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一种可视互动的 微波测量线实验系统

阅读：128发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种可视互动的微波测量线实验系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种可视互动的微波测量线实验系统，由教学实验平台子系统、微波收发子系统、操作控制子系统组成，微波收发子系统和操作控制子系统，教学实验平台子系统通过支架设置于主机外壳之上；所述教学实验平台子系统包括：传输线、测量架、滑动台。所述传输线与测量架平行，测量架上设有轨道和测量尺条，滑动台安装在轨道上，可沿着轨道滑动；传输线的两头都可接入信号输入线，传输线上开有水平的细缝。滑动台上设有探针，探针垂直伸入细缝中。本发明的优点是：学习参与度高、互动性强，有效缓解电磁波教学中理论难于消化和理解，理论难以联系的困难，有效激发学习的自主性和自觉性，利于知识学习与创新能力培养。，下面是一种可视互动的微波测量线实验系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种可视互动的微波测量线实验系统，其特征在于：由教学实验平台子系统、微波收发子系统、操作控制子系统和主机外壳组成，微波收发子系统和操作控制子系统设置在主机外壳内，教学实验平台子系统通过支架设置于主机外壳之上；
所述教学实验平台子系统包括：传输线、测量架、滑动台；
所述传输线与测量架平行，测量架上设有轨道和测量尺条，滑动台安装在轨道上，可沿着轨道滑动；传输线的两头都可接入信号输入线，传输线上开有水平的细缝；滑动台上设有探针，探针垂直伸入细缝中；
所述微波收发子系统包括：射频信号产生器、功率放大器、可视化电磁波接收器和检波器；
所述射频信号产生器由晶振、频率范围在1Mhz以上可至8Ghz的压控振荡器、变频器、信号放大器组成，产生用于教学实验所用频率可调的电磁波信号；
所述功率放大器由2W至10W的放大模块及控制处理电路构成，对信号产生器输出的弱小电磁波信号在300Mhz至3Ghz频段范围内进行全频段功率放大或选频放大，使电磁波信号达到足够强度后，通过信号输入线输送给传输线；放大器的输出功率可在0W至4W之间进行控制和调节；
所述可视化电磁波接收器通过信号接收线连接探针，用于接收探针发送的信号；
所述检波器与电磁波接收器连接，对来自于探针的电磁波信号进行检波，并将检波信号后的信号送至操作控制子系统中处理；
所述操作控制子系统由上位机、下位机、测量线实验软件组成，操作控制子系统用于操作控制测量线实验的可视化互动实验过程，设置测量线实验参数，检测与控制电磁波信号的收发状态，自动实时分析测距和测角采集信息，完成电磁波特性图示化图形化处理，达到可视化电磁波的实验教学目的；
所述上位机用于接受并存贮来自测距传感器传送的数据，并根据实验教学的内容设计，执行电磁波实验可视互动控制应用软件、向下位机下达操作指令、控制显示单元显示实验结果；
所述下位机用于接受和执行来自上位机的操作指令、控制信号产生器输出信号频率及信号强度、采集和处理来自检波器的电信号、并上传处理后的数据和信息至上位机。
2.根据权利要求1所述的一种可视互动的微波测量线实验系统，其特征在于：所述测量线实验软件包括：实验设置模块、图像显示模块、数据显示模块、测量线实验培训素材库等；
实验设置模块用于设置做测量线实验所需要的初始状态参数，包括：发射频率和负载状态；
图像显示模块用于描绘实验图像，横坐标表示测距传感器返回的位置，纵坐标表示采集此点时得到的信号强度；
数据显示模块的每一栏对应图像显示模块里面的每一个点，每一栏两个值，一个是采集此点时探针所在的位置，另一个值是采集此点时得到的信号强度；
测量线实验培训素材库用于解释图像显示的原因，传授微波测量线的知识点，开拓学生思路进行创新实验；引入知识点，包括：行波，驻波，驻行波，电压驻波比，反射系数，阻抗，波腹和波节，波长，以及它们的联系和相互关系；包含以上每个知识点的概念，对应的公式关系。

说明书全文

一种可视互动的微波测量线实验系统

技术领域

[0001] 本发明涉及教学实验仪器技术领域，特别涉及一种可视互动的微波测量线实验系统。

背景技术

[0002] “电磁场与电磁波”是高等学校电子信息类和电器信息类专业本科必修的一门技术基础课。当前传统的演示性、验证性实验教学方式，强调教学过程的统一性和教师的主导性，忽视学生的主体性和学生的个性，使实验教学过程压抑学生的自主性和创造性，不利于培养学生的创新精神和创造性实践能量的培养。目前高校传统的演示系、验证性不能满足教学改革，对于高校“电磁场与波”课程，集验证性、设计性、综合性的实验教学资源十分匮乏。

[0003] 传输线是输送电磁能的线状结构的设备。它是电信系统的重要组成部分，用来把载有信息的电磁波沿着传输线规定的路由自一点输送到另一点。高校涉及微波射频方面的学院都有对应教授传输线的实验课程。现有实验课程是通过一个发射装置，一个测量线，一个接收装置，然后做实验在测量线的不同情况下，通过接收装置的读数，来学习实验知识。对于学生认识知识的帮助比较繁琐和不直观。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种可视互动的微波测量线实验系统，解决了现有技术中存在的缺陷。

[0005] 为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

[0006] 一种可视互动的微波测量线实验系统，由教学实验平台子系统、微波收发子系统、操作控制子系统和主机外壳组成，微波收发子系统和操作控制子系统设置在主机外壳内，教学实验平台子系统通过支架设置于主机外壳之上；

