【摘 要】
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精确测量旋转角度对于现代工业生产、自动化控制等领域具有重要意义,现有的用于旋转角度测量的微波传感器一方面受限于低品质因数而无法实现高灵敏度测量,另一方面测量过程依赖矢量网络分析仪对响应参数进行提取,存在成本高、便携性差等缺陷。围绕上述问题本文基于开放式互补开口环谐振器(Open Complementary Split Ring Resonator,OCSRR)提出了两种微波传感器和一套测量系统设计
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精确测量旋转角度对于现代工业生产、自动化控制等领域具有重要意义,现有的用于旋转角度测量的微波传感器一方面受限于低品质因数而无法实现高灵敏度测量,另一方面测量过程依赖矢量网络分析仪对响应参数进行提取,存在成本高、便携性差等缺陷。围绕上述问题本文基于开放式互补开口环谐振器(Open Complementary Split Ring Resonator,OCSRR)提出了两种微波传感器和一套测量系统设计方案,主要研究内容如下:(1)提出了一种用于检测旋转角度的有源微波传感器。传感器的主体由转子和定子两部分组成,采用曲折技术设计感测区并对等效电路模型进行建模分析。为了补偿无源微波传感器的固有损耗,定子与有源电路结合可将有载品质因数提高到4.7K以上,数值仿真结果显示,有源电路可以加强感测区的磁场强度以增强定、转子之间的相互耦合。传感器使用S11幅值变化表征旋转角度,在0°到90°动态范围内,传感器的灵敏度为0.32d B/°,是无源微波传感器的10.56倍,可用于角位移的高灵敏度检测。(2)提出了基于OCSRR的感测振荡器设计方案。感测振荡器由OCSRR和放大电路构成,通过对振荡条件进行分析,对各组成部分进行详细的设计并对其稳定性进行了改善。对感测振荡器分别进行开环和闭环仿真,阐明了传感器的工作原理及输出信号与旋转角度之间的关系。感测振荡器测量旋转角度的灵敏度为218.8k Hz/°,最大线性区间为20°~60°。借助振荡理论成功将转子旋转造成的频率响应转化为感测振荡器输出信号的变化,摆脱了微波传感器对矢量网络分析仪等大型设备的依赖。(3)提出了基于互调倍增技术的测量系统。从理论出发,结合所设计的传感器阐明了高阶互调分量对旋转角度测量灵敏度的提升作用。测量系统中,感测振荡器作为前端测量装置,后端系统主要应用混频器的非线性产生高阶互调分量,结合锁相环、功合器、功率放大器等电路元件可以实现灵敏度的成倍增加。系统基于频率偏移进行旋转角度的测量,选择七阶互调频率的测量灵敏度为13.62MHz/°,是采用基波测量时的10.64倍。
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