Способ и устройство для контроля электродинамических характеристик в СВЧ диапазоне Российский патент 2024 года по МПК G01R17/02 

Заявляемая группа изобретений относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным приборам, и может быть использовано в сельском хозяйстве для определения спелости фруктов и овощей.

Известна система неразрушающего контроля зрелости плодов на основе инфракрасного звукового спектра, содержащая узел излучения лазера, узел фотоакустического обнаружения и узел обработки сигнала, узел излучения лазера содержит устройство модуляции лазерного сигнала, лазерный контроллер и инфракрасный лазер, соединённые последовательно, узел фотоакустического обнаружения содержит оптический разветвитель, расположенный на оптическом пути лазерного излучения инфракрасного лазера, опорный фотоакустический элемент, соответственно расположенный на концах двух оптических путей, разделенных оптическим разветвителем, и фотоакустическую ячейку для образца, при этом эталонная фотоакустическая ячейка и фотоакустическая ячейка для образца снабжены фотоакустическим детектором, при этом одна сторона эталонной фотоакустической ячейки снабжена устройством размещения образца, сообщающимся с эталонной фотоакустической ячейкой, узел обработки сигнала содержит микроконтроллер, предварительный усилитель, соответствующий фотоакустическому детектору, и усилитель блокировки, соответственно подключенный к предварительному усилителю, усилитель захвата подключен к микроконтроллеру; причем фотоакустический детектор представляет собой микрофон или кварцевый камертон, оптический разветвитель представляет собой y-образное разветвленное оптическое волокно или планарный светоделитель, предварительный усилитель представляет собой малошумящий усилитель тока, а микроконтроллер дополнительно снабжен жидкокристаллическим дисплеем (публикация CN106290220, МПК G01N 21/3504, G01N 21/39, 2016 г., 2017 г., https://patentscope.wipo.int/search/ru/detail.jsf?docId=CN191917078&_cid=P10-LOO376-47655-1). Недостатком известной системы является ее ограниченное применение без возможности использования для целого ряда плодов из-за работы основного сенсора по принципу спектрального газоанализатора, поскольку, во-первых, кожура некоторых плодов является достаточно толстой и плотной (например, плоды семейства тыквенных), а во-вторых, не все виды плодов выделяют этилен, необходимый для проведения анализа

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое изобретение, является ультрапортативный беспроводной спектрометр для смартфона для быстрого неразрушающего контроля спелости фруктов, включающий источник света, спектрометр с разрешением 15 нм, фильтры, микроконтроллер и беспроводные схемы, собранные в корпусе размерами 88×37×22 мм, при этом устройство имеет специальный интерфейс приложения на смартфоне для связи, получения, построения и анализа спектральных данных, для определения спелости фруктов осуществляется измерение ультрафиолетовой флуоресценции хлорофилла, присутствующего в кожуре яблок (URL: https://www.nature.com/articles/srep32504, дата обращения: 07.11.2023 г.). Основным недостатком данной системы является ее ограниченное применение для определения спелости плодов, в кожуре которых содержится хлорофилл, что не позволяет использовать ее для анализа более сложных по строению фруктов и овощей, состоящих из нескольких разнородных частей: толстая кожура, мягкая внутренность, толстая косточка.

Задачей заявляемой группы изобретений является устранение данных недостатков, а технический результат заключается в расширении арсенала технических средств для определения спелости продуктов сельского хозяйства.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что способ для контроля электродинамических характеристик в СВЧ диапазоне представляет собой проведение серии измерений для оценки спелости тестируемого продукта сельского хозяйства, при этом каждое измерение включает подачу напряжения управляющей микросхемой от разъёма смартфона на СВЧ-генератор с генерацией сигнала определенной частоты, излучение присоединённой к СВЧ-генератору антенной электромагнитных волн указанной частоты, измерение напряжения U₀, подаваемого СВЧ-генератором на антенну, внесение продукта сельского хозяйства в поле излучения, измерение напряжения U_r на контактах антенны при поднесении продукта сельского хозяйства, передачу измеренных значений напряжений на смартфон и расчет коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) по формуле: КСВН = (U_r + U₀)/(U_r - U₀), после расчета КСВН для указанной частоты увеличивают значение напряжения, подаваемого управляющей микросхемой от разъема смартфона на СВЧ-генератор, и проводят новые измерения до тех пор, пока не будет достигнуто конечное значение диапазона работы СВЧ-генератора, полученные в ходе серии измерений количественные значения КСВН для разных частот сравнивают с заранее рассчитанным эталоном для данного тестируемого продукта сельского хозяйства, на основании чего делают вывод о спелости тестируемого продукта сельского хозяйства.

