导波雷达液位计的一种硬件实现

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.22MB 48 页 15积分

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摘要

导波雷达液位计在现代工业中有着广泛的应用，因其测量精度高，耐高压耐

高温能力强，安装方便，便于在线维护，并且价格比传统的微波物位计要低的多，

故近几年得到较大发展。

本文研究了导波雷达液位计的整体结构，基于传输线的时域反射技术提出了

一种硬件设计方案。该方案分析了由于液位测量死区比较小，测量精度比较高的

特点，选择 UWB 脉冲波作为该方案中的发射波。通过对 UWB 极窄脉冲产生原理

的研究，设计了一种基于雪崩三极管的发射电路。由于传输距离较短而造成的测

量时间小，提出了采用等效时间采样的方式，对回波进行采样。研究了锁相环原

理，通过比较延迟产生方案，确定了利用锁相环产生等效时间采样中的延迟脉冲。

针对 UWB 回波信号，设计了一种相干平衡取样电路。在此基础上，研究了增益可

变仪表放大器的原理以及相关电路，设计了一种用在导波雷达液位计中的仪表放

大电路。

本文实现了一个能够产生脉冲宽度约为 600ps，上升时间约为 200ps，下降时

间约为 800ps，幅值为 1.6V 的UWB 脉冲电路设计。利用锁相环原理，实现了在

大范围内步进延迟 3ps，总延迟 80ns 的延迟电路。采用相干平衡取样电路，对回

波信号进行取样，实现了等效时间放大。通过增益可变的仪表放大电路，将信号

放大至后级 ADC 可接受的水平。

关键词：导波雷达液位计；时域反射技术；UWB 脉冲波；等效时间采样；

平衡取样；

ABSTRACT

Guided wave radar level transmitter has a wide range of applications in presently

industry. Because of its high accuracy, high pressure high temperature capability, easy

installation, easy online maintenance and have much lower price than traditional

microwave level meter, it has been greatly developed in recent years.

In this paper, after researching the structure of guided wave radar level gauge, a

hardware design is presented which based on the transmission line time domain

reflectometry. Because of the short dead zone in level measurement, and high accuracy,

UWB pulse is selected as program’s launch wave. By the research of principle in

generating a very narrow UWB pulse, a circuit based on the launch of avalanche

transistor is designed. As a result of shorter distance measurement time is small,

equivalent time sampling is introduced which is used as sampling of the echo. Studied

the phase-locked loop principle, by comparing the delay generated, using phase-locked

loop generates the delay pulse in equivalent time sampling is confirmed. For UWB echo

pulse, the coherent balance sampling circuit is designed. On this basis, after studied the

principles of variable gain instrumentation amplifier and associated circuitry, one

instrumentation amplifier circuitry which is used at guided wave radar level gauge is

designed.

This implementation can generate a pulse width of about 600ps, rise time of about

200ps, fall time of about 800ps, the UWB pulse amplitude of 1.6V circuit. By the

principle of phase-locked loop, a wide range 80ns total delay, 3ps step delay is

implemented and the circuit is designed. Using the balance coherent sampling circuit at

sampling the echo signal, the equivalent time amplification is implemented. Through

the variable gain instrumentation amplifier, the signal is amplified to an acceptable level

of ADC.

Key Word ：Guided Wave Radar Level Transmitter; Time Domain

Reflectometry; UWB pulse; Equivalent Time Sampling;

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 导波雷达液位计简介 .......................................................................................1

§1.2 课题研究背景及意义 .......................................................................................1

§1.2.1 导波雷达液位计研究现状 .....................................................................2

§1.2.2 课题研究的意义 .....................................................................................3

§1.3 本文章节安排 ...................................................................................................4

第二章导波雷达液位计基本原理及参数选择 .............................................................5

§2.1 导波雷达液位计基本原理 ...............................................................................5

§2.1.1 基本原理 .................................................................................................5

§2.1.2 理论分析 .................................................................................................6

§2.2 导波雷达液位计主要参数的选取 .................................................................11

§2.3 小结 .................................................................................................................14

第三章 UWB 发射波信号产生电路的设计与分析 .................................................... 15

§3.1 UWB 发射波信号产生方案 ........................................................................... 15

§3.2 UWB 发射波信号产生原理 ........................................................................... 16

§3.2.1 三极管的雪崩击穿电压 .......................................................................17

§3.2.2 三极管的雪崩击穿原理 .......................................................................18

§3.3 UWB 发射波信号产生电路 ........................................................................... 19

§3.3.1 基本电路 ...............................................................................................19

§3.3.2 元器件参数的选择 ...............................................................................20

