴而復(fù)雜的精密高速模擬電流源以及為形成線性電壓斜坡延遲電路的比較器。
為了提供一個(gè)有最小分量的線性掃描延遲函數(shù)，一個(gè)等效時(shí)間(ET)指數(shù)斜坡被用作為掃描參考，輸入到上述的實(shí)時(shí)指數(shù)延遲斜坡電路。另外，區(qū)間掃描電路與電源電壓(Vcc)的變化相對(duì)無關(guān)，因?yàn)殡娫措妷和瑫r(shí)決定了實(shí)時(shí)和等效時(shí)間斜坡的幅值及比較器函數(shù)(由邏輯反相器形成)的判決門限(TTH＝Vcc/2)。在此關(guān)系式中，如果Vcc增加10％，那么斜坡幅值和判決門限電壓VTH也增加10％，于是在實(shí)時(shí)斜坡上的門限點(diǎn)就維持不變(最大幅值的50％)，即，在相同延遲上不考慮電源電壓Vcc的10％的增加。這個(gè)抵消效應(yīng)對(duì)于穩(wěn)定的、低跳動(dòng)的時(shí)基是十分重要的。
本傳感器更包括一個(gè)抖動(dòng)PRF電路，防止共存?zhèn)鞲衅骱蚦w發(fā)射體例如無線電站來的干擾。抖動(dòng)PRF電路把從導(dǎo)線、傳輸線或傳感器接頭來的假發(fā)射的頻譜線展開，也就減小了對(duì)通信業(yè)務(wù)的干擾，從而減小了在任一特定頻率上的峰值。
傳感器也包括一個(gè)快速脈沖發(fā)生器，構(gòu)成發(fā)射脈沖發(fā)生器和門脈沖發(fā)生器的部分，它包括一個(gè)高速CMOS或者肖特基TTL的邏輯門/倒相器去驅(qū)動(dòng)一個(gè)微波硅雙極晶體管?？焖倜}沖發(fā)生器可采用極低的價(jià)格，有低的功耗(例如，低于1mA)且高速運(yùn)行(即，渡越時(shí)間100ps)。由于晶體管在快速渡越結(jié)束時(shí)飽和，所以快速脈沖發(fā)生器也產(chǎn)生十分“干凈”的渡越而沒有瞬時(shí)跳動(dòng)。其他的一般快速脈沖發(fā)生器主要是依靠階躍恢復(fù)二極管，所以相對(duì)十分昂貴。
本傳感器在傳感器傳輸線始端利用一個(gè)謹(jǐn)慎考慮的阻抗失配，反射基準(zhǔn)脈沖在失配中消除了時(shí)基的漂移，即，在區(qū)間讀數(shù)中是0補(bǔ)償。
TDR包括(1)一個(gè)小的(1pf)微分電容，從發(fā)射脈沖發(fā)生器連接到電纜驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)；(2)一個(gè)50Ω的端接電阻，從驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接到地；(3)一個(gè)取樣二極管連到驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)。因此，本TDR比大多數(shù)(如果不是所有的)可以比得上的一般TDR簡單。
正常地，一個(gè)現(xiàn)存的TDR會(huì)包括一個(gè)用來代替電容的電阻，和一個(gè)隔離脈沖組成網(wǎng)絡(luò)，對(duì)脈沖發(fā)生器供給的脈沖進(jìn)行微分。用在本TDR的電容足夠地小，相對(duì)于出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)二極管上的反射脈沖來說，其不會(huì)加重電路的負(fù)荷，因此，這些脈沖不會(huì)象一般TDR的情況那樣被削弱，一般的TDR在此處用的是電阻。另外，這些常規(guī)的TDR常常利用一個(gè)昂貴而有損耗的直接耦合器。
取樣二極管的方向性防止被發(fā)射脈沖無意間開啟，它只能夠由門脈沖來開啟。
二極管在正常情況下是由直流偏壓反相偏置的，在發(fā)射脈沖的脈沖時(shí)間內(nèi)，二極管進(jìn)一步由發(fā)射脈沖反相偏置，有效地保持了二極管與驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的隔離，并且允許最大的發(fā)射脈沖幅值送到電纜以取得最佳信噪比。
本傳感器也能夠用作建筑工具或者與建筑工具連接。例如，傳感器能夠用于鉆頭中提供關(guān)于鉆井深度的精確信息。它還能在汽車中作動(dòng)力窗的安全傳感器用，借此，導(dǎo)線在離手或人體極近的地方嵌入窗玻璃中，產(chǎn)生一個(gè)反射，檢測此反射就達(dá)到關(guān)掉窗電機(jī)的動(dòng)力的目的。
本發(fā)明上述的和其他的特性以及獲得這些特性的方法變得明顯了，藉助于下面的描述和與之相隨的附圖，就會(huì)很好地理解本發(fā)明。附圖中，

圖1是材料平面高度傳感器按照本發(fā)明第一個(gè)優(yōu)選的具體裝置而安置的側(cè)視圖；圖2是圖1傳感器的頂視圖；圖3是圖1和圖2傳感器的側(cè)視圖；圖4是形成圖1至圖3傳感器的電路方框圖；圖5A和5B是圖1至圖4傳感器的詳細(xì)電路圖；圖6表示了在形成圖1至圖5傳感器部分的發(fā)射上產(chǎn)生的等效時(shí)間基準(zhǔn)脈沖的示波器軌跡，以及浸入深度為1吋和8吋的氣體/流體反射脈沖的示波器軌跡；圖7是沿容器壁有微波條狀傳輸線的剖面視圖；圖8是利用本發(fā)明的傳感器來測定鉆井深度的側(cè)視圖。
圖1、2和3表示了按本發(fā)明第一個(gè)優(yōu)選的具體裝置而設(shè)計(jì)的平面高度傳感器10。平面高度傳感器10通常包括一個(gè)收發(fā)信機(jī)12，它經(jīng)電纜16(如，50Ω同軸電纜)與導(dǎo)線或傳輸線14電耦合。
