電子多用途材料平面高度傳感器的製作方法

2023-09-14 05:08:15

專利名稱：電子多用途材料平面高度傳感器的製作方法
政府權利的聲明根據美國能源部與加利福尼亞大學為羅倫斯利物莫國家實驗室籤訂的合同No.W-7405-ENG-48，美國政府對本發明有跟蹤的權利。
本發明一般地來說涉及一種傳感器，更具體地說涉及一種平面高度傳感器，用來測量容器如反應器、導管、河床、灌溉渠、傳送裝置、自由固定的堆積物以及各種其他系統中流體或其他材料的平面高度和狀況。此外，本發明涉及一種線性的位移傳感器，用於機械工具、液壓執行元件和類似的有可移動部件的設備。
現有技術中有各種各樣的設備用來測量兩種液體之間的液面或交界面。通常，這些設備包括容器中的傳感器和將數據從傳感器發送到遠地的設備，數據在遠地檢測並轉換成反映容器中液面的可用形式。
典型的機械的和機電的傳感器(如浮筒)不太可靠，並且難以用在深槽或裝有腐蝕性液體的箱槽中。利用聲波或超聲波信號的設備又相對地不精確，因為音速隨溫度和溼度的改變而改變。基於超聲技術的傳感器不提供對實際流體平面的精確測量，因為超聲信號通常對可能在流體表面形成的泡沫樣的東西(或泡沫)不反射。在容性的平面高度傳感器中，液體必須裹住傳感器，這樣，傳感器壁上的潮氣可能被傳感器錯誤地感知。再之，容性傳感器不能提供關於浸入有傳感器的流體或混合體的狀況的信息。
頻率調製(FM)連續波(CW)雷達傳感器也一直用於對容器中液面的測量。在這些傳感器中，自由傳播的雷達信號向液體表面發射，雷達信號在液面下被反射回接收機並測定出信號的傳播時間，因而測定出參考點與流體面之間的距離。這些雷達昂貴、體積大且分辨力有限-典型值是6英寸。
大多數時域反射法(TDR)系統提供液面的精確指示且對液面的變化有快速反應，但是，它們需要十分複雜而昂貴的系統才能正確地運作。美國專利No.3832900中羅斯(Ross)描述了一個這樣的系統，他將一條開路同軸線浸入裝滿液體的容器中。液面在同軸線中產生一個不連續點且產生一個基帶脈衝信號的反射，該信號沿傳輸線往回傳播。收到這個反射的時間相對於發射脈衝的時間就決定了液面。但是，傳輸線容易造成堵塞而需要頻繁地清洗。
羅斯在美國專利No.3995212中描述了一個測量液面的裝置，其目的在於尋找堵塞問題並減小輻射反射檢測系統的複雜性。更確切地說，這份專利描述了一個形成脈衝發生器的裝置，產生一個脈衝時間為亞納秒的基帶探測脈衝，通過一個直接耦合器與一個變換裝置相耦合。這個變換裝置把引導探測脈衝的傳輸線變換成單導線傳輸線，波形沿此導線連續傳播。導線安放得與液體表面垂直且伸進液面。在液體表面因介質常數改變而引起的探測脈衝的反射沿著導線向變換裝置往回傳播並與直接耦合器耦合。
反射波的取樣被耦合到直接耦合器的反射口，直接耦合器還有一個口，口上出現入射波的取樣。這兩個口通過一個開關耦合到液面處理器，在處理器中入射波與反射波之間的延遲被測定出來。這個延遲用來測定液面。但是，這個液面檢測系統是相當昂貴的，體積龐大，不能用來測量導電液體的深度。
勞爾等人(Rao et al)在美國專利No.4489601中插述了一個裝置，測量導電或非導電液體在參考面以上的高度。高伯(Goubau)傳輸線從輸入端延伸到一個有空圓筒的接頭處，空圓筒的直徑比高伯線的外徑大。在這外接頭處，高伯線伸進空圓筒形成一條同軸傳輸線，垂直地浸入液體-從液面以上伸入到液面下的某個參考面(通常是底面)。
脈衝在輸入端與高伯線耦合，且作為表面波傳播，直至到達接頭處變成兩種方式一種是在同軸線外的表面波方式，另一種是在同軸線內的橫電磁方式。變換裝置控制分配給兩種方式的相對功率。在同軸線外傳播的表面波碰到液面的時候就產生反射。橫電磁方式在同軸線中完整地留下且無反射，直至一會兒到達液面下的參考面。在同軸線外的已反射表面波與同軸線內的已反射橫電磁方式波沿著同軸線往回傳播，在高伯線耦合成為時間上隔開的已反射表面波。在高伯線上傳播的反射波送到直接耦合器並由接收機檢測。接收脈衝之間的時間與液面至參考面的距離成正比。然而，這個一般的TDR液面傳感裝置相當昂貴且體積龐大。
因此，人們對現有裝置的不滿意就迫切需要一種新的材料平面高度傳感器，該傳感器旨在解決上述的現有裝置中存在的問題，此外還提供合適的分辨力。這個新的平面高度傳感器要能夠指出容器如反應器、導管、河床、灌溉渠、傳送裝置、自由固定的堆積物和各種其他的系統中流體或其他材料的平面高度和狀況。另外，新的傳感器還要能作為一個線性位移傳感器用於機械工具、液壓執行元件和類似的帶有可移部件的裝置。
因此，本發明的目的是提供一個改進的平面高度傳感器，它既不昂貴又很精確，重量輕，使用簡便。
本發明的另一目的是提供一個平面高度傳感器，它尺寸小巧，適用於緻密的環境和複雜的結構中。
本發明還有一個目的是提供一個新的平面高度傳感器，它有極低的功耗，同時有寬的工作範圍。