Генерируемый сигнал должен находиться в диапазоне частот от 300 МГц до 6 ГГц, поскольку устройства, оперирующие в данном диапазоне, одновременно сочетают в себе компактность (размер порядка смартфона; с уменьшение частоты сигнала пространство, занимаемое приёмо-передающим модулем, значительно увеличивается) и способность генерировать радиоволны с достаточной глубиной проникновения в среду (при повышении частоты глубина проникновения уменьшается вследствие тепловых потерь в анализируемом диэлектрике) для эффективного получения данных о состоянии ткани фрукта на глубине.

Устройство для контроля спелости продуктов сельского хозяйства включает смартфон со специализированным программным обеспечением и чехол для смартфона, подключенный к смартфону через USB OTG-кабель, при этом чехол для смартфона содержит встроенный приёмопередающий модуль и управляющую микросхему для подачи напряжения, приемопередающий модуль представляет собой не менее одного СВЧ-генератора, управляемого напряжением, и присоединенную к каждому СВЧ-генератору антенну для излучения электромагнитных волн.

Заявляемая группа изобретений позволяет осуществлять измерения с помощью радиоволн, способных проникать на разную глубину внутрь исследуемых объектов на значительно большее расстояние, что позволяет исследовать не их внешний вид, который легко оценить визуально без специального оборудования, а именно внутреннюю структуру. Таким образом, подобрав набор частот можно качественно просканировать весь объект от поверхности к центру. Из-за широкого диапазона частот генерируемого сигнала необходимо использование не менее одного СВЧ-генератора, каждый из которых обладает своим рабочим диапазоном, где он может генерировать электромагнитные волны, проникающие в тестируемый продукт сельского хозяйства для получения данных о свойствах указанного продукта на различной глубине.

Устройство для контроля спелости продуктов сельского хозяйства проиллюстрировано фиг. 1, где представлена общая структурная схема устройства, и фиг. 2, где представлено несколько видов устройства, с использованием следующих обозначений:

1 – смартфон;

2 – чехол;

3 – СВЧ-генератор;

4 – антенна;

5 – управляющая микросхема;

6 – линия передачи;

7 – USB OTG-кабель.

Устройство для контроля спелости продуктов сельского хозяйства состоит из:

а) чехла 2, подключаемого через USB OTG-кабель 7 к смартфону 1 со специальным программным обеспечением для осуществления расчетов;

б) не менее одного (N) СВЧ-генератора 3, управляемых напряжением (ГУН), перекрывающих частотный диапазон [f_1,start : f_1,finish, f_2,start : f_2,finish, …, f_N,start : f_N,finish];

в) не менее одной (N), соответствующих количеству СВЧ-генераторов 3, приёмопередающих антенн 4, работающих в соответствующих частотных диапазонах [f_1,start : f_1,finish, f_2,start : f_2,finish, …, f_N,start : f_N,finish];

г) управляющей микросхемы 5, соединённой с СВЧ-генераторами 3 при помощи линий передачи 6.

Способ для контроля спелости продуктов сельского хозяйства с использованием указанного устройства реализуется следующим образом. В начальный момент времени t₀ управляющая микросхема 5 подаёт по линии передачи 6 напряжение U₀ из разъема смартфона 1 на первый СВЧ-генератор 3, при этом происходит генерация сигнала на частоте f_1,start и первая антенна 4, присоединённая к первому СВЧ-генератору 3, начинает излучать электромагнитные волны указанной частоты. В поле излучения вносят тестируемый продукт сельского хозяйства, который представляет собой диэлектрик. В этом случае первая антенна 4 начинает работать в качестве сенсора, поскольку распределение токов в ближнем поле изменяется из-за появления токов индуктивности в диэлектрике, что провоцирует изменение напряжения на контактах первой антенны 4. Новое значение напряжения на контактах первой антенны 4 U_r измеряется и передается по линиям передачи 6 через управляющую микросхему 5 на смартфон 1 для пост-обработки с расчетом с помощью специального программного обеспечения, установленного на смартфоне 1, коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) по формуле: КСВН = (U_r + U₀)/(U_r - U₀).