為了防止屏蔽層19上感應(yīng)出鏡象電壓，發(fā)射板18與電纜16的屏蔽層19相連，電纜16的內(nèi)導(dǎo)體21與導(dǎo)線14相連。正如圖3所示，電纜16與發(fā)射板18無縫封接，發(fā)射板18的背面安置一個(gè)電阻20，此電阻嵌入塑料支撐塊24。
收發(fā)信機(jī)12產(chǎn)生十分短的電脈沖，經(jīng)電纜16傳導(dǎo)到發(fā)射板18，發(fā)射板18起發(fā)射天線的地平面的作用，在鄰近的范圍內(nèi)幫助這些電脈沖，引導(dǎo)電磁(EM)波。EM波沿導(dǎo)線14傳播，導(dǎo)線14浸入流體22，流體22表面的平面高度23被檢測。當(dāng)EM波到達(dá)流體22的表面時(shí)，由于空氣與流體的交界面產(chǎn)生不連續(xù)效應(yīng)，它們就被部分地反射。
反射沿導(dǎo)線14向著發(fā)射板18回傳，此時(shí)發(fā)射板18起接收天線的地平面的作用，在那里，反射脈沖向收發(fā)信機(jī)12發(fā)射。收發(fā)信機(jī)12測定發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)之間的時(shí)間延遲，由此時(shí)間延遲，相對(duì)于發(fā)射板18的表面高度23就可以被確定出來。
反射脈沖的幅值τ與空氣的介質(zhì)常數(shù)ε0有關(guān)，與流體的介質(zhì)常數(shù)εvat有關(guān)，表示成如下等式τ＝〔1-(εvat/ε0)5〕/〔1+(εvat/ε0)5〕收發(fā)信機(jī)12測量脈沖多次反射的經(jīng)過時(shí)間并產(chǎn)生一個(gè)等效時(shí)間去門控一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電計(jì)數(shù)器或數(shù)字顯示。開門時(shí)間隨發(fā)射板18與空氣/流體交界面之間距離的增加而增加，等效時(shí)間標(biāo)尺因子是1吋＝1ms。發(fā)射板18是了引導(dǎo)波的發(fā)射并使電纜16上的熱接地問題變得最小。
傳感器10的一個(gè)重要的特性是一個(gè)謹(jǐn)慎考慮的反射是在發(fā)射板18上引導(dǎo)的。在這方面，接在發(fā)射板18和導(dǎo)線14之間的電阻20提供局部的阻抗不連續(xù)性，產(chǎn)生EM波的部分反射。這個(gè)反射用作收發(fā)信機(jī)12的基準(zhǔn)脈沖或參考脈沖。在基準(zhǔn)脈沖和反射脈沖之間進(jìn)行測量，反射脈沖與發(fā)射板18有關(guān)而與收發(fā)信機(jī)12無關(guān)，因此，電纜16引導(dǎo)出的誤差和漂移即使不是被完全消除，也是被大大減小了。
未被空氣/流體交界面反射的EM波通過流體22向著容器底部25或者包裹住流體22的桶27繼續(xù)它們的入射傳播，這些EM波被容器底部25反射出來并沿導(dǎo)線14回傳，在收發(fā)信機(jī)12中進(jìn)行處理。
如果在入射傳播期間，電磁波遇到另外的兩層物質(zhì)的交界面，例如，水泡29或在容器27底部35上的固體沉淀物，那么電磁波全部分地向發(fā)射板18回射。通常，本傳感器能夠沿傳播通路檢測任何一個(gè)不連續(xù)點(diǎn)，且能進(jìn)一步測量從發(fā)射板18到這個(gè)不連續(xù)點(diǎn)之間的距離。
本發(fā)明的傳感器10其一般運(yùn)作的基礎(chǔ)是從收發(fā)信機(jī)12來的脈沖發(fā)射，等待一個(gè)簡單的周期時(shí)間(Tsamp)，然后打開一個(gè)門或窗口，允許對(duì)反射脈沖的取樣。這個(gè)處理在1MHZ的速率上重復(fù)進(jìn)行，允許大約10-100個(gè)接收脈沖在等待周期Tsamp增加之前被平均。高的平均值減小了伴隨取樣信號(hào)而來的隨機(jī)噪聲。
被平均的脈沖提供一個(gè)與特定范圍上脈沖的反射相對(duì)應(yīng)的電壓值，該特定范圍出自于發(fā)射脈沖與開門時(shí)間(或取樣電路的操作時(shí)間)之間的延遲所決定的一組范圍。這個(gè)處理被稱做“范圍門控”，它提供了關(guān)于表面高度和被掃描交界面的深度信息。
本發(fā)明在等效時(shí)間內(nèi)對(duì)“范圍門”(即被掃描的區(qū)域)掃描。當(dāng)范圍門通過表面高度或交界面移動(dòng)的時(shí)候，范圍門內(nèi)的反射由收發(fā)信機(jī)12感受到。典型地，門僅在與發(fā)射脈沖寬度相等的時(shí)間內(nèi)被打開。本發(fā)明還利用托馬斯.E.麥克埃文(Thomas E.Mc-Ewan)的美國專利No.5345471所描述的超寬帶接收機(jī)的概念，這里整體地參考了名為“超寬帶接收機(jī)”的專利。
圖4是收發(fā)信機(jī)12的方框圖，包括一個(gè)任選的噪聲發(fā)生器39用來對(duì)脈沖重復(fù)頻率/脈沖得復(fù)時(shí)間間隔(PRF/PRI)發(fā)生器40進(jìn)行調(diào)制，還用來建立一個(gè)平均值為1MHZ，其上有1-10％的隨機(jī)變化的PRF，即一個(gè)1-10％PRF抖動(dòng)電路。抖動(dòng)電路把發(fā)射頻譜從發(fā)射板18展開以便減小RF頻譜用戶的潛在干擾，同時(shí)也使出現(xiàn)在導(dǎo)線14上的外來干擾信號(hào)的取樣隨機(jī)化了。