本發明再有一個目的是提供一個新的平面高度傳感器，它能夠用來指示流體和其他材料(如顆粒狀材料)的平面高度和狀況。
本發明的進一步目的是提供一個新的平面高度傳感器，它能夠對於平移的測量判明移動反射的交界面。
本發明的又一目的是提供一個傳感器，它也能夠用作線性位移傳感器。
本發明還有一個優點是提供一個平面高度傳感器，它檢測被測液體的實際平面且通常對泡沫狀材料不感應。
簡言之，本發明以上的和進一步的目的和優點均由一個新的平面高度傳感器來完成，它的依據是十分短的電脈衝時間域反射法(TDR)。脈衝沿著浸入材料(如流體或固物物質)的傳輸線傳播。引起的參考反射和多介質交界面之間的時間差能夠用於測量材料的平面高度和狀況。
傳感器與電路元件及溫度的變化基本無關，製造起來並不貴。傳輸線可以是高伯線、微波帶狀線(Microstrip)、同軸電纜、雙導線、共平面帶狀線或共平面波導管。典型地，傳輸線包括一條沿槽箱或容器內壁安置的帶狀線。反射脈衝也包含關於流體內層的信息，例如油箱底部積起的油泥。傳感器輕便可手提，很容易用於受限的和難以到達的地方。另外，傳感器還能用於極其接近傳輸線的物體的平移測量。
在自動的或類似的使用場合，傳感器能用作量油尺去測定氣箱、曲軸箱、傳輸裝置、後背端、剎車流體油箱、風擋水瓶、洗衣機等的灌注平面，工業桶的灌注平面等等。本傳感器能夠替代大多數的平面高度傳感器，包括那些用在洗手間、地下穀倉和氣站貯存箱、超大油輪等等的傳感器。本傳感器進一步能用作一個線性的位移傳感器，用於機械位置控制、極限開關和音樂器材，其中，金屬或絕緣物體在離傳輸線極近的地方移動或者與傳輸線接觸移動。
本傳感器有一個極其簡單又便宜的取樣器-它僅僅是一隻單二極體。被取樣的信號加到二極體的一端，即陽極端，門脈衝加到二極體的另一端，即陰極端。進而，諸如取樣器漏取或不取樣、從信號輸入到取樣器輸出的假耦合等常見問題都不是要擔心的事情，因為信號只有高頻成分，平均值為0，這在下面關於TDR系統配置中將會說明。一個有限高頻帶寬放大器與取樣器相連，並把這些高頻成分阻擋住。因此，在一般取樣器中(如Tektronix ModelS-4)看到的複雜的漏取抵消電路被取消了。
另外，本傳感器有一個自偏壓設計，為在發送脈衝期間防止二極體正嚮導通，平均整流門脈衝建立起約1V的直流電壓，則在取樣二極體兩端就有一個反偏。電容C(C＝22pf)保持且平滑這個偏壓，同時，一個1MΩ的偏壓電阻接地，形成一個洩放器，以維持偏壓電路的偏壓有一個絕對的最小值。
取樣緩衝放大器利用一個阻抗變換放大器，本質上決定了帶寬。阻抗變換放大器是交流耦合的，消除了取樣二極體正向壓降和反向偏壓變化新造成的影響。進一步說，它的高頻帶寬被限制在PRF以下，以便防止「脈衝到脈衝」偏壓變化的放大(此變化是在脈衝重複頻率PRF速率為2MHZ時產生的)，同時也平滑了隨機噪聲。
本傳感器還包括一個區間掃描電路，它在接收的門通路中利用一個十分簡單的RC延遲電路，提供一個與控制區間延遲電壓(此電壓由4.7kΩ電阻供給)有關的指數延遲函數。這個關於區間掃描的獨一無二的設計清楚地顯示了本發明超越一般傳感器的特色，一般的傳感器需要昂貴而複雜的精密高速模擬電流源以及為形成線性電壓斜坡延遲電路的比較器。
為了提供一個有最小分量的線性掃描延遲函數，一個等效時間(ET)指數斜坡被用作為掃描參考，輸入到上述的實時指數延遲斜坡電路。另外，區間掃描電路與電源電壓(Vcc)的變化相對無關，因為電源電壓同時決定了實時和等效時間斜坡的幅值及比較器函數(由邏輯反相器形成)的判決門限(TTH＝Vcc/2)。在此關係式中，如果Vcc增加10％，那麼斜坡幅值和判決門限電壓VTH也增加10％，於是在實時斜坡上的門限點就維持不變(最大幅值的50％)，即，在相同延遲上不考慮電源電壓Vcc的10％的增加。這個抵消效應對於穩定的、低跳動的時基是十分重要的。
本傳感器更包括一個抖動PRF電路，防止共存傳感器和cw發射體例如無線電站來的幹擾。抖動PRF電路把從導線、傳輸線或傳感器接頭來的假髮射的頻譜線展開，也就減小了對通信業務的幹擾，從而減小了在任一特定頻率上的峰值。
傳感器也包括一個快速脈衝發生器，構成發射脈衝發生器和門脈衝發生器的部分，它包括一個高速CMOS或者肖特基TTL的邏輯門/倒相器去驅動一個微波矽雙極電晶體。快速脈衝發生器可採用極低的價格，有低的功耗(例如，低於1mA)且高速運行(即，渡越時間100ps)。由於電晶體在快速渡越結束時飽和，所以快速脈衝發生器也產生十分「乾淨」的渡越而沒有瞬時跳動。其他的一般快速脈衝發生器主要是依靠階躍恢復二極體，所以相對十分昂貴。
本傳感器在傳感器傳輸線始端利用一個謹慎考慮的阻抗失配，反射基準脈衝在失配中消除了時基的漂移，即，在區間讀數中是0補償。
TDR包括(1)一個小的(1pf)微分電容，從發射脈衝發生器連接到電纜驅動節點；(2)一個50Ω的端接電阻，從驅動節點連接到地；(3)一個取樣二極體連到驅動節點。因此，本TDR比大多數(如果不是所有的)可以比得上的一般TDR簡單。