В следующий момент времени t₁ управляющая микросхема 5 повышает напряжение, подаваемое по линии передачи 6 на первый СВЧ-генератор 3, таким образом увеличивая частоту до f_1,start + df, и все описанные этапы способа повторяются до тех пор, пока не будет достигнуто конечное значение диапазона работы СВЧ-генератора 3.

В момент времени t2 управляющая микросхема 5 прекращает энергетическую подпитку первого СВЧ-генератора 3 и подаёт по линии передачи 6 напряжение на второй СВЧ-генератор 3, при этом происходит генерация сигнала на частоте f_2,start, и все описанные этапы повторяются для второго СВЧ-генератора 3 и второй антенны 4, пока не будут сняты показания при работе N-ного СВЧ-генератора 3. Например, устройство для контроля спелости продуктов сельского хозяйства может содержать пять СВЧ-генераторов 3 со следующими диапазонами работы: 500-600 МГц, 790-910 МГц, 800-1000 МГц, 1000-1200 МГц и 2300-2600 МГц, для каждого из которых проводят серию измерений.

Таким образом формируется зависимость КСВН = КСВН[f_1,start : f_1,finish, f_2,start : f_2,finish, …, f_N,start : f_N,finish] для тестируемого продукта сельского хозяйства, которая сравнивается с заранее снятыми и хранимыми в базе данных смартфона 1 референсными зависимостями КСВН для спелого продукта сельского хозяйства. На основании сравнения эталонных и расчетных значений с помощью специального программного обеспечения, установленного на смартфоне 1, формулируется вывод о спелости тестируемого продукта сельского хозяйства. Указанный вывод отображается на экране смартфона 1 в виде следующих значений: «неспелый», «спелый» и «испорчен».

Значение «неспелый» будет отображаться до тех пор, пока получаемая при проведении серии измерений зависимость КСВН не достигнет эталонных значений для спелого продукта сельского хозяйства. При достижении эталонных значений вывод о спелости тестируемого продукта сельского хозяйства будет иметь отображение «спелый». Когда получаемая при проведении серии измерений зависимость КСВН выйдет за пределы эталонных значений для спелого продукта сельского хозяйства, на экране смартфона 1 будет отображаться значение «испорчен».

Пример 1

Чехол для телефона, снабжённый аппаратурой в соответствии с указанным способом, иллюстрируемый на фиг. 3. В качестве управляющей микросхемы используется Espressif ESP32S3 (5а). В качестве ГУН используются FVCO840 (3а), рабочий диапазон частот которого лежит в пределах 780-900 МГц; FVCO1200 (3б), рабочий диапазон которого лежит в пределах 1100-1300 МГц; FVCO1600 (3в), рабочий диапазон которого лежит в пределах 1500-1700 МГц; FVCO2100 (3г), рабочий диапазон которого лежит в пределах 2000-2200 МГц. В качестве антенны используется всенаправленная 4G SMA 5dBi антенна (4а) для диапазона 700-2700 МГц, покрывающая частотные диапазоны всех генераторов. В качестве элемента, входящего в линии передачи и отвечающего за развязку генераторы, используется микрополосковый вентиль (6а-г), согласованная нагрузка (6д-ж), направленный ответвитель (6з-к). Напряжение U_r c направленного ответвителя измеряется при помощи управляющей платы ESP32S3 (вход осциллографа) и отправляется на смартфон для дальнейшего анализа при помощи протокола связи UART по кабелю 7а. Напряжение U₀ считается известным. Обработка полученных данных производится в соответствии с описанным способом.