在發(fā)射板18上的接收信號(hào)或脈沖被取樣和平均，因此，隨機(jī)化的取樣平均是0，于是，從其他地方(如RF發(fā)射機(jī))來的干擾基本上被消除掉了。抖動(dòng)電路對(duì)所需要的回波不起作用，因?yàn)榛夭ū话l(fā)射后是在固定的短時(shí)間內(nèi)被接收的，下一個(gè)重復(fù)的時(shí)間間隔產(chǎn)生的恰當(dāng)時(shí)間對(duì)它們不起作用。抖動(dòng)產(chǎn)生與一般RF用戶兼容的頻譜，允許使用多個(gè)傳感器而相互又挨得很近。由其他脈沖系統(tǒng)發(fā)射的短脈沖其取樣的機(jī)會(huì)是隨機(jī)而又十分低的，并且，對(duì)所有實(shí)用的用途來說，連續(xù)地對(duì)其他脈沖系統(tǒng)來的足夠的脈沖進(jìn)行取樣的有效可能性為0，不足以建立起一個(gè)相干的、可檢測的信號(hào)。
從1MHZ脈沖重復(fù)頻率/時(shí)間間隔(PRF/PRI)發(fā)生器40來的脈沖沿著兩條通路輸入一條是發(fā)射通路42，另一條是門控通路44。在發(fā)射通路42中，PRF/PRI發(fā)生器40驅(qū)動(dòng)一個(gè)脈沖發(fā)生器46，產(chǎn)生一個(gè)5v、200ps上升時(shí)間的階躍脈沖，該脈沖被一個(gè)電容48(C＝1pf)沿微分成200ps寬的脈沖。在電容48輸出端的脈沖加到電纜16進(jìn)而加到發(fā)射板18。
發(fā)射板18檢拾起從表面23或多物體交界層來的反射脈沖，經(jīng)電纜16加到取樣保持電路50。為了使節(jié)點(diǎn)54和電纜16尾端的節(jié)點(diǎn)56之間有最小的三重渡越反射，一個(gè)阻值等于電纜16的特性阻抗(Z0)的端電阻(RT)51接在與電纜16端頭相近的節(jié)點(diǎn)54和地之間。節(jié)點(diǎn)56接一個(gè)電阻20，它們的阻抗大于特性阻抗Z0，所以，反射的幅值或者說基準(zhǔn)脈沖的幅值被設(shè)置得與空氣/液體交界面的反射相等。
取樣保持電路50也接到節(jié)點(diǎn)54，在2MHZ的速率上被加到整個(gè)門通路44上的序列門脈沖所門控。取樣保持電路50包括一個(gè)開關(guān)或取樣器52和一個(gè)接地的保持電容59，以保持取樣到的反射脈沖。取樣器被門脈沖驅(qū)動(dòng)成交替開和關(guān)的序列。門脈沖在整個(gè)延遲范圍內(nèi)被延遲，從發(fā)射板18發(fā)射出發(fā)射脈沖的時(shí)間開始，約延遲5-10ns。一個(gè)掃描區(qū)間延遲發(fā)生器53以40HZ的掃描速率控制著門脈沖的時(shí)基，因此，每個(gè)門脈沖每1/40秒線性地掃過它的全部掃描區(qū)間。這就在保持電容59兩端產(chǎn)生了一個(gè)取樣電壓，和在取樣保持電路50輸入端上看到的實(shí)時(shí)反射脈沖一樣的等效時(shí)間(ET)。換句話說，在納秒時(shí)間標(biāo)尺上產(chǎn)生的波形被轉(zhuǎn)換成在毫秒時(shí)間標(biāo)尺上的相等的尖波。
區(qū)間延遲發(fā)生器53驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器55，產(chǎn)生一個(gè)5v.200ps上升時(shí)間的階躍脈沖。脈沖發(fā)生器55的輸出經(jīng)電容57邊沿微分，成為一個(gè)200ps寬的脈沖加到取樣保持電路50。
電容59要足夠大，使每次取樣只對(duì)它充上一點(diǎn)點(diǎn)電，大約需要10-100次取樣才達(dá)到與端電阻51(RT)兩端的信號(hào)均衡。一個(gè)典型的設(shè)計(jì)是電容59為22pf的量級(jí)。阻抗Z0與電阻RT并聯(lián)，乘上電容59的容值就產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間常數(shù)，它比門脈沖的寬度大得多，這樣，就有許多個(gè)脈沖向電容59充電。例如，一個(gè)200ps寬的脈沖從發(fā)射板18開始傳播，那么反射就與門脈沖相重合。每次收到的脈沖在取樣保持電路50的電容59上產(chǎn)生一個(gè)增量電壓變化ΔV，取樣保持電路50的平均輸出就是純電容電壓。全部接收脈沖的增量ΔV＝1/N，其中N是平均取樣的數(shù)目，典型值約10-100?？梢岳斫獬蒒假定為任意值。
在取樣保持電路50上的噪聲電壓被兩個(gè)因子減小了一個(gè)與被平均的取樣的數(shù)目平方根有關(guān)(在這里的情況下減小為1/10)；另一個(gè)與平均電路的有效時(shí)間常數(shù)有關(guān)-起自于取樣保持電路50所取樣數(shù)據(jù)的性質(zhì)。其中，平均電路與系統(tǒng)的PRF和取樣器的瞬時(shí)帶寬有關(guān)。總起來說，與2GHZ帶寬的電路(即傳輸脈沖的帶寬)相比，獲得的噪聲減小大于20dB。
在取樣保持電路50的輸出上等效時(shí)間復(fù)制加到一個(gè)增益至少為100、通帶為10HZ-10KHZ的放大器61以便提供1v峰值量級(jí)的等效時(shí)間幅度。放大器61的輸出提供一個(gè)模擬信號(hào)指示基準(zhǔn)脈沖和空氣/液體反射脈沖之間的時(shí)間關(guān)系。
為了從發(fā)射板18檢測等效時(shí)間基準(zhǔn)脈沖和從表面高度23或交界層檢測反射脈沖，放大器61的輸出連接到比較器63和64，它們分別是正門限比較器和負(fù)門限比較器，同樣，為了產(chǎn)生區(qū)間計(jì)數(shù)器的門脈沖，比較器輸出連接到自復(fù)位反轉(zhuǎn)觸發(fā)器66。