§3.3.3 仿真结果 ...............................................................................................21

§3.4 小结 .................................................................................................................24

第四章等效时间采样电路的设计与实现 ...................................................................25

§4.1 延迟脉冲产生方案 .........................................................................................25

§4.2 用于产生延迟的锁相环 ..................................................................................27

§4.2.1 锁相环简介 ...........................................................................................27

§4.2.2 锁相环实现延迟脉冲的方案 ...............................................................28

§4.2.3 锁相环实现延迟脉冲的电路 ...............................................................29

§4.3 采样电路的设计与实现 .................................................................................31

§4.3.1 微弱信号采样电路的原理分析 ...........................................................31

§4.3.2 微弱信号采样电路的方案分析 ............................................................32

§4.3.3 微弱信号采样电路的实现 ....................................................................34

§4.4 小结 .................................................................................................................35

第五章仪表放大器电路的设计与实现 .......................................................................36

§5.1 仪表放大器简介 .............................................................................................36

§5.2 仪表放大器电路的设计 .................................................................................37

§5.3 小结 .................................................................................................................41

第六章总结与展望 .......................................................................................................42

§6.1 全文总结 ..........................................................................................................42

§6.2 研究展望 .........................................................................................................42

参考文献 .........................................................................................................................43

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................45

致谢 .................................................................................................................................46

第一章绪论

§1.1 导波雷达液位计简介

导波雷达液位计是一种应用于物位测量的仪表。传统的物位测量有很多方法，

利用时域反射技术来实现对物位的测量，是最近几年物位测量技术的主要方向。

其原理是：安装在储存装置顶部的探头向储存装置内发射某种能量波，能量波传

播到被测物料上，在物料表面上产生反射，反射波返回到探头上被接收，通过测

量传播时间，根据能量波的传播速度就能计算出物位。

通常可以利用的能量波有电磁波，机械波（声波或超声波），光波等。相对应

的物位计有：微波物位计（雷达物位计）、超声波物位计和激光物位计。

微波物位计在结构上可以分为两大类[1]：

1，天线式（或称自由空间雷达 Free Space Radar）

2，导波式（或称导波雷达 Guided Wave Radar）

早期天线式微波物位计发展较快，因为它是用天线向被测物料面发射微波，

接收回波并计算距离来换算高度的。微波在物料面上部的自由空间传播，被测物

料和仪表部件是非接触的，安装使用均方便。而且微波受传播介质特性以及环境

的影响较超声波小的多，故发展较快。但在使用中发现以下场合，天线式微波物

位计并不能很好的工作[2]：

1，被测物料相对介电常数较低（

2





）

2，在较小的空间内测量

3，在有很陡的安息角的固态物位测量

4，高温、高压等工况

而导波雷达液位计在以上条件下均可以正常工作。因为功耗的因素，导波雷

达液位计发射的电磁波是 UWB 波。

UWB 波（Ultra Wideband）又称为超宽带雷达

波，是冲击雷达的一种，因其高距离分辨率、强穿透率、强抗干扰性等特点而被

应用在越来越多的领域[3]。本为也是基于上述特点，采用 UWB 电磁波作为传输波。

导波式雷达物位计是将时域反射技术（Time Domain Reflector 简称 TDR），等

效时间采样技术（Equivalent Time Sampling 简称 ETS）和微功耗电路的结合而产

生的一种新型测量仪表[4]。由于用于物位测量的 TDR 也采用了微波频率内的电磁

波作为传输波，故也归类于微波物位计的一类，有所不同的是，此电磁波是通过

导波杆传播。它虽然丧失了非接触测量的优点，但因为其受介质特性影响小，测

量精度高，耐高压耐高温能力强，安装方便，便于在线维护，并且价格比传统的

微波物位计要低的多，故近几年得到较大发展。

§1.2 课题研究背景及意义

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摘要导波雷达液位计在现代工业中有着广泛的应用，因其测量精度高，耐高压耐高温能力强，安装方便，便于在线维护，并且价格比传统的微波物位计要低的多，故近几年得到较大发展。本文研究了导波雷达液位计的整体结构，基于传输线的时域反射技术提出了一种硬件设计方案。该方案分析了由于液位测量死区比较小，测量精度比较高的特点，选择UWB脉冲波作为该方案中的发射波。通过对UWB极窄脉冲产生原理的研究，设计了一种基于雪崩三极管的发射电路。由于传输距离较短而造成的测量时间小，提出了采用等效时间采样的方式，对回波进行采样。研究了锁相环原理，通过比较延迟产生方案，确定了利用锁相环产生等效时间采样中的延迟脉冲。针对UWB回波信...

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