[发明专利]用于检测材料特性的传感器系统

说明书

一种材料特征传感器系统(40)，包括：传感器，包括波导；以及收发器(2)，用于发射连续波信号(389)以入射在待表征的材料(32)上，其中传感器是能够操作的，以接收从材料反射来的反射连续波信号(399)，其中使用由于材料与发射连续波信号相互作用引起的谐振频率差、振幅差或Q因子差中的至少一个来确定材料的特征。

技术领域

本发明涉及(1)用于检测传感器系统的调频信号的收发器架构，(2)用于发射和接收调频信号的传感器结构，以及(3)从接收到的调频信号确定被检测材料的材料特性或特征的测量方法。

背景技术

自20世纪30年代以来(US2257830A)，调频无线电系统(Frequency-modulatedradio systems)已经存在于地形间隙指示器(terrain clearance indicators)、无线电高度表和无线电距离和速度指示装置中。诸如目标检测和监测的军事应用一直是这些系统的主要关注点。调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达系统也已一直用于遥感应用，例如，土壤、陆地和雪的检测。自20世纪70年代以来，基于FMCW的雷达液位计量一直是主要用于工业液体储罐和容器的高精度应用的主导测量原理。在将诸如油、焦油、化学品和其他材料的液体储存在大型储罐中的工业中，库存控制和存储交接(custodytransfer)要求准确的液位测量。在汽车工业中，存在在汽车应用中用于检测物体以避免碰撞的单基地FMCW雷达传感器的现有技术(US6037894A)。

目前的FMCW雷达采用零差原理(homodyne principle)工作。振荡器既用作发射器也用作本机振荡器。用于电平测量的FMCW雷达将在大约几GHz的频率范围内扫描的信号发射至储罐中。例如，信号可以是在24.05至26.5GHz或8.5至10.6GHz等范围内。发射信号经储罐中的产品的表面反射，而已经延迟一定时间的回波信号(echo signal)返回到雷达液位计设备。回波信号在混频器中与发射信号组合以生成称为拍频信号的组合信号。该信号的频率等于在时间延迟期间发生的发射信号的频率变化。如果使用线性扫描，则该频率(也称为中频(Intermediate Frequency，IF))与雷达和反射表面之间的距离成比例。这种系统还采用各种方法来尝试校正扫描波形的非线性。

跟踪滤波器的混合模拟/数字实现用于处理信号，使得能够正确地估计混频器输出信号的频率并且能够确定液位。

这样的系统还将希望使用所有数字处理，通过首先使用接收器放大器使对测量误差的贡献最小化，然后通过使用数字处理算法进一步使部件数量最小化并提高可靠性。

最近，通过使用步进频率的恒定振幅扫描而不是连续频率扫描进行发射，已经改进了FMCW原理(US5406842A)。当将发射信号和接收信号混频时，每个频率步长将提供分段恒定IF信号的一个恒定段。对分段恒定IF信号进行采样，并且通常通过使用例如快速傅里叶变换(FFT)的技术将采样信号转换为频谱，以便将IF信号传送到距离域以推导出距离和目标范围参数。

传统的FMCW系统(连续以及步进)也相对耗电，使其不太适合供电受限的应用。这些应用的示例包括由双线接口供电的现场设备(例如，4-20mA回路)以及由内部电源(例如，电池或太阳能电池)供电的无线设备。存在用于降低这些类型的FMCW系统的供电需求的解决方案(US8497799B2)。

现有技术中的FMCW雷达传感器主要是在远场区域中操作的。对于发射和接收的天线，信号的带宽至少等于FMCW的总频率扫描带宽。例如，对于频率扫描为从9.5GHz到10.5GHz(扫描带宽为1GHz)的FMCW雷达收发器，该天线充当传感器并且带宽必须至少为1GHz，以10GHz为中心，以便检测拍频。传统的FMCW雷达传感器主要用于范围、距离、速度和物体存在检测。这些传统的FMCW雷达传感器并非设计用于对待测材料或管中流动的液体进行任何定量测量。