正常地，一個現存的TDR會包括一個用來代替電容的電阻，和一個隔離脈衝組成網絡，對脈衝發生器供給的脈衝進行微分。用在本TDR的電容足夠地小，相對於出現在驅動二極體上的反射脈衝來說，其不會加重電路的負荷，因此，這些脈衝不會象一般TDR的情況那樣被削弱，一般的TDR在此處用的是電阻。另外，這些常規的TDR常常利用一個昂貴而有損耗的直接耦合器。
取樣二極體的方向性防止被發射脈衝無意間開啟，它只能夠由門脈衝來開啟。
二極體在正常情況下是由直流偏壓反相偏置的，在發射脈衝的脈衝時間內，二極體進一步由發射脈衝反相偏置，有效地保持了二極體與驅動節點的隔離，並且允許最大的發射脈衝幅值送到電纜以取得最佳信噪比。
本傳感器也能夠用作建築工具或者與建築工具連接。例如，傳感器能夠用於鑽頭中提供關於鑽井深度的精確信息。它還能在汽車中作動力窗的安全傳感器用，藉此，導線在離手或人體極近的地方嵌入窗玻璃中，產生一個反射，檢測此反射就達到關掉窗電機的動力的目的。
本發明上述的和其他的特性以及獲得這些特性的方法變得明顯了，藉助於下面的描述和與之相隨的附圖，就會很好地理解本發明。附圖中，

圖1是材料平面高度傳感器按照本發明第一個優選的具體裝置而安置的側視圖；圖2是圖1傳感器的頂視圖；圖3是圖1和圖2傳感器的側視圖；圖4是形成圖1至圖3傳感器的電路方框圖；圖5A和5B是圖1至圖4傳感器的詳細電路圖；圖6表示了在形成圖1至圖5傳感器部分的發射上產生的等效時間基準脈衝的示波器軌跡，以及浸入深度為1吋和8吋的氣體/流體反射脈衝的示波器軌跡；圖7是沿容器壁有微波條狀傳輸線的剖面視圖；圖8是利用本發明的傳感器來測定鑽井深度的側視圖。
圖1、2和3表示了按本發明第一個優選的具體裝置而設計的平面高度傳感器10。平面高度傳感器10通常包括一個收發信機12，它經電纜16(如，50Ω同軸電纜)與導線或傳輸線14電耦合。
為了防止屏蔽層19上感應出鏡象電壓，發射板18與電纜16的屏蔽層19相連，電纜16的內導體21與導線14相連。正如圖3所示，電纜16與發射板18無縫封接，發射板18的背面安置一個電阻20，此電阻嵌入塑料支撐塊24。
收發信機12產生十分短的電脈衝，經電纜16傳導到發射板18，發射板18起發射天線的地平面的作用，在鄰近的範圍內幫助這些電脈衝，引導電磁(EM)波。EM波沿導線14傳播，導線14浸入流體22，流體22表面的平面高度23被檢測。當EM波到達流體22的表面時，由於空氣與流體的交界面產生不連續效應，它們就被部分地反射。
反射沿導線14向著發射板18回傳，此時發射板18起接收天線的地平面的作用，在那裡，反射脈衝向收發信機12發射。收發信機12測定發射信號與反射信號之間的時間延遲，由此時間延遲，相對於發射板18的表面高度23就可以被確定出來。
反射脈衝的幅值τ與空氣的介質常數ε0有關，與流體的介質常數εvat有關，表示成如下等式τ＝〔1-(εvat/ε0)5〕/〔1+(εvat/ε0)5〕收發信機12測量脈衝多次反射的經過時間並產生一個等效時間去門控一個標準的電計數器或數字顯示。開門時間隨發射板18與空氣/流體交界面之間距離的增加而增加，等效時間標尺因子是1吋＝1ms。發射板18是了引導波的發射並使電纜16上的熱接地問題變得最小。
傳感器10的一個重要的特性是一個謹慎考慮的反射是在發射板18上引導的。在這方面，接在發射板18和導線14之間的電阻20提供局部的阻抗不連續性，產生EM波的部分反射。這個反射用作收發信機12的基準脈衝或參考脈衝。在基準脈衝和反射脈衝之間進行測量，反射脈衝與發射板18有關而與收發信機12無關，因此，電纜16引導出的誤差和漂移即使不是被完全消除，也是被大大減小了。
未被空氣/流體交界面反射的EM波通過流體22向著容器底部25或者包裹住流體22的桶27繼續它們的入射傳播，這些EM波被容器底部25反射出來並沿導線14回傳，在收發信機12中進行處理。
如果在入射傳播期間，電磁波遇到另外的兩層物質的交界面，例如，水泡29或在容器27底部35上的固體沉澱物，那麼電磁波全部分地向發射板18回射。通常，本傳感器能夠沿傳播通路檢測任何一個不連續點，且能進一步測量從發射板18到這個不連續點之間的距離。
本發明的傳感器10其一般運作的基礎是從收發信機12來的脈衝發射，等待一個簡單的周期時間(Tsamp)，然後打開一個門或窗口，允許對反射脈衝的取樣。這個處理在1MHZ的速率上重複進行，允許大約10-100個接收脈衝在等待周期Tsamp增加之前被平均。高的平均值減小了伴隨取樣信號而來的隨機噪聲。
被平均的脈衝提供一個與特定範圍上脈衝的反射相對應的電壓值，該特定範圍出自於發射脈衝與開門時間(或取樣電路的操作時間)之間的延遲所決定的一組範圍。這個處理被稱做「範圍門控」，它提供了關於表面高度和被掃描交界面的深度信息。
