一种基于双频信号的溶液浓度检测方法及系统

技术领域

本发明涉及液体浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于双频信号的溶液浓度检测方法及系统。

背景技术

在液体浓度检测过程中，浓度传感器一般会被放置在各种平常不便检测的危难环境中，例如检测封闭的大型机械中的流通的液体等等。在这样的环境中通常存在着较多的干扰，因此浓度传感器发出的信号接收会存在一定的困难。

而一般浓度传感器相应的信号检测装置较为简单，就会导致其应用场景和检测方向较为局限。这种简单的检测装置仅检测一种频率信号，当信号需要透过不同的介质的时候，其频率或者振幅以及相位等都可能被改变，并且会伴有噪声信号，而对于目前的固定的信号检测装置，其不论是发射的信号还是接收的信号都无法依据环境状况进行调整，从而导致某些情况下浓度传感器的测量不准甚至无法返回测量值的情况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于双频信号的溶液浓度检测方法及系统，可以根据传感器传出的两种信号进行动态发射信号，无需提前测定不同介质中不同频率信号的穿透效果，使得传感器能够更方便快捷的被部署。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于双频信号的溶液浓度检测方法，包括以下步骤：

S1.信号检测装置向传感器发射频率为f

S2.传感器接收泵浦微波信号，并通过谐振匹配网络电路向信号检测装置发射谐振信号和辅助信号；所述谐振信号的频率f

S3.信号检测装置接收并分离出谐振信号和辅助信号，并以此计算出待测溶液浓度预测值。

进一步地，所述传感器还包括含异质结的晶体管，所述含异质结的晶体管能够基于泵浦微波将管中的极化激元激发到高能级，所述谐振匹配网络电路在谐振频率处提供指定的能量通路，使得被激发到高能级的极化激元向下跃迁，对外辐射出频率为f

进一步地，所述信号检测装置包括射频发射模块、射频接收模块、高通滤波器、低通滤波器、模数转换模块和信号处理模块，所述射频接收模块的信号输出端分别连接高通滤波器和低通滤波器的信号输入端，所述高通滤波器和低通滤波器的信号输出端均连接模数转换模块的信号输入端，所述模数转换模块的信号输出端连接信号处理模块的信号输入端。

进一步地，所述射频发射模块被配置为发射泵浦微波信号，所述射频接收模块被配置为接收谐振信号和辅助信号，所述高通滤波器和低通滤波器被配置为分离频率不同的谐振信号和辅助信号，所述模数转换模块被配置为将模拟信号转换为数字信号，所述信号处理模块被配置为根据数字信号计算出待测溶液浓度预测值。

进一步地，所述射频发射模块发射的泵浦微波信号的频率f

进一步地，对待测溶液进行多次测量，得到多个信号频率-溶液浓度的离散数值，基于机器学习，通过线性回归或者神经网络拟合出溶液浓度和信号频率的数学模型ΔN＝g(Δf)，其中ΔN表征溶液浓度，Δf表征溶液浓度。

进一步地，通过快速傅里叶变换得到信号频率-溶液浓度信息，并基于信号频率-溶液浓度信息计算出信号频率的方差，其中对于谐振信号，直接基于溶液浓度和信号频率的数学模型ΔN＝g(Δf)计算出谐振信号所含有的溶液浓度信息N

进一步地，所述基于两种信号的方差S

进一步地，所述谐振匹配网络电路的谐振频率计算方法包括：

其中，f为谐振频率，为L定值电感的电感值，C为中空电容的容值。

一种基于双频信号的溶液浓度检测系统，包括传感器和信号检测装置，其中：

传感器接被配置为收信号检测装置发射的频率为f

信号检测装置被配置为向传感器发射频率为f

本发明的有益效果在于：

本发明可以根据传感器传出的两种信号进行动态发射信号，无需提前测定不同介质中不同频率信号的穿透效果，使得传感器能够更方便快捷的被部署，该方法不仅能够通过调节使设备更为方便地接收到信号，同时还能够基于两种信号的比较得到一个相对更优的修正结果。应用该方法后，即使传感器工作的环境发生较大的变化，该装置也能够通过调节，快速的实现传感器工作能力的恢复，能够显著的解决传感器需要预先确定工作环境、提前测量发射信号频率的缺点和部署不灵活的问题。

