基于TDT与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于时域传输TDT与相位比较的碾压混凝土拌合物含湿率精确测量装置及其方法。根据介质介电常数来间接得到拌合料含湿率，介质的介电常数是通过测量电磁波信号沿着置于介质中的传输线传输时得到的；电磁波沿着TDT探头传输时，由于探头的末端不是开路的，因此只需检测电磁波单向传输后的信号，而对于反射信号的检测并没有规定。基于该原理，由于电磁波在介质中传输时会存在传输延迟，本发明专利技术采用相位比较的方法，通过AD8302集成芯片设计一个延时测量电路，将延时测量电路与传感器探头集成一体，可以输出模拟量与数字量，测量精度显著提高，成本远低于同类型的TDT传感器设备，具有很好的应用推广前景。

【技术实现步骤摘要】
基于TDT与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置及其测量方法
本专利技术属于电子信息中电路与信息处理
，尤其属于一种电磁波在传输线上传输时域
，涉及一种基于TDT与相位比较的混凝土拌合物拌合物含湿率精确测量装置及其方法。
技术介绍
学者Chernyak首先系统地进行了土壤的介电特性的研究，他的《湿土介电特性研究方法》使得土壤物理学家首次对土壤介电物理行为有了整体性的认知。土壤的介电特性理论可以应用在混凝土拌合物含湿率的测量中。按照原理和实现路径可以将介电特性法大概划分成如下几种类型：时域反射或传输矢量测量原理、频域反射式矢量分解测量原理、交流容抗测定原理等。时域反射(TDR)法的原理是测量电波在介质中传播的时间或者速度，以此来明确介电常数，从而间接获得介质含湿率。TDR法测量混凝土拌合物含湿率具有很高的精确度，但TDR技术应用在实际时也存在一些弊端和限制：TDR的工作频率较高，通常要求在1GHz以上，这会造成电路板设计比较困难并且使得硬件成本增加；如果混凝土拌合物中碱性离子浓度较高，TDR信号在传输时会出现明显的衰减现象，从而致使不能获得清楚地波形，甚至不能获得反射波；如果介质有机质质量分数较高，使用TDR法时需再次校正介电常数与含湿率之间的关系，从而来提高测量的精确度。以上的这些问题都阻碍了TDR技术使用和推广。频域反射法的原理是使用信号源产生一个理想的测试频率，采用矢量电压测量技术获取介质表观介电常数εr的实部和虚部。凭借介质表观介电常数的虚数部分能够计算得出介质的电导率，根据介质介电常数的实数部分能够计算得出混凝土拌合物含湿率。实验表明：频域反射法工作的理想频率范围是20～30MHz，属于低频，并且拌合物的介电常数对配比组分很敏感，这使得测量误差较大。交流容抗测定原理是测试信号沿着嵌入在混凝土拌合物介质中的传输线传输时的频率，获得其介电常数，进而获取含湿率。这类传感器正常的运行电波频率范围为20～150MHz，响应速度快，易实现，成本低。基于交流容抗测定原理的传感器不足之处在于工作的频率比较低，传感器的性能容易受到外界因素的影响，如温度、介质的电导率等。现今投入使用的传感器基本上很难在精确度和设计成本间保持平衡，因此亟需寻找一个原理先进，电路简单，测量精度高，重复性好，对干硬性混凝土拌合物适应性强，成本低廉的传感器的电路设计方法。
技术实现思路
本专利技术根据现有技术的不足公开了一种基于时域传输(TimeDomainTransmissometry，TDT)与相位比较的碾压混凝土拌合物含湿率精确测量装置及其测量方法。本专利技术采用AD8302相位比较集成芯片设计一个延时测量电路，将延时测量电路与传感器探头集成，可以输出模拟量与数字量，实现准确获取混凝土拌合物含湿率。本专利技术通过以下技术方案实现：基于TDT与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置，包括信号源、相位比较器和传感器探头构成的延时测量电路，其特征在于：所述信号源为高频振荡电路，采用压控振荡构成并联LC谐振回路，用于为整个系统提供持续的两路高频信号；信号源分别与相位比较器和传感器探头连接，将第一路高频信号发送至传感器探头形成测试信号，第二路高频信号发送至相位比较器形成参考信号；所述传感器探头采用U型双导轨测量探头；测量探头固埋于混凝土拌合物中，一端连接信号源，输出端与相位比较器检测端连接；所述相位比较器用于实现两路信号的相位检测。所述延时测量电路把测试信号与参考信号之间的相位差转换成与之有关的直流信号；测试信号与参考信号均为正弦电压信号，频率相同，相位不同。所述U型双导轨测量探头的U型探头长度L为20cm，探头导体材料的直径r为2mm，双导体之间的距离R为10mm。所述高频振荡电路采用压控振荡集成芯片MC1648芯片，在12脚TANK和10脚Bias之间外接并联LC谐振回路。所述相位比较器采用AD8302相位检测芯片。本专利技术还公开了采用上述装置获得混凝土拌合物含湿率测量方法。包括以下方法：将U型双导轨测量探头固埋于混凝土拌合物中；信号源产生两路幅度和相位相同的高频信号，并将第一路高频信号发送传感器探头形成测试信号，第二路高频信号发送至相位比较器形成参考信号；第一路高频信号经传感器探头后传送至相位比较器检测端；延时电路把测试信号与参考信号之间的相位差转换成与之有关的直流信号；测试信号与参考信号均为正弦电压信号，频率相同，相位不同；根据测试信号与参考信号均的相位差得到混凝土拌合物含湿率。