本發明在等效時間內對「範圍門」(即被掃描的區域)掃描。當範圍門通過表面高度或交界面移動的時候，範圍門內的反射由收發信機12感受到。典型地，門僅在與發射脈衝寬度相等的時間內被打開。本發明還利用託馬斯.E.麥克埃文(Thomas E.Mc-Ewan)的美國專利No.5345471所描述的超寬帶接收機的概念，這裡整體地參考了名為「超寬帶接收機」的專利。
圖4是收發信機12的方框圖，包括一個任選的噪聲發生器39用來對脈衝重複頻率/脈衝得復時間間隔(PRF/PRI)發生器40進行調製，還用來建立一個平均值為1MHZ，其上有1-10％的隨機變化的PRF，即一個1-10％PRF抖動電路。抖動電路把發射頻譜從發射板18展開以便減小RF頻譜用戶的潛在幹擾，同時也使出現在導線14上的外來幹擾信號的取樣隨機化了。
在發射板18上的接收信號或脈衝被取樣和平均，因此，隨機化的取樣平均是0，於是，從其他地方(如RF發射機)來的幹擾基本上被消除掉了。抖動電路對所需要的回波不起作用，因為回波被發射後是在固定的短時間內被接收的，下一個重複的時間間隔產生的恰當時間對它們不起作用。抖動產生與一般RF用戶兼容的頻譜，允許使用多個傳感器而相互又挨得很近。由其他脈衝系統發射的短脈衝其取樣的機會是隨機而又十分低的，並且，對所有實用的用途來說，連續地對其他脈衝系統來的足夠的脈衝進行取樣的有效可能性為0，不足以建立起一個相干的、可檢測的信號。
從1MHZ脈衝重複頻率/時間間隔(PRF/PRI)發生器40來的脈衝沿著兩條通路輸入一條是發射通路42，另一條是門控通路44。在發射通路42中，PRF/PRI發生器40驅動一個脈衝發生器46，產生一個5v、200ps上升時間的階躍脈衝，該脈衝被一個電容48(C＝1pf)沿微分成200ps寬的脈衝。在電容48輸出端的脈衝加到電纜16進而加到發射板18。
發射板18檢拾起從表面23或多物體交界層來的反射脈衝，經電纜16加到取樣保持電路50。為了使節點54和電纜16尾端的節點56之間有最小的三重渡越反射，一個阻值等於電纜16的特性阻抗(Z0)的端電阻(RT)51接在與電纜16端頭相近的節點54和地之間。節點56接一個電阻20，它們的阻抗大於特性阻抗Z0，所以，反射的幅值或者說基準脈衝的幅值被設置得與空氣/液體交界面的反射相等。
取樣保持電路50也接到節點54，在2MHZ的速率上被加到整個門通路44上的序列門脈衝所門控。取樣保持電路50包括一個開關或取樣器52和一個接地的保持電容59，以保持取樣到的反射脈衝。取樣器被門脈衝驅動成交替開和關的序列。門脈衝在整個延遲範圍內被延遲，從發射板18發射出發射脈衝的時間開始，約延遲5-10ns。一個掃描區間延遲發生器53以40HZ的掃描速率控制著門脈衝的時基，因此，每個門脈衝每1/40秒線性地掃過它的全部掃描區間。這就在保持電容59兩端產生了一個取樣電壓，和在取樣保持電路50輸入端上看到的實時反射脈衝一樣的等效時間(ET)。換句話說，在納秒時間標尺上產生的波形被轉換成在毫秒時間標尺上的相等的尖波。
區間延遲發生器53驅動脈衝發生器55，產生一個5v.200ps上升時間的階躍脈衝。脈衝發生器55的輸出經電容57邊沿微分，成為一個200ps寬的脈衝加到取樣保持電路50。
電容59要足夠大，使每次取樣只對它充上一點點電，大約需要10-100次取樣才達到與端電阻51(RT)兩端的信號均衡。一個典型的設計是電容59為22pf的量級。阻抗Z0與電阻RT並聯，乘上電容59的容值就產生一個時間常數，它比門脈衝的寬度大得多，這樣，就有許多個脈衝向電容59充電。例如，一個200ps寬的脈衝從發射板18開始傳播，那麼反射就與門脈衝相重合。每次收到的脈衝在取樣保持電路50的電容59上產生一個增量電壓變化ΔV，取樣保持電路50的平均輸出就是純電容電壓。全部接收脈衝的增量ΔV＝1/N，其中N是平均取樣的數目，典型值約10-100。可以理解成N假定為任意值。
在取樣保持電路50上的噪聲電壓被兩個因子減小了一個與被平均的取樣的數目平方根有關(在這裡的情況下減小為1/10)；另一個與平均電路的有效時間常數有關-起自於取樣保持電路50所取樣數據的性質。其中，平均電路與系統的PRF和取樣器的瞬時帶寬有關。總起來說，與2GHZ帶寬的電路(即傳輸脈衝的帶寬)相比，獲得的噪聲減小大於20dB。
在取樣保持電路50的輸出上等效時間複製加到一個增益至少為100、通帶為10HZ-10KHZ的放大器61以便提供1v峰值量級的等效時間幅度。放大器61的輸出提供一個模擬信號指示基準脈衝和空氣/液體反射脈衝之間的時間關係。
為了從發射板18檢測等效時間基準脈衝和從表面高度23或交界層檢測反射脈衝，放大器61的輸出連接到比較器63和64，它們分別是正門限比較器和負門限比較器，同樣，為了產生區間計數器的門脈衝，比較器輸出連接到自復位反轉觸發器66。