附图说明

图1脉泽电路中电子跃迁辐射信号示意图。

图2本发明实施例的信号检测装置结构示意图。

图3本发明实施例的信号检测装置工作流程图。

图4本发明实施例的传感器结构示意图。

图5本发明实施例的传感器工作流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于双频信号的溶液浓度检测方法，包括以下步骤：

S1.信号检测装置向传感器发射频率为f

S2.传感器接收泵浦微波信号，并通过谐振匹配网络电路向信号检测装置发射谐振信号和辅助信号；谐振信号的频率f

S3.信号检测装置接收并分离出谐振信号和辅助信号，并以此计算出待测溶液浓度预测值。

本发明实现的基本原理如下：如图1所示，传感器中含异质结的晶体管先接收空间的微波(泵浦微波f

利用谐振信号和辅助信号(一般一个为高频，另一个为低频信号)进行同时参考，并综合两个信号的强度来调节发射的泵浦微波的频率以及判断总信号的质量和可信度，可实现更广泛普适的传感器。

优选地，如图2所示，信号检测装置包括射频发射模块、射频接收模块、高通滤波器、低通滤波器、模数转换模块和信号处理模块，射频接收模块的信号输出端分别连接高通滤波器和低通滤波器的信号输入端，高通滤波器和低通滤波器的信号输出端均连接模数转换模块的信号输入端，模数转换模块的信号输出端连接信号处理模块的信号输入端。具体地，射频发射模块被配置为发射泵浦微波信号，射频接收模块被配置为接收谐振信号和辅助信号，高通滤波器和低通滤波器被配置为分离频率不同的谐振信号和辅助信号，模数转换模块被配置为将模拟信号转换为数字信号，信号处理模块被配置为根据数字信号计算出待测溶液浓度预测值。

优选地，射频发射模块发射的泵浦微波信号的频率f

如图3所示，在接收到信号以后，缓慢调节射频发射模块发出的微波信号的频率，观察谐振信号和辅助信号还原结果以及信号处理模块计算出的离散方差。信号的能量越集中，则信号的质量越好，所以认为信号的频谱方差越大，信号质量越好；信号的方差越小，信号质量越差。并可以依据上述公式，得到一个结合了两种信号的综合结果。需要说明的是，由于没有原信号，在信号传播时噪声存在于全频域，因此质量较好的信号应在特定的频率处数值较大(即信号中能量都集中于某一特定频率部分)，所以方差会更大。

优选地，可针对待测溶液进行多次测量，得到多个信号频率-溶液浓度的离散数值，基于机器学习，通过线性回归或者神经网络拟合出溶液浓度和信号频率的数学模型ΔN＝g(Δf)，其中ΔN表征溶液浓度，Δf表征溶液浓度。溶液浓度与传感器结构可参考附图4。

在谐振匹配网络电路中，电感值为定值L，而从中空电容中流经的溶液，会因为浓度的变化从而改变溶液的介电常数，而改变的介电常数会使包裹着溶液的中空电容的容值发生改变，进而改变谐振匹配网络电路的谐振频率：

其中，f为谐振频率，为L定值电感的电感值，C为中空电容的容值。

优选地，信号处理模块通过快速傅里叶变换可得到信号频率-溶液浓度信息，并基于信号频率-溶液浓度信息计算出信号频率的方差，其中对于谐振信号，直接基于溶液浓度和信号频率的数学模型ΔN＝g(Δf)计算出谐振信号所含有的溶液浓度信息N

相应地，本实施例还提供了一种基于双频信号的溶液浓度检测系统，包括传感器和信号检测装置，其中传感器接被配置为收信号检测装置发射的频率为f

使用上述装置可以实现溶液浓度的检测，但是可以基于上述装置和本发明所述的方法，对于谐振网络中的元件组分或结构进行简单的改装可以实现对各种物质的相关物理量检测，此发明一方面使用相关技术来改造传感器设备，实现传感器的无源无线化；另一方面，使用双信号验证方法可以得到更稳定的接收信号，从而改善测量体验，提高测量精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。