自復(fù)位觸發(fā)器66的輸出和PRF/PRI發(fā)生器40的輸出都輸入到與門68，與門68的輸出送到區(qū)間計(jì)數(shù)器70。為了提供一個(gè)十分高的區(qū)間分辨力，區(qū)間計(jì)數(shù)器70鎖定在2MHZ的速率上。導(dǎo)線14上等效時(shí)間標(biāo)尺因子是1.0ms＝1.0吋時(shí)，在2MHZ速率上每個(gè)區(qū)間計(jì)數(shù)器脈沖對(duì)應(yīng)0.5密耳，即，0.0005吋(1吋×0.5μs/1.0ms)。
在一次試驗(yàn)中，觀察到的不穩(wěn)定性是在0.001吋有效值的量級(jí)上，當(dāng)時(shí)測量校正間隔為1/40秒。區(qū)間計(jì)數(shù)器70能對(duì)讀數(shù)計(jì)數(shù)以達(dá)到均衡的目的，獲得低的不穩(wěn)定性。區(qū)間計(jì)數(shù)器70的輸出驅(qū)動(dòng)顯示器72，也可以在復(fù)位前傳送給處理器(未畫出)。
傳感器10在整個(gè)寬溫度范圍內(nèi)精度的變化小于0.1吋。得到這樣的可需要的穩(wěn)定性是因?yàn)?1)利用基準(zhǔn)脈沖消除在直接傳送通道42、門通道44和電纜16中的時(shí)基補(bǔ)償漂移；(2)利用讓幅值基準(zhǔn)與反射脈沖檢測門限+VTH、-VTH接近相等使脈沖幅值變化最??；(3)在區(qū)間延遲53和區(qū)間斜坡回路77中利用穩(wěn)定的RC元件。
根據(jù)由斜坡發(fā)生器77提供的斜坡信號(hào)，控制區(qū)間延遲發(fā)生器53的時(shí)間延遲。斜坡信號(hào)使區(qū)間延遲發(fā)生器53在整個(gè)延遲區(qū)間掃描，即對(duì)應(yīng)于到達(dá)液面和出自液面23所期望的反射的延遲區(qū)間。
斜坡發(fā)生器77由40HZ掃描振蕩器78驅(qū)動(dòng)。它可以理解為該40HZ振蕩頻率能夠借助于一般的數(shù)字分頻器從2MHZ PRF/PRI發(fā)生器40交替地分路出來。2MHZ PRF/PRI發(fā)生器40的輸出接到與門68。當(dāng)比較器64從放大器61檢測到等效時(shí)間基準(zhǔn)脈沖時(shí)，觸發(fā)器66置位，與門68使能，提供2MHZ時(shí)鐘給區(qū)間計(jì)數(shù)器70。區(qū)間計(jì)數(shù)器70在2MHZ速率上正計(jì)數(shù)直至比較器63檢測從放大器61來的等效時(shí)間流體平面反射脈沖超過門限。那時(shí)，觸發(fā)器66復(fù)位，與門68封閉，區(qū)間計(jì)數(shù)器70停止計(jì)數(shù)。然后，計(jì)數(shù)器70中的數(shù)據(jù)可以通過總線79去供給信號(hào)處理器(未畫出)以及/或供給流體平面顯示器72。
還有，在每次40HZ斜坡的坡端上，復(fù)位信號(hào)供給區(qū)間計(jì)數(shù)器使計(jì)數(shù)復(fù)位到0以準(zhǔn)備下一次掃描。這個(gè)坡端也發(fā)出區(qū)間掃描開始的信號(hào)并且可以用來同步監(jiān)示示波器或數(shù)據(jù)傳送電路。
在區(qū)間斜坡時(shí)基中時(shí)基起著等效時(shí)間(ET)標(biāo)尺因子的作用，其上的測量漂移能夠用一個(gè)區(qū)間斜坡發(fā)生器77來消除，發(fā)生器77是根據(jù)一個(gè)PRF時(shí)鐘的區(qū)間計(jì)數(shù)器接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)提供一個(gè)數(shù)字化的增量斜坡電壓。在這種情況下，在PRF中的變化將起著區(qū)間斜坡時(shí)間標(biāo)尺的作用，不過這個(gè)變化將會(huì)抵消，因?yàn)閰^(qū)間計(jì)數(shù)器70和區(qū)間斜坡發(fā)生器77是按比率量度的。例如，如果PRF減小，那么區(qū)間斜坡通過它的全部區(qū)間會(huì)占有較長的周期，就會(huì)引起區(qū)間計(jì)數(shù)器中門脈沖寬度的增加，而被門擋的脈沖數(shù)目標(biāo)精確地維持不變，因?yàn)檫@個(gè)較寬的脈沖門控了一個(gè)較慢的PRF。
藉這個(gè)雙計(jì)數(shù)器的配置，漂移的唯一無補(bǔ)償源將是形成實(shí)時(shí)區(qū)間延遲電路的RC網(wǎng)絡(luò)。低價(jià)格的RC元件可以采用，要求每℃的漂移小于百萬分之三十，這對(duì)于大多數(shù)的測量是足夠的。RC網(wǎng)絡(luò)中的漂移僅起傳感器標(biāo)尺因子的作用，即，導(dǎo)線14的明顯長度。零補(bǔ)償或者發(fā)射板18相對(duì)于表面高度23或交界層的位置由基準(zhǔn)脈沖來確定。
圖5A和5B是傳感器10優(yōu)選的具體裝置的典型電路圖。ThomasE.McEwan在1993.4.12提出申請(qǐng)的正在審理之中的美國專利No.08/044717名為“超寬帶雷達(dá)移動(dòng)傳感器”描述了噪聲發(fā)生器39，這里整個(gè)地參考了這份專利。PRF/PRI發(fā)生器40包括兩個(gè)串聯(lián)的反相器100和101(I1＝74AC04)。反相器100的輸入和反相器101的輸出之間接了一個(gè)反饋通路，通路中串聯(lián)一個(gè)電容103(C＝22pf)。反相器100的輸入端和輸出端之間接了一個(gè)電阻104(R＝10KΩ)。
快速脈沖發(fā)生器46包括反相器105(I1＝74AC04)，105的輸入與反相器101的輸出相連接。延遲調(diào)整電位器107可任選地串接在反相器105的輸入。反相器105的電源接到+5v電源總線上，同時(shí)接一個(gè)旁路電容109(C＝0.01f)。反相器105的輸出串接一個(gè)電阻110(R＝22Ω)和一個(gè)電容112(c＝10pf)。電阻115(R＝1kΩ)同時(shí)接電容112和晶體管118(BFR92)的基極。晶體管118的集電極經(jīng)電阻120(R＝1KΩ)接到+5v電源總線上。