自復位觸發器66的輸出和PRF/PRI發生器40的輸出都輸入到與門68，與門68的輸出送到區間計數器70。為了提供一個十分高的區間分辨力，區間計數器70鎖定在2MHZ的速率上。導線14上等效時間標尺因子是1.0ms＝1.0吋時，在2MHZ速率上每個區間計數器脈衝對應0.5密耳，即，0.0005吋(1吋×0.5μs/1.0ms)。
在一次試驗中，觀察到的不穩定性是在0.001吋有效值的量級上，當時測量校正間隔為1/40秒。區間計數器70能對讀數計數以達到均衡的目的，獲得低的不穩定性。區間計數器70的輸出驅動顯示器72，也可以在復位前傳送給處理器(未畫出)。
傳感器10在整個寬溫度範圍內精度的變化小於0.1吋。得到這樣的可需要的穩定性是因為(1)利用基準脈衝消除在直接傳送通道42、門通道44和電纜16中的時基補償漂移；(2)利用讓幅值基準與反射脈衝檢測門限+VTH、-VTH接近相等使脈衝幅值變化最小；(3)在區間延遲53和區間斜坡迴路77中利用穩定的RC元件。
根據由斜坡發生器77提供的斜坡信號，控制區間延遲發生器53的時間延遲。斜坡信號使區間延遲發生器53在整個延遲區間掃描，即對應於到達液面和出自液面23所期望的反射的延遲區間。
斜坡發生器77由40HZ掃描振蕩器78驅動。它可以理解為該40HZ振蕩頻率能夠藉助於一般的數字分頻器從2MHZ PRF/PRI發生器40交替地分路出來。2MHZ PRF/PRI發生器40的輸出接到與門68。當比較器64從放大器61檢測到等效時間基準脈衝時，觸發器66置位，與門68使能，提供2MHZ時鐘給區間計數器70。區間計數器70在2MHZ速率上正計數直至比較器63檢測從放大器61來的等效時間流體平面反射脈衝超過門限。那時，觸發器66復位，與門68封閉，區間計數器70停止計數。然後，計數器70中的數據可以通過總線79去供給信號處理器(未畫出)以及/或供給流體平面顯示器72。
還有，在每次40HZ斜坡的坡端上，復位信號供給區間計數器使計數復位到0以準備下一次掃描。這個坡端也發出區間掃描開始的信號並且可以用來同步監示示波器或數據傳送電路。
在區間斜坡時基中時基起著等效時間(ET)標尺因子的作用，其上的測量漂移能夠用一個區間斜坡發生器77來消除，發生器77是根據一個PRF時鐘的區間計數器接到數模轉換器(DAC)提供一個數位化的增量斜坡電壓。在這種情況下，在PRF中的變化將起著區間斜坡時間標尺的作用，不過這個變化將會抵消，因為區間計數器70和區間斜坡發生器77是按比率量度的。例如，如果PRF減小，那麼區間斜坡通過它的全部區間會佔有較長的周期，就會引起區間計數器中門脈衝寬度的增加，而被門擋的脈衝數目標精確地維持不變，因為這個較寬的脈衝門控了一個較慢的PRF。
藉這個雙計數器的配置，漂移的唯一無補償源將是形成實時區間延遲電路的RC網絡。低價格的RC元件可以採用，要求每℃的漂移小於百萬分之三十，這對於大多數的測量是足夠的。RC網絡中的漂移僅起傳感器標尺因子的作用，即，導線14的明顯長度。零補償或者發射板18相對於表面高度23或交界層的位置由基準脈衝來確定。
圖5A和5B是傳感器10優選的具體裝置的典型電路圖。ThomasE.McEwan在1993.4.12提出申請的正在審理之中的美國專利No.08/044717名為「超寬帶雷達移動傳感器」描述了噪聲發生器39，這裡整個地參考了這份專利。PRF/PRI發生器40包括兩個串聯的反相器100和101(I1＝74AC04)。反相器100的輸入和反相器101的輸出之間接了一個反饋通路，通路中串聯一個電容103(C＝22pf)。反相器100的輸入端和輸出端之間接了一個電阻104(R＝10KΩ)。
快速脈衝發生器46包括反相器105(I1＝74AC04)，105的輸入與反相器101的輸出相連接。延遲調整電位器107可任選地串接在反相器105的輸入。反相器105的電源接到+5v電源總線上，同時接一個旁路電容109(C＝0.01f)。反相器105的輸出串接一個電阻110(R＝22Ω)和一個電容112(c＝10pf)。電阻115(R＝1kΩ)同時接電容112和電晶體118(BFR92)的基極。電晶體118的集電極經電阻120(R＝1KΩ)接到+5v電源總線上。
電容48接在電晶體118的集電極和節點54之間，節點54接50Ω同軸電纜16的貼近端，接端電阻51，接取樣保持電路50。在本例中，同軸電纜16同樣接到方形發射板18，邊沿尺寸約為2吋(其他的尺寸也可以)。
取樣器52包括一個肖特基二極體(HP HSMS2810)和保持電容59，二極體52的一端接電容59，另一端經電阻125(R＝100Ω)接地。電容57(C＝0.5pf)接在電容59和脈衝發生器44之間。