本专利技术根据介质介电常数来间接得到拌合料含湿率，介质介电常数是通过测量电磁波信号沿着置于介质中的传输线传输时得到的。电磁波沿着TDT探头传输时，由于探头的末端不是开路的，因此只需检测电磁波单向传输后的信号，而对于反射信号的检测并没有规定。基于该原理，由于电磁波在介质中传输时会存在传输延迟，本专利技术采用相位比较的方法，通过AD8302集成芯片设计一个延时测量电路，将延时测量电路与传感器探头集成一体，可以输出模拟量与数字量，测量精度显著提高，成本远低于同类型的TDT传感器设备，本专利技术装置测量获得的混凝土拌合物含湿率准确，检测使用方便，具有很好的应用推广前景。附图说明图1是本专利技术装置组成结构框图；图2是本专利技术装置原理流程框图；图3是本专利技术装置U型双导轨测量探头示意图；图4是本专利技术装置信号源部分电路图；图5是本专利技术装置相位检测原理框图；图6是本专利技术装置AD8302测量模式下相位差的理想相应特性曲线；图7是本专利技术装置相位比较电路图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进一步说明，具体实施方式是对本专利技术原理的进一步说明，不以任何方式限制本专利技术，与本专利技术相同或类似技术均没有超出本专利技术保护的范围。结合附图。混凝土拌合物含湿率传感器原理框图如图2所示，电磁波信号分成两路。一路通过传输线直接送到相位比较器的A端，作为稳定电磁波相位比较基准。另一路信号通过传感器探头后输入相位比较器的B端，与从A端送来的正弦波相位基准信号进行相位比较。初始状态，即探头裸露在空气中时，两路信号经过的路径理想地看为近似相等，当探头埋入到混凝土拌合物中时，B路电磁波信号到达相位比较器时会有一定时间的延迟，相位比较器输出一个反应B落后于A的相角α，也即两路电磁波信号传输的时间差T。传感器探头环形导体长度L已知，电磁波沿混凝土拌合物中导体单程传播时间T可通过相位比较器测量得到，由此根据混凝土拌合物表观介电常数的表达式便可计算得出此时混凝土拌合物中的自由水分含量。一、U型双导轨测量探头的设计方法。TDT土壤水分传感器探头的实物图如图3所示。U型探头可以看作是一段传输线,其周围填充的是介电常数为εr的混凝土拌合物介质，其等效电路模型为平行双导线传输线。(1)探头与同轴电缆阻抗匹配传感器探头单元的设计中，涉及到阻抗匹配的问题。若探头与同轴电缆的阻抗不匹配，测试信号在探头首端会产生反射，这个反射信号与探头末端的反射信号是同频率且同方向传播的，使用环形器也不能将其分开。这不仅影响传输到探头上的测试信号的能量，而且会改变所测得信号的相位和幅值，导致测得的信号传播时间和衰减量都与实际有偏差。只有当负载阻抗ZL必须等于该传输线的特征阻抗Z0时，入射波才没有反射。因此，与之配套使用的探头必须经过精心的设计以尽可能减小信号在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于TDT与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置，包括信号源、相位比较器和传感器探头构成的延时测量电路，其特征在于：所述信号源为高频振荡电路，采用压控振荡构成并联LC谐振回路，用于为整个系统提供持续的两路高频信号；信号源分别与相位比较器和传感器探头连接，将第一路高频信号发送至传感器探头形成测试信号，第二路高频信号发送至相位比较器形成参考信号；所述传感器探头采用U型双导轨测量探头；测量探头固埋于混凝土拌合物中，一端连接信号源，输出端与相位比较器检测端连接；所述相位比较器用于实现两路信号的相位检测。

【技术特征摘要】
1.基于TDT与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置，包括信号源、相位比较器和传感器探头构成的延时测量电路，其特征在于：所述信号源为高频振荡电路，采用压控振荡构成并联LC谐振回路，用于为整个系统提供持续的两路高频信号；信号源分别与相位比较器和传感器探头连接，将第一路高频信号发送至传感器探头形成测试信号，第二路高频信号发送至相位比较器形成参考信号；所述传感器探头采用U型双导轨测量探头；测量探头固埋于混凝土拌合物中，一端连接信号源，输出端与相位比较器检测端连接；所述相位比较器用于实现两路信号的相位检测。2.根据权利要求1所述的基于TDT与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置，其特征在于：所述延时测量电路把测试信号与参考信号之间的相位差转换成与之有关的直流信号；测试信号与参考信号均为正弦电压信号，频率相同，相位不同。3.根据权利要求2所述的基于TDT与相位比较的混凝土拌合物含湿率测量装置，其特征在于：所述U型双导轨测量探头的U型探头长度L为20cm，探头导体材料的直径r为2mm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘显军，李荣果，郑祥，税先祥，范道林，林培，杨帆，
申请(专利权)人：中国水利水电第七工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51