電容48接在晶體管118的集電極和節(jié)點(diǎn)54之間，節(jié)點(diǎn)54接50Ω同軸電纜16的貼近端，接端電阻51，接取樣保持電路50。在本例中，同軸電纜16同樣接到方形發(fā)射板18，邊沿尺寸約為2吋(其他的尺寸也可以)。
取樣器52包括一個(gè)肖特基二極管(HP HSMS2810)和保持電容59，二極管52的一端接電容59，另一端經(jīng)電阻125(R＝100Ω)接地。電容57(C＝0.5pf)接在電容59和脈沖發(fā)生器44之間。
脈沖發(fā)生器44包括一個(gè)晶體管126(BFR92)，它的集電極與電容57相連，同時(shí)經(jīng)電阻127(R＝1kΩ)與+5v電源總線相連。晶體管126的發(fā)射板接地，基極接一個(gè)偏壓電阻130(R＝1kΩ)。脈沖發(fā)生器44還包括一個(gè)反相器131(I1＝74AC04)，其輸入接區(qū)間延遲發(fā)生器53，輸出經(jīng)電阻133(R＝22Ω)和電容134(C＝10pf)串接到晶體管126的基極。
區(qū)間延遲發(fā)生器53的第一個(gè)輸入端139與電阻140(R＝4.7kΩ)的一端相連。電阻140的另一端經(jīng)電阻142(R＝10kΩ)接到+5v電源總線，經(jīng)電阻144(R＝4.7kΩ)接到斜坡發(fā)生器77，還接可變旁路電容146(C＝2～6pf)，還接第一反相器150(I1＝74AC04)的輸入端。這個(gè)簡單的RC延遲電路(144，146)，提供一個(gè)指數(shù)延遲函數(shù)，這與加到那里的控制區(qū)間延遲電壓有關(guān)。第一個(gè)反相器150的輸出接到第二個(gè)反相器151(I1＝74AC04)的輸入，反相器151接著經(jīng)電位器149接反相器131。電阻149的輸出接旁路電容155(C＝4.7pf)。
斜坡發(fā)生器77包括一個(gè)電容153(C＝0.1μf)，其一端接在40HZ掃描振蕩器78的輸出，電容153的另一端經(jīng)電阻152(R＝1kΩ)接在晶體管154(2Nz222)的基極。晶體管154的基極接一個(gè)偏壓電阻156(R＝10kΩ)。晶體管154的發(fā)射極接地。斜坡時(shí)基電容157(C＝1μf)接在晶體管154集電極和地之間。
40HZ掃描振蕩器78包括兩個(gè)串接的與非門160，161，(I2＝74HC00)，與非門161的輸出接斜坡發(fā)生器77的電容153。與非門160的輸入經(jīng)電容165(C＝001f)與與非門161的輸出相連接。與非門161的輸入也經(jīng)過電阻162(R＝2.2MΩ)與其自己的輸出相接。與非門161的輸出經(jīng)電阻166(R＝10kΩ)接到“SYNC”(“同步”)端。“SYNC”端提供同步脈沖示波器(未畫出)作測試用。
現(xiàn)在看圖5B，放大器61的輸入接肖特基二極管52的陰極并經(jīng)電阻170(R＝10kΩ)接保持電容59。放大器61包括一個(gè)電容172(C＝0.1μf)，電容172的一端接偏壓電阻174(R＝1MΩ)，另一端接反相器175(I3＝MC14069)的輸入。反相器175與電容177(C＝100pr)和電阻179(R＝2.2MΩ)并聯(lián)形成的反饋RC電路相連接。反相器175的輸出經(jīng)電容181(C＝2μf)和電阻183(R＝100KΩ)接到反相器180(I3＝MC14069)的輸入。反相器180與電容185(C＝470pf)和電阻188(R＝470kΩ)并聯(lián)形成的反饋RC電路相連接。
正門限比較器63包括一個(gè)輸入電阻190(R＝330kΩ)，其一端接反相器180的輸出，另一端接偏壓電阻192(R＝1MΩ)和反相器193(I3＝MC14069)的輸入。I3的電源腳經(jīng)電阻195(R＝1kΩ)接+5v電源總線，同時(shí)接旁路電容196(C＝100μf)。
負(fù)門限比較器64包括一個(gè)輸入電阻200(R＝330kΩ)，其一端接反相器180的輸出。電阻200的另一端經(jīng)偏壓電阻202(R＝680kΩ)接+5v電源總線并與反相器203(I3＝MC14069)的輸入相接。
自復(fù)位觸發(fā)器66包括兩個(gè)與非門210，212(I2＝74HC00)，其中I2的電源腳接+5v電源總線并接旁路電容215(C＝0.01μf)。與非門210的一個(gè)輸入經(jīng)二極管219與反相器193的輸出相接，還經(jīng)電阻217(R＝1.5MΩ)與+5v電源總線相接。二極管219的陽極接到時(shí)基電容220(C＝0.003μf)。反相器203的輸出經(jīng)反相器204(I3＝MC14069)接到與非門212的輸入。
圖6表示了在發(fā)射板18產(chǎn)生的ET基準(zhǔn)脈沖和空氣/流體反射脈沖P(1)和P(8)的示波器軌跡，分別是導(dǎo)線14浸入平面1吋和8吋的情況。空氣/流體反射脈沖寬度約為200ps。給區(qū)間計(jì)數(shù)器70的門脈沖在基準(zhǔn)的記號(hào)TM1開始，在空氣/流體反射脈沖的記號(hào)TM2結(jié)束，因而測量導(dǎo)線14在流體平面23以上的長度。
在回顧發(fā)明的描述掃描之后，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練人員會(huì)明白，不脫離本發(fā)明的范圍能夠作出各種修正。例如，上面用分立元件描述的電路圖可以根據(jù)已知的集成電路技術(shù)將電路集成或小型化。發(fā)射板18可以假定是各種板狀和非板狀的，幾何尺寸也可以是各種各樣的，如，不規(guī)則容器中使用的外形也是可以采用的。