脈衝發生器44包括一個電晶體126(BFR92)，它的集電極與電容57相連，同時經電阻127(R＝1kΩ)與+5v電源總線相連。電晶體126的發射板接地，基極接一個偏壓電阻130(R＝1kΩ)。脈衝發生器44還包括一個反相器131(I1＝74AC04)，其輸入接區間延遲發生器53，輸出經電阻133(R＝22Ω)和電容134(C＝10pf)串接到電晶體126的基極。
區間延遲發生器53的第一個輸入端139與電阻140(R＝4.7kΩ)的一端相連。電阻140的另一端經電阻142(R＝10kΩ)接到+5v電源總線，經電阻144(R＝4.7kΩ)接到斜坡發生器77，還接可變旁路電容146(C＝2～6pf)，還接第一反相器150(I1＝74AC04)的輸入端。這個簡單的RC延遲電路(144，146)，提供一個指數延遲函數，這與加到那裡的控制區間延遲電壓有關。第一個反相器150的輸出接到第二個反相器151(I1＝74AC04)的輸入，反相器151接著經電位器149接反相器131。電阻149的輸出接旁路電容155(C＝4.7pf)。
斜坡發生器77包括一個電容153(C＝0.1μf)，其一端接在40HZ掃描振蕩器78的輸出，電容153的另一端經電阻152(R＝1kΩ)接在電晶體154(2Nz222)的基極。電晶體154的基極接一個偏壓電阻156(R＝10kΩ)。電晶體154的發射極接地。斜坡時基電容157(C＝1μf)接在電晶體154集電極和地之間。
40HZ掃描振蕩器78包括兩個串接的與非門160，161，(I2＝74HC00)，與非門161的輸出接斜坡發生器77的電容153。與非門160的輸入經電容165(C＝001f)與與非門161的輸出相連接。與非門161的輸入也經過電阻162(R＝2.2MΩ)與其自己的輸出相接。與非門161的輸出經電阻166(R＝10kΩ)接到「SYNC」(「同步」)端。「SYNC」端提供同步脈衝示波器(未畫出)作測試用。
現在看圖5B，放大器61的輸入接肖特基二極體52的陰極並經電阻170(R＝10kΩ)接保持電容59。放大器61包括一個電容172(C＝0.1μf)，電容172的一端接偏壓電阻174(R＝1MΩ)，另一端接反相器175(I3＝MC14069)的輸入。反相器175與電容177(C＝100pr)和電阻179(R＝2.2MΩ)並聯形成的反饋RC電路相連接。反相器175的輸出經電容181(C＝2μf)和電阻183(R＝100KΩ)接到反相器180(I3＝MC14069)的輸入。反相器180與電容185(C＝470pf)和電阻188(R＝470kΩ)並聯形成的反饋RC電路相連接。
正門限比較器63包括一個輸入電阻190(R＝330kΩ)，其一端接反相器180的輸出，另一端接偏壓電阻192(R＝1MΩ)和反相器193(I3＝MC14069)的輸入。I3的電源腳經電阻195(R＝1kΩ)接+5v電源總線，同時接旁路電容196(C＝100μf)。
負門限比較器64包括一個輸入電阻200(R＝330kΩ)，其一端接反相器180的輸出。電阻200的另一端經偏壓電阻202(R＝680kΩ)接+5v電源總線並與反相器203(I3＝MC14069)的輸入相接。
自復位觸發器66包括兩個與非門210，212(I2＝74HC00)，其中I2的電源腳接+5v電源總線並接旁路電容215(C＝0.01μf)。與非門210的一個輸入經二極體219與反相器193的輸出相接，還經電阻217(R＝1.5MΩ)與+5v電源總線相接。二極體219的陽極接到時基電容220(C＝0.003μf)。反相器203的輸出經反相器204(I3＝MC14069)接到與非門212的輸入。
圖6表示了在發射板18產生的ET基準脈衝和空氣/流體反射脈衝P(1)和P(8)的示波器軌跡，分別是導線14浸入平面1吋和8吋的情況。空氣/流體反射脈衝寬度約為200ps。給區間計數器70的門脈衝在基準的記號TM1開始，在空氣/流體反射脈衝的記號TM2結束，因而測量導線14在流體平面23以上的長度。
在回顧發明的描述掃描之後，本技術領域內的熟練人員會明白，不脫離本發明的範圍能夠作出各種修正。例如，上面用分立元件描述的電路圖可以根據已知的集成電路技術將電路集成或小型化。發射板18可以假定是各種板狀和非板狀的，幾何尺寸也可以是各種各樣的，如，不規則容器中使用的外形也是可以採用的。
傳輸線或導線14可以假定是各種設計。例如，它可以是單線、雙線、絕緣介質隔離的雙線、空管、帶絕緣芯的導電管或者是帶開槽壁的導電管(用於電磁波對管外流體取樣)、絕緣管或其他各種各樣的東西。也可以用現行容器那樣的金屬結構來作導線14。
圖7是裝有流體277的絕緣或金屬容器275的透視剖面圖。圖中，導線是微波條狀線，伸入容器275的表面280裡面，且軸向伸到預定的深度。在這個具體的裝置中，發射板不是嚴格必需的，不過微波條件狀線的頂端上的電阻20是需要的，以便引導一個阻抗的不連續點和基準脈衝。微波條狀線可以用保護介質包起來，這對反射脈衝幅值的影響極小。
