基于微波諧振腔的葡萄糖溶液濃度測量系統

　　1.4 微波諧振腔的材料選擇：

　　要實現葡萄糖溶液濃度的測量，諧振腔測得的實時數據需要通過波導傳入到外處理電路，同時外處理電路也需要通過波導TE₀₁實時監控諧振腔內的頻率偏移。作為傳輸介質，波導應滿足：①作為耦合裝置應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，由圓形孔耦合到諧振腔，當輸入諧振腔的微波頻率與諧振頻率相等時，微波信號在腔內形成駐波，此時諧振腔的反射功率很小，達到諧振狀態^[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值達到設計要求，必須盡可能的減小電磁波輻射損耗和腔體內表面損耗。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，且使內表面光滑，減小導體的損耗。微波諧振腔結構如圖2所示。

　　1.5 試劑及實驗要求：

　　由于溫度變化對介電常數有影響，因此需要溫度傳感器實時控制系統，建立不同溫度下頻率、濃度的數據庫。本文重點在于將濃度信息轉化為電信息，為減少溫度對測量誤差的影響，所有實驗溫度均選擇溫度為298.15 K。

　　系統選擇濃度為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行測量。

　　1.6 系統測量框圖

　　諧振腔測量系統工作原理框圖如圖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，當腔內被測量溶液的濃度發生變化時，諧振腔的諧振頻率發生偏移，壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)產生的調頻信號經過定向耦合器分成兩路：一路進入混頻器，與本振信號混頻，產生中頻信號;另一路通過環形器進入諧振腔，諧振腔的反射信號再經環形器進入檢波器，檢波器輸出調制信號，頻率跟蹤系統根據調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。混頻器的基準頻率為諧振腔的諧振頻率9.6 GHz，由混頻器產生的差頻信號為微擾前后的頻率偏移，差頻信號經過整形放大后經過頻率測量系統測量其頻率，最后通過數據處理就可以得到溶液的濃度。

　　為了得到溶液濃度變化所產生的諧振頻率的準確偏移量，首先要求諧振腔具有很高的品質因數^[10]，其次由于該偏移量是混頻器輸出的差頻信號，混頻器的基準頻率必須具有很高的穩定性。再次，頻率跟蹤系統要有較高的可靠性，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

　　2.1 跟蹤原理

　　在測量系統中，VCO的輸入由直流信號和調制信號共同控制，所以其輸出為調頻信號，自動頻率跟蹤系統的設計原理是諧振腔對調頻信號的幅度響應。當調頻信號輸入諧振腔時，根據載波頻率與諧振頻率的大小關系，諧振腔的響應有3種不同的情況^[8]。設f_t為輸入調頻信號的載波頻率，f₀為諧振腔的諧振頻率，當f_t<f₀時，檢波器的輸出信號與調頻信號的頻率相同、相位相反，當f_t>f₀時，檢波器的輸出信號與調頻信號的頻率和相位均相同，當f_t=f₀時，檢波器的輸出信號為幅度很小的調頻信號的絕對值。由以上分析可知，要確定輸入調頻信號與諧振頻率的關系，只需分析檢波器輸出信號與輸入調頻信號的幅度和相位的關系^[9]。先對輸出信號進行幅度的鑒別，由于諧振時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，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行幅度鑒別，然后根據幅度鑒別的結果進行相位的檢測。