傳輸線或?qū)Ь€14可以假定是各種設(shè)計(jì)。例如，它可以是單線、雙線、絕緣介質(zhì)隔離的雙線、空管、帶絕緣芯的導(dǎo)電管或者是帶開槽壁的導(dǎo)電管(用于電磁波對(duì)管外流體取樣)、絕緣管或其他各種各樣的東西。也可以用現(xiàn)行容器那樣的金屬結(jié)構(gòu)來作導(dǎo)線14。
圖7是裝有流體277的絕緣或金屬容器275的透視剖面圖。圖中，導(dǎo)線是微波條狀線，伸入容器275的表面280里面，且軸向伸到預(yù)定的深度。在這個(gè)具體的裝置中，發(fā)射板不是嚴(yán)格必需的，不過微波條件狀線的頂端上的電阻20是需要的，以便引導(dǎo)一個(gè)阻抗的不連續(xù)點(diǎn)和基準(zhǔn)脈沖。微波條狀線可以用保護(hù)介質(zhì)包起來，這對(duì)反射脈沖幅值的影響極小。
圖3也表示了傳感器10的線性位移方式，其中電磁導(dǎo)線14通常設(shè)計(jì)安放在任意空間中，金屬或絕緣物體28與導(dǎo)線接觸或者放在與導(dǎo)線14十分接近的地方移動(dòng)，建立可測量的反射，正如上面關(guān)于傳感器10的運(yùn)作的描述那樣。導(dǎo)線14可以是微波條狀線，也可以是其他型式的傳輸線。
圖8是建筑工具的側(cè)視圖，如，利用本發(fā)明傳感器10的鉆頭300，精確地測定鉆位302穿透表平面303的深度。發(fā)射板18從鉆體305得到，于是，鉆位尖端307和發(fā)射板18之間的距離(L)就被確定了。例如，在某些應(yīng)用中，距離(L)與整個(gè)鉆位302的長度是相同的。當(dāng)鉆頭開鉆時(shí)，傳感器10測定發(fā)射板與表平面303之間的距離(S)，從而提供一個(gè)精確的穿透深度的讀數(shù)(P)，P＝L-S。
本發(fā)明的材料平面高度傳感器的具體裝置已經(jīng)圖示和描述過了，裝置、參數(shù)、材料、制造方法、使用和運(yùn)行的修正和改變對(duì)那些技術(shù)熟練的人來說變得非常顯而易見，而且不必脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種測定材料表面和交界面高度的傳感器，包括如下組合一個(gè)產(chǎn)生電發(fā)射脈沖的收發(fā)信機(jī)；一條至少部份地浸入材料的導(dǎo)線；一個(gè)與所述收發(fā)信機(jī)和所述導(dǎo)線電耦合的導(dǎo)體；一塊在所述導(dǎo)線的所述耦合上與所述導(dǎo)體相連接的發(fā)射板；所述的發(fā)射脈沖在整個(gè)所述導(dǎo)體內(nèi)傳導(dǎo)到所述的發(fā)射板，所述的發(fā)射板起著發(fā)射天線的地平面的作用，且在接近的區(qū)域內(nèi)幫助發(fā)射所述的電脈沖，引導(dǎo)電磁(EM)波，產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖回傳給收發(fā)信機(jī)；所述的反射EM波沿著所述導(dǎo)線向所述的發(fā)射板回傳，所述的發(fā)射板起著接收天線的地平面的作用，從而所述的反射EM波作為反射脈沖向所述的收發(fā)信機(jī)傳送；所述的收發(fā)信機(jī)測定所述基準(zhǔn)脈沖和反射脈沖之間的時(shí)間延遲，因而確定相對(duì)于所述發(fā)射板的表面或交界面的平面高度。
2.按照權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的導(dǎo)體是一條同軸電纜，它有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體和一個(gè)外屏蔽，所述的發(fā)射板與所述的外屏蔽相連以防止產(chǎn)生電纜上的鏡象電壓，所述的內(nèi)導(dǎo)體與導(dǎo)線相連。
3.按照權(quán)利要求2的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)阻抗，連接在所述的發(fā)射板和所述的導(dǎo)線之間，提供一個(gè)局部的阻抗不連續(xù)點(diǎn)，引起所述EM波的部分反射以產(chǎn)生所述的基準(zhǔn)脈沖，這樣，在所述基準(zhǔn)脈沖和所述反射脈沖之間所作的測量減小了由所述同軸電纜引入的誤差和漂移。
4.按照權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的收發(fā)信機(jī)測量所述基準(zhǔn)脈沖和反射脈沖環(huán)線運(yùn)行時(shí)間并產(chǎn)生一個(gè)等效時(shí)間(ET)門去給計(jì)數(shù)器；并且，其中所述ET門的時(shí)間隨著所述發(fā)射板和材料表面或交界面之間距離的增加而增加。
5.按照權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的收發(fā)信機(jī)包括一個(gè)脈沖重復(fù)頻率/脈沖重復(fù)時(shí)間間隔(PRF/PRI)發(fā)生器和調(diào)制所述PRF/PRI發(fā)生器的噪聲發(fā)生器，這是為了產(chǎn)生一個(gè)有10KHZ-10MHZ平均值以及在關(guān)于所述平均值有1-10％隨機(jī)變化(抖動(dòng))的PRF；其中，抖動(dòng)電路把所述發(fā)射板的發(fā)射頻譜展開以便減小RF頻譜用戶的潛在干擾，也使出現(xiàn)在所述導(dǎo)線上的外來干擾信號(hào)的取樣隨機(jī)化。