圖3也表示了傳感器10的線性位移方式，其中電磁導線14通常設計安放在任意空間中，金屬或絕緣物體28與導線接觸或者放在與導線14十分接近的地方移動，建立可測量的反射，正如上面關於傳感器10的運作的描述那樣。導線14可以是微波條狀線，也可以是其他型式的傳輸線。
圖8是建築工具的側視圖，如，利用本發明傳感器10的鑽頭300，精確地測定鑽位302穿透表平面303的深度。發射板18從鑽體305得到，於是，鑽位尖端307和發射板18之間的距離(L)就被確定了。例如，在某些應用中，距離(L)與整個鑽位302的長度是相同的。當鑽頭開鑽時，傳感器10測定發射板與表平面303之間的距離(S)，從而提供一個精確的穿透深度的讀數(P)，P＝L-S。
本發明的材料平面高度傳感器的具體裝置已經圖示和描述過了，裝置、參數、材料、製造方法、使用和運行的修正和改變對那些技術熟練的人來說變得非常顯而易見，而且不必脫離本發明的範圍。
權利要求
1.一種測定材料表面和交界面高度的傳感器，包括如下組合一個產生電發射脈衝的收發信機；一條至少部份地浸入材料的導線；一個與所述收發信機和所述導線電耦合的導體；一塊在所述導線的所述耦合上與所述導體相連接的發射板；所述的發射脈衝在整個所述導體內傳導到所述的發射板，所述的發射板起著發射天線的地平面的作用，且在接近的區域內幫助發射所述的電脈衝，引導電磁(EM)波，產生基準脈衝回傳給收發信機；所述的反射EM波沿著所述導線向所述的發射板回傳，所述的發射板起著接收天線的地平面的作用，從而所述的反射EM波作為反射脈衝向所述的收發信機傳送；所述的收發信機測定所述基準脈衝和反射脈衝之間的時間延遲，因而確定相對於所述發射板的表面或交界面的平面高度。
2.按照權利要求1的傳感器，其中所述的導體是一條同軸電纜，它有一個內導體和一個外屏蔽，所述的發射板與所述的外屏蔽相連以防止產生電纜上的鏡象電壓，所述的內導體與導線相連。
3.按照權利要求2的傳感器，進一步包括一個阻抗，連接在所述的發射板和所述的導線之間，提供一個局部的阻抗不連續點，引起所述EM波的部分反射以產生所述的基準脈衝，這樣，在所述基準脈衝和所述反射脈衝之間所作的測量減小了由所述同軸電纜引入的誤差和漂移。
4.按照權利要求1的傳感器，其中所述的收發信機測量所述基準脈衝和反射脈衝環線運行時間並產生一個等效時間(ET)門去給計數器；並且，其中所述ET門的時間隨著所述發射板和材料表面或交界面之間距離的增加而增加。
5.按照權利要求1的傳感器，其中所述的收發信機包括一個脈衝重複頻率/脈衝重複時間間隔(PRF/PRI)發生器和調製所述PRF/PRI發生器的噪聲發生器，這是為了產生一個有10KHZ-10MHZ平均值以及在關於所述平均值有1-10％隨機變化(抖動)的PRF；其中，抖動電路把所述發射板的發射頻譜展開以便減小RF頻譜用戶的潛在幹擾，也使出現在所述導線上的外來幹擾信號的取樣隨機化。
6.按照權利要求1的傳感器，其中所述的收發信機包括對所述反射脈衝的取樣和平均的設備，這樣，隨機化的取樣平均是0，基本上消除了從其他源本來的幹擾。
7.按照權利要求1的傳感器，其中所述的收發信機包括一個脈衝重複頻率/脈衝重複時間間隔(PRF/PRI)發生器，同時接到發射通路和門控通路。
8.按照權利要求7的傳感器，其中所述的收發信機進一步包括一個脈衝發生器與所述的PRF/PRI發生器相連，提供一個上升時間小於10ns的階躍脈衝；一個對所述階躍脈衝作邊沿微分的微分器，使之成為一個脈寬小於10ns的脈衝；其中所述的脈衝加到所述的同軸電纜，進而加到所述的發射板。
9.按照權利要求1的傳感器，其中所述的導線是一種微波條狀傳輸線。
10.一種傳感材料表面或交界面高度的方法包括如下步驟導體與導線電耦合；所述導體和導線之間連接發射板；所述導線至少部分地浸入材料之中；將電發射脈衝輸入到所述導體中，所述發射脈衝在整個所述導體內傳送到所述發射板，所述發射板起著發射天線地平面的作用並幫助所述的電脈衝在接近的區域內向所述導線發射，引導電磁(EM)波，還產生基準脈衝給導體；等待一個周期的時間(TSAMP)；所述EM波沿所述的導線傳播，並至少部分地被表面或交界面反射；所述的反射EM波沿所述的導線向所述的發射板回傳，所述的發射板起著接收天線地平面的作用，從中所述反射EM波作為反射脈衝向所述的導體發射；打開門，允許所述的反射脈衝被取樣；以大約10KHZ-10MHZ的速率重複所述的等待和打開步驟，允許在TSAMP增加之前，大約10-10000個反射脈衝被平均；測定所述基準脈衝和反射脈衝之間的時間延遲，確定相對於所述發射板的表面或交界面的平面高度。
11.權利要求10的方法，其中所述發射脈衝的上升時間小於約10ns。
