基于微波谐振腔的葡萄糖溶液浓度测量系统

若忽略标准信号频率的误差，则等精度频率测量的相对误差为：

由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率无关，仅与标准频率和闸门时间有关,本频率测量系统选择的标准频率为50 MHz，实际闸门时间为1 s，则频率测量误差为2×10^-8。

表1给出了在标准频率为50MHz，被测频率取不同值时的测量数据。选取的闸门时间为1s，标准频率和被测频率均先进行10位分频，通过计算可知本测量方法实现了对被测信号的等精度测量。

4 实验结果及分析

当温度为298.15K时，系统选择浓度为100 mmol/kg、200 mmol/kg、300 mmol/kg、400 mmol/kg、500 mmol/kg、600 mmol/kg的葡萄糖溶液浓度进行频率测量，得到的波形图如图8所示。由图8可知，随着溶液浓度的增加谐振腔的谐振频率偏移量线性上升。当溶液浓度变化1 mmol/kg时，频率偏移量变化接近100 KHz，因此谐振频率的变化灵敏测量的精度高。当测量得到谐振频率偏移量后根据图6的对应关系，就可以得到对应的溶液浓度。如表1系统可精确测量10 kHz, 因此系统测量葡萄糖溶液浓度分辨率可达0.01 mmol/Kg。

5 结论

本文根据谐振腔微扰原理设计了葡萄糖溶液浓度测量系统，在溶液浓度测量系统框图的基础上，设计了以单片机为处理核心的控制系统，其中包括自动频率跟踪系统和频率测量系统。自动频率跟踪系统保证了VCO的输出频率和谐振频率实时保持一致，频率测量系统利用可编程逻辑器件FPGA实现逻辑功能，采用等精度频率测量方法，使设计简单、集成度高、测量精度高。

参考文献:

[1] 俞令蔚, 杨文龙, 于莲芝. 基于虚拟仪器的溶液浓度测量系统[J]. 微计算机信息, 2009, 25 (11):115-116<br />

[2] lozny L, Sato A, Kubota N. On-line measurement of super saturation during batch cooling crystallization of ammonium alum[J]. J. Chem. Engng. Japan, 1992, 25:604~606<br />

[3] Patience D B, Rawlings J B, Mohameed HA. Crystallization of para-xylene in scraped-surface crystallizers[J]. A IChE J, 2001, 47(11): 2441-2451<br />

[4] Yoshio N, Yong G. Dynamic Measurement of Temperature Dependent Complex Permittivity of Material by Microwave Heating Using Cylindrical Cavity Resonator[C]. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference, IEEE Press, 2007:1-4<br />

[5] Gouveia D X., Costa L C, Valente M A.. Resonant cavity for the measurement of microwave magnetic permeability using the small perturbation theory[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2008, 50(2):399-402<br />

[6] Lobato M, Humberto, Corona-Chavez. Complex permittivity measurements using cavity perturbation technique with substrate integrated waveguide cavities[J]. Review of Scientific Instruments, 2010, 81(6):064704- 064704-4<br />

[7] 陈玉娟, 卓克垒, 康磊, 等. 278.15-313.15K下糖-水二元体系的介电常数[J]. 物理化学学报, 2008, 24(1):91-96<br />

[8] Abaeiani, G, Ahmadi V, Saghafi, K. Design and analysis of resonant cavity enhanced waveguide photo detectors for microwave photonics applications[J]. Photonics Technology Letters, 2006, 18(15):1597-1599<br />

[9] Li L, Chen X M, Ni L, et al. Evaluation of microwave dielectric properties of giant permittivity materials by a modified resonant cavity method[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(9): 092906- 092906-3<br />

[10] Zhang Y W, Liu G B. Analysis of resonance frequency for rectangular cavity with apertures and embedded materials[C]. Intelligent Computing and Intelligent Systems, IEEE Press, 2010:271-273