6.按照權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的收發(fā)信機(jī)包括對(duì)所述反射脈沖的取樣和平均的設(shè)備，這樣，隨機(jī)化的取樣平均是0，基本上消除了從其他源本來的干擾。
7.按照權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的收發(fā)信機(jī)包括一個(gè)脈沖重復(fù)頻率/脈沖重復(fù)時(shí)間間隔(PRF/PRI)發(fā)生器，同時(shí)接到發(fā)射通路和門控通路。
8.按照權(quán)利要求7的傳感器，其中所述的收發(fā)信機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)脈沖發(fā)生器與所述的PRF/PRI發(fā)生器相連，提供一個(gè)上升時(shí)間小于10ns的階躍脈沖；一個(gè)對(duì)所述階躍脈沖作邊沿微分的微分器，使之成為一個(gè)脈寬小于10ns的脈沖；其中所述的脈沖加到所述的同軸電纜，進(jìn)而加到所述的發(fā)射板。
9.按照權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的導(dǎo)線是一種微波條狀傳輸線。
10.一種傳感材料表面或交界面高度的方法包括如下步驟導(dǎo)體與導(dǎo)線電耦合；所述導(dǎo)體和導(dǎo)線之間連接發(fā)射板；所述導(dǎo)線至少部分地浸入材料之中；將電發(fā)射脈沖輸入到所述導(dǎo)體中，所述發(fā)射脈沖在整個(gè)所述導(dǎo)體內(nèi)傳送到所述發(fā)射板，所述發(fā)射板起著發(fā)射天線地平面的作用并幫助所述的電脈沖在接近的區(qū)域內(nèi)向所述導(dǎo)線發(fā)射，引導(dǎo)電磁(EM)波，還產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖給導(dǎo)體；等待一個(gè)周期的時(shí)間(TSAMP)；所述EM波沿所述的導(dǎo)線傳播，并至少部分地被表面或交界面反射；所述的反射EM波沿所述的導(dǎo)線向所述的發(fā)射板回傳，所述的發(fā)射板起著接收天線地平面的作用，從中所述反射EM波作為反射脈沖向所述的導(dǎo)體發(fā)射；打開門，允許所述的反射脈沖被取樣；以大約10KHZ-10MHZ的速率重復(fù)所述的等待和打開步驟，允許在TSAMP增加之前，大約10-10000個(gè)反射脈沖被平均；測定所述基準(zhǔn)脈沖和反射脈沖之間的時(shí)間延遲，確定相對(duì)于所述發(fā)射板的表面或交界面的平面高度。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述發(fā)射脈沖的上升時(shí)間小于約10ns。
12.一種測定材料表面或交界面的平面高度的傳感器，包括一個(gè)產(chǎn)生電發(fā)射脈沖的脈沖發(fā)生器；一條至少部份浸入材料的導(dǎo)線；一個(gè)與所述脈沖發(fā)生器和所述導(dǎo)線電耦合的導(dǎo)體，將所述發(fā)射脈沖在接近的范圍內(nèi)傳送到所述的導(dǎo)線，引導(dǎo)電磁(EM)波，于是，所述的EM波至少部分地被表面或交界面反射并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電反射脈沖；一個(gè)對(duì)所述反射脈沖取樣的取樣器，它包括一個(gè)單二極管；測定所述發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的時(shí)間延遲的設(shè)備，以確定表面或交界面的平面高度。
13.一種測定材料表面或交界面平面高度的傳感器，包括一個(gè)脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生電發(fā)射脈沖；一條至少部分地浸入材料的導(dǎo)線；一個(gè)與所述脈沖發(fā)生器和所述導(dǎo)線或耦合的導(dǎo)體，將所述發(fā)射脈沖在接近的范圍內(nèi)引導(dǎo)到所述的導(dǎo)線，引導(dǎo)電磁(EM)波，于是，所述的EM波至少部分地被表面或交界面反射并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電反射脈沖。一個(gè)為接收所述反射脈沖的取樣保持電路；一個(gè)指數(shù)區(qū)間延遲電路，控制發(fā)射到取樣保持電路的門脈沖的時(shí)基；測定所述發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時(shí)間延遲的設(shè)備，以確定表面或交界面的平面高度。
14.按照權(quán)利要求13的傳感器，其中所述的指數(shù)區(qū)間延遲電路包括一個(gè)RC延遲電路，提供指數(shù)延遲函數(shù)。
15.按照權(quán)利要求14的傳感器，其中所述的指數(shù)區(qū)間延遲電路進(jìn)一步包括一個(gè)等效時(shí)間指數(shù)斜坡，用作對(duì)所述RC延遲電路的掃描輸入，以便提供一個(gè)線性掃描延遲函數(shù)。
16.按照權(quán)利要求13的傳感器，其中所述的取樣保持電路包括一個(gè)保持電容和一個(gè)由單一二極管組成的取樣器。
17.按照權(quán)利要求16的傳感器，其中每個(gè)門脈沖在延遲區(qū)間線性掃描，產(chǎn)生一個(gè)出現(xiàn)在所述保持電容兩端的取樣電壓-所述反射脈沖的等效時(shí)間復(fù)制。