Заявляемая группа изобретений относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным приборам, и может быть использовано в сельском хозяйстве для определения спелости фруктов и овощей. Способ для контроля электродинамических характеристик в СВЧ диапазоне представляет собой проведение серии измерений для оценки спелости тестируемого продукта сельского хозяйства, при этом каждое измерение включает подачу напряжения управляющей микросхемой от разъёма смартфона на СВЧ-генератор с генерацией сигнала определенной частоты, излучение присоединённой к СВЧ-генератору антенной электромагнитных волн указанной частоты, измерение напряжения U₀, подаваемого СВЧ-генератором на антенну, внесение продукта сельского хозяйства в поле излучения, измерение напряжения U_r на контактах антенны при поднесении продукта сельского хозяйства, передачу измеренных значений напряжений на смартфон и расчет коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) по формуле: КСВН = (U_r + U₀)/(U_r - U₀), после расчета КСВН для указанной частоты увеличивают значение напряжения, подаваемого управляющей микросхемой от разъема смартфона на СВЧ-генератор, и проводят новые измерения до тех пор, пока не будет достигнуто конечное значение диапазона работы СВЧ-генератора, полученные в ходе серии измерений количественные значения КСВН для разных частот сравнивают с заранее рассчитанным эталоном для данного тестируемого продукта сельского хозяйства, на основании чего делают вывод о спелости тестируемого продукта сельского хозяйства. Устройство для контроля электродинамических характеристик в СВЧ диапазоне включает смартфон со специальным программным обеспечением для осуществления расчетов и чехол для смартфона, подключенный к смартфону через USB OTG-кабель, при этом чехол для смартфона содержит встроенный приёмопередающий модуль и управляющую микросхему для подачи напряжения, приемопередающий модуль представляет собой не менее одного СВЧ-генератора, управляемого напряжением, и присоединенную к каждому СВЧ-генератору антенну для излучения электромагнитных волн. Техническим результатом при реализации заявленной группы изобретений является расширение арсенала технических средств для определения спелости продуктов сельского хозяйства и повышении точности определения спелости продуктов сельского хозяйства. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ для контроля электродинамических характеристик в СВЧ диапазоне, представляющий собой проведение серии измерений для оценки спелости тестируемого продукта сельского хозяйства, отличающийся тем, что каждое измерение включает подачу напряжения управляющей микросхемой от разъема смартфона на СВЧ-генератор с генерацией сигнала определенной частоты, излучение присоединённой к СВЧ-генератору антенной электромагнитных волн указанной частоты, измерение напряжения U₀, подаваемого СВЧ-генератором на антенну, внесение продукта сельского хозяйства в поле излучения, измерение напряжения U_r на контактах антенны при поднесении продукта сельского хозяйства, передачу измеренных значений напряжений на смартфон и расчет коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) по формуле: КСВН = (Ur + U0)/(Ur - U0), после расчета КСВН для указанной частоты увеличивают значение напряжения, подаваемого управляющей микросхемой от разъема смартфона на СВЧ-генератор, и проводят новые измерения до тех пор, пока не будет достигнуто конечное значение диапазона работы СВЧ-генератора, полученные в ходе серии измерений количественные значения КСВН для разных частот сравнивают с заранее рассчитанным эталоном для данного тестируемого продукта сельского хозяйства, на основании чего делают вывод о спелости тестируемого продукта сельского хозяйства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнал генерируют в диапазоне частот от 300 МГц до 6 ГГц, при этом достигается оптимальное соотношение компактности системы и глубины проникновения генерируемых радиоволн.

3. Система для реализации способа контроля электродинамических характеристик в СВЧ диапазоне по п. 1, включающая смартфон со специальным программным обеспечением для осуществления расчетов и чехол для смартфона, подключенный к смартфону через USB OTG-кабель, отличающееся тем, что чехол для смартфона содержит встроенный приёмопередающий модуль и управляющую микросхему для подачи напряжения, приемопередающий модуль представляет собой не менее одного СВЧ-генератора, управляемого напряжением, рабочий диапазон которого составляет от 300 МГц до 6 ГГц, и присоединенную к каждому СВЧ-генератору антенну для излучения электромагнитных волн.