12.一種測定材料表面或交界面的平面高度的傳感器，包括一個產生電發射脈衝的脈衝發生器；一條至少部份浸入材料的導線；一個與所述脈衝發生器和所述導線電耦合的導體，將所述發射脈衝在接近的範圍內傳送到所述的導線，引導電磁(EM)波，於是，所述的EM波至少部分地被表面或交界面反射並轉換成相應的電反射脈衝；一個對所述反射脈衝取樣的取樣器，它包括一個單二極體；測定所述發射脈衝與反射脈衝之間的時間延遲的設備，以確定表面或交界面的平面高度。
13.一種測定材料表面或交界面平面高度的傳感器，包括一個脈衝發生器，產生電發射脈衝；一條至少部分地浸入材料的導線；一個與所述脈衝發生器和所述導線或耦合的導體，將所述發射脈衝在接近的範圍內引導到所述的導線，引導電磁(EM)波，於是，所述的EM波至少部分地被表面或交界面反射並轉換成相應的電反射脈衝。一個為接收所述反射脈衝的取樣保持電路；一個指數區間延遲電路，控制發射到取樣保持電路的門脈衝的時基；測定所述發射脈衝和反射脈衝之間的時間延遲的設備，以確定表面或交界面的平面高度。
14.按照權利要求13的傳感器，其中所述的指數區間延遲電路包括一個RC延遲電路，提供指數延遲函數。
15.按照權利要求14的傳感器，其中所述的指數區間延遲電路進一步包括一個等效時間指數斜坡，用作對所述RC延遲電路的掃描輸入，以便提供一個線性掃描延遲函數。
16.按照權利要求13的傳感器，其中所述的取樣保持電路包括一個保持電容和一個由單一二極體組成的取樣器。
17.按照權利要求16的傳感器，其中每個門脈衝在延遲區間線性掃描，產生一個出現在所述保持電容兩端的取樣電壓-所述反射脈衝的等效時間複製。
18.一個測定材料表面或交界面的平面高度的傳感器，包括一個脈衝重複時間間隔發生器；一個發射脈衝發生器連到脈衝重複時間間隔發生器；一個微分電容連到發射脈衝發生器；一個端電阻從微分電容連到地；一個導體，其第一端連到微分電容和端電阻；一條傳輸線連到導體的第二端且可浸入材料；一個高輸入阻抗的取樣器，其第一個輸入連到導體的第一端；一個保持電容連到取樣器的輸出；一個斜坡延遲發生器，其第一個輸入連到脈衝重複時間間隔發生器；一個延遲脈衝發生器連到斜坡延遲發生器；一個延遲脈衝微分電容連到延遲脈衝發生器並連到取樣器的第二個輸入。
19.權利要求18的傳感器，進一步包括等效時間斜坡發生器連到斜坡延遲發生器的第二個輸入。
20.權利要求19的傳感器，其中斜坡發生器有一個指數電壓的輸出。
21.權利要求20的傳感器，其中斜坡延遲發生器產生一個指數延遲作為輸入函數。
22.權利要求21的傳感器，其中斜坡發生器有一個指數時間常數，它小於斜坡延遲發生器的時間常數。
23.權利要求22的傳感器，其中斜坡發生器有毫秒量級的時間常數，斜坡延遲發生器有納秒量級的時間常數。
24.如權利要求18的傳感器，進一步包括一個連接保持電容的放大器；第一和第二比較器與放大器相連，第一比較器有一個參考輸入-VTH，第二比較器有一個參考輸入+VTH；一個置位/復位觸發器，它的置位輸入與第一比較器相連它的第二輸入與第二比較器相連。
25.如權利要求24的傳感器，進一步包括一個門，第一輸入與置位/復位觸發器相連，第二輸入與脈衝重複時間間隔發生器相連，其中觸發器對門使能或關閉；一個區間計數器與門相連。
26.如權利要求25的傳感器，進一步包括一個掃描振蕩器連到斜坡發生器和斜坡計數器。
27.如權利要求26的傳感器，其中掃描振蕩器在脈衝重複時間間隔發生器的分諧波上工作。
28.如權利要求18的傳感器，進一步包括一個噪聲發生器連到脈衝重複時間間隔發生器，以便使脈衝重複時間間隔發生器產生抖動。
29.如權利要求18的傳感器，其中發射脈衝發生器和延遲脈衝發生器都包含一個邏輯門以及由所述邏輯門驅動的雙極電晶體。
30.如權利要求21的傳感器，其中斜坡延遲發生器包括一個串聯電阻和可調整的電容，電容旁路到地，並且斜坡發生器包括一個電阻和電容的串聯。
31.如權利要求18的傳感器，包括一個發射板連到導體的第二端。
32.如權利要18傳感器，其中取樣器是一隻二極體。
33.如權利要求24的傳感器，其中放大器是阻抗變換放大器。
全文摘要
一個測定材料表面或交界面平面高度的傳感器包括一個收發信機(12)和一根同軸電纜(16)的內導體(21),同軸電纜(16)使收發信機(12)與部分浸入材料的導線(14)電耦合。一塊發射板(18)連接到電纜(16)的外屏蔽(19),發射板(18)到導線(14)連接一個阻抗(20)。發射板(18)產生一個基準脈衝回饋給收發信機(12)。從發射板(18)發射的電磁波沿導線(14)傳播。電磁波被表面或交界面反射並被發射板(18)接收且作為反射脈衝發射給收發信機(12)。收發信機(12)測定基準脈衝和反射脈衝之間的時延以便確立相對於發射板(18)的表面或交界面的平面高度。
文檔編號G01S7/282GK1173222SQ95197391
公開日1998年2月11日 申請日期1995年12月5日 優先權日1994年12月19日
發明者託馬斯·E·麥克瓦恩 申請人:加利福尼亞大學