18.一個(gè)測定材料表面或交界面的平面高度的傳感器，包括一個(gè)脈沖重復(fù)時(shí)間間隔發(fā)生器；一個(gè)發(fā)射脈沖發(fā)生器連到脈沖重復(fù)時(shí)間間隔發(fā)生器；一個(gè)微分電容連到發(fā)射脈沖發(fā)生器；一個(gè)端電阻從微分電容連到地；一個(gè)導(dǎo)體，其第一端連到微分電容和端電阻；一條傳輸線連到導(dǎo)體的第二端且可浸入材料；一個(gè)高輸入阻抗的取樣器，其第一個(gè)輸入連到導(dǎo)體的第一端；一個(gè)保持電容連到取樣器的輸出；一個(gè)斜坡延遲發(fā)生器，其第一個(gè)輸入連到脈沖重復(fù)時(shí)間間隔發(fā)生器；一個(gè)延遲脈沖發(fā)生器連到斜坡延遲發(fā)生器；一個(gè)延遲脈沖微分電容連到延遲脈沖發(fā)生器并連到取樣器的第二個(gè)輸入。
19.權(quán)利要求18的傳感器，進(jìn)一步包括等效時(shí)間斜坡發(fā)生器連到斜坡延遲發(fā)生器的第二個(gè)輸入。
20.權(quán)利要求19的傳感器，其中斜坡發(fā)生器有一個(gè)指數(shù)電壓的輸出。
21.權(quán)利要求20的傳感器，其中斜坡延遲發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)指數(shù)延遲作為輸入函數(shù)。
22.權(quán)利要求21的傳感器，其中斜坡發(fā)生器有一個(gè)指數(shù)時(shí)間常數(shù)，它小于斜坡延遲發(fā)生器的時(shí)間常數(shù)。
23.權(quán)利要求22的傳感器，其中斜坡發(fā)生器有毫秒量級(jí)的時(shí)間常數(shù)，斜坡延遲發(fā)生器有納秒量級(jí)的時(shí)間常數(shù)。
24.如權(quán)利要求18的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)連接保持電容的放大器；第一和第二比較器與放大器相連，第一比較器有一個(gè)參考輸入-VTH，第二比較器有一個(gè)參考輸入+VTH；一個(gè)置位/復(fù)位觸發(fā)器，它的置位輸入與第一比較器相連它的第二輸入與第二比較器相連。
25.如權(quán)利要求24的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)門，第一輸入與置位/復(fù)位觸發(fā)器相連，第二輸入與脈沖重復(fù)時(shí)間間隔發(fā)生器相連，其中觸發(fā)器對(duì)門使能或關(guān)閉；一個(gè)區(qū)間計(jì)數(shù)器與門相連。
26.如權(quán)利要求25的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)掃描振蕩器連到斜坡發(fā)生器和斜坡計(jì)數(shù)器。
27.如權(quán)利要求26的傳感器，其中掃描振蕩器在脈沖重復(fù)時(shí)間間隔發(fā)生器的分諧波上工作。
28.如權(quán)利要求18的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)噪聲發(fā)生器連到脈沖重復(fù)時(shí)間間隔發(fā)生器，以便使脈沖重復(fù)時(shí)間間隔發(fā)生器產(chǎn)生抖動(dòng)。
29.如權(quán)利要求18的傳感器，其中發(fā)射脈沖發(fā)生器和延遲脈沖發(fā)生器都包含一個(gè)邏輯門以及由所述邏輯門驅(qū)動(dòng)的雙極晶體管。
30.如權(quán)利要求21的傳感器，其中斜坡延遲發(fā)生器包括一個(gè)串聯(lián)電阻和可調(diào)整的電容，電容旁路到地，并且斜坡發(fā)生器包括一個(gè)電阻和電容的串聯(lián)。
31.如權(quán)利要求18的傳感器，包括一個(gè)發(fā)射板連到導(dǎo)體的第二端。
32.如權(quán)利要18傳感器，其中取樣器是一只二極管。
33.如權(quán)利要求24的傳感器，其中放大器是阻抗變換放大器。
全文摘要
一個(gè)測定材料表面或交界面平面高度的傳感器包括一個(gè)收發(fā)信機(jī)(12)和一根同軸電纜(16)的內(nèi)導(dǎo)體(21),同軸電纜(16)使收發(fā)信機(jī)(12)與部分浸入材料的導(dǎo)線(14)電耦合。一塊發(fā)射板(18)連接到電纜(16)的外屏蔽(19),發(fā)射板(18)到導(dǎo)線(14)連接一個(gè)阻抗(20)。發(fā)射板(18)產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)脈沖回饋給收發(fā)信機(jī)(12)。從發(fā)射板(18)發(fā)射的電磁波沿導(dǎo)線(14)傳播。電磁波被表面或交界面反射并被發(fā)射板(18)接收且作為反射脈沖發(fā)射給收發(fā)信機(jī)(12)。收發(fā)信機(jī)(12)測定基準(zhǔn)脈沖和反射脈沖之間的時(shí)延以便確立相對(duì)于發(fā)射板(18)的表面或交界面的平面高度。
文檔編號(hào)G01S7/282GK1173222SQ95197391
公開日1998年2月11日 申請(qǐng)日期1995年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月19日
發(fā)明者托馬斯·E·麥克瓦恩 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)