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测距雷达在料位测量中的应用

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  随着生产过程自动化水平的不断提高,在原材料的生产加工过程中,需要解决料仓内料位的实时监控问题,以保障设备的安全高效运行,提高经济效益,适应现代化生产管理的要求。因此,在各类料仓中使用了诸如电容式、重锤式、超声波式等料位仪,但这些料位仪对适应恶劣工作环境下的各种料仓都有一定的弊端,一般存在稳定性较差、测量精度不高、维护工作量大等问题。用微波原理设计制造的料位仪,能适应料仓内的高浓度粉尘及温度变化,维护操作方便,是一种新兴的料位仪产品。

     系统原理

  线性调频连续波(FMCW)雷达的原理框图如图1所示。

  

  图1中压控振荡器在锯齿波电压控制下,产生线性扫频信号,该信号经隔离器后加至喇叭天线,形成发射波,当此发射波传播到物料表面时产生反射回波,再由天线接收,经隔离器后进入混频器,在其中与发射波信号进行混频,得到差频信号,然后将差频信号进行放大滤波和A/D转换,用窗函数将数据平滑,用FFT算法将其转换成频谱,频谱经分析后算出与料面距离关联的时间值,再由时间值求出距离,并在显示器上直观地显示出来或经通讯接口传输给控制设备。

  由此可见,该系统是通过比较本振信号与反射回来的延时信号而得到一个含有距离信息的频率信号来计算料面距离的。

 

 系统实现及应用

  通过对线性调频连续波(FMCW)雷达工作原理的分析可知,压控振荡器是系统的核心和设计难点,压控振荡器的带宽越宽,系统的距离分辨率越高。FMCW雷达的信号波形如图2所示,其中,B为扫频带宽,T为扫描周期,τ为发射信号与回波信号的时间延迟。

  

  为了获得较高的距离分辨率,使用变容二极管调谐的方法以获得较大的带宽,但实际上由于变容二极管固有的非线性特性,在几百兆赫兹的带宽下,压控振荡器的电调线性度不可能很高,从而无法达到实际使用对距离分辨率的要求。如何在保证一定带宽条件下使用外部校正手段,对压控振荡器的电调特性进行线性校正,根据实际测量需要,可采用调试方法简便、成本低廉的开环线性校正电路来修正宽带振荡器的扫频线性度,使压控振荡器线性度由校正前的10%的量级修正到0.5%以内,完全满足了用户对料仓内物料位置实时监控的要求。

  雷达料位仪可广泛应用于温度、湿度变化大及有高粉尘浓度的冶金、建材、能源、石化等行业。在实际使用中,要求料位测量数据及时传输到控制中心,因此在结构上将料位仪分为微波收发器和料位信号处理机两部分,它们通过屏蔽电缆连接,如图3所示。

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