[0007] 所述教学实验平台子系统包括：传输线、测量架、滑动台。

[0008] 所述传输线与测量架平行，测量架上设有轨道和测量尺条，滑动台安装在轨道上，可沿着轨道滑动；传输线的两头都可接入信号输入线，传输线上开有水平的细缝。滑动台上设有探针，探针垂直伸入细缝中。

[0009] 所述微波收发子系统包括：射频信号产生器、功率放大器、可视化电磁波接收器和检波器；

[0010] 所述射频信号产生器由晶振、频率范围在1Mhz以上可至8Ghz的压控振荡器、变频器、信号放大器组成，产生用于教学实验所用频率可调的电磁波信号；

[0011] 所述功率放大器由2W至10W的放大模块及控制处理电路构成，对信号产生器输出的弱小电磁波信号在300Mhz至3Ghz频段范围内进行全频段功率放大或选频放大，使电磁波信号达到足够强度后，通过信号输入线输送给传输线；放大器的输出功率可在0W至4W之间进行控制和调节；

[0012] 所述可视化电磁波接收器通过信号接收线连接探针，用于接收探针发送的信号；

[0013] 所述检波器与电磁波接收器连接，对来自于探针的电磁波信号进行检波，并将检波信号后的信号送至操作控制子系统中处理；

[0014] 所述操作控制子系统由上位机、单片机、测量线实验软件组成，主要用于操作控制测量线实验的可视化互动实验过程，设置测量线实验参数，检测与控制电磁波信号的收发状态，自动实时分析测距和测角采集信息，完成电磁波特性图示化图形化处理，达到可视化电磁波的实验教学目的。

[0015] 所述上位机用于接受并存贮来自测距传感器传送的数据，并根据实验教学的内容设计，执行电磁波实验可视互动控制应用软件、向下位机下达操作指令、控制显示单元显示实验结果；

[0016] 所述下位机用于接受和执行来自上位机的操作指令、控制信号产生器输出信号频率及信号强度、采集和处理来自检波器的电信号、并上传处理后的数据和信息至上位机；

[0017] 所述测量线实验软件包括：实验设置模块、图像显示模块、数据显示模块、测量线实验培训素材库等。

[0018] 实验设置模块用于设置做测量线实验所需要的初始状态参数，包括：发射频率和负载状态。

[0019] 图像显示模块用于描绘实验图像，横坐标表示测距传感器返回的位置，纵坐标表示采集此点时得到的信号强度。

[0020] 数据显示模块的每一栏对应图像显示模块里面的每一个点，每一栏两个值，一个是采集此点时探针所在的位置，另一个值是采集此点时得到的信号强度。

[0021] 测量线实验培训素材库用于解释图像显示的原因，传授微波测量线的知识点，开拓学生思路进行创新实验。引入知识点，包括：行波，驻波，驻行波，电压驻波比，反射系数，阻抗，波腹和波节，波长，以及它们的联系和相互关系。包含以上每个知识点的概念，对应的公式关系。

[0022] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0023] 可广泛支持围绕微波测量线实验的课程大纲要求开发的设计性、综合性、演示性教学实验；可开放性支撑围绕微波测量知识重点、难点问题的创新教学实验设计，可支撑的实验项目类形广泛，种类多样，知识点覆盖广，实验表现形式生动、直观，学习参与度高、学习互动性强，并通过化抽象于形象，化模糊为具体的手段，有效缓解电磁波教学中普遍存在由于电磁波看不见、摸不着造成的理论难于消化，概念难于理解，理论难以联系实际的诸多困难，从而可有效激发学习的自主性和自觉性，利于知识学习与创新能力培养。附图说明

[0024] 图1是本发明实施例可视互动的微波测量线实验系统结构图。

[0025] 图2是本发明实施例教学实验平台子系统的结构示意图。

具体实施方式

[0026] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

[0027] 如图1所示，一种可视互动的微波测量线实验系统，由教学实验平台子系统、微波收发子系统8、操作控制子系统9和主机外壳组成，微波收发子系统8和操作控制子系统9设置在主机外壳内，教学实验平台子系统通过支架设置于主机外壳之上；

[0028] 所述教学实验平台子系统包括：传输线1、测量架2、滑动台3。

[0029] 所述传输线1与测量架2平行，测量架2上设有轨道4和测量尺条5，滑动台3安装在轨道4上，可沿着轨道滑动；传输线1的两头都可接入信号输入线，传输线1上开有水平的细缝6。滑动台3上设有探针7，探针7垂直伸入细缝6中。

[0030] 所述微波收发子系统8包括：射频信号产生器、功率放大器、可视化电磁波接收装置和检波器；

[0031] 所述射频信号产生器由晶振、频率范围在1Mhz以上可至8Ghz的压控振荡器、变频器、信号放大器组成，产生用于教学实验所用频率可调的电磁波信号；

[0032] 所述功率放大器由2W至10W的放大模块及控制处理电路构成，对信号产生器输出的弱小电磁波信号在300Mhz至3Ghz频段范围内进行全频段功率放大或选频放大，使电磁波信号达到足够强度后，通过信号输入线输送给传输线1；放大器的输出功率可在0W至4W之间进行控制和调节；

[0033] 所述可视化电磁波接收器通过信号接收线连接探针7，用于接收探针7发送的信号；

[0034] 所述检波器与电磁波接收器连接，对来自于探针7的电磁波信号进行检波，并将检波信号后的信号送至操作控制子系统9中处理；

[0035] 所述操作控制子系统9由主控计算机(上位机)、单片机(下位机)、测量线实验软件组成，主要用于操作控制测量线实验的可视化互动实验过程，设置测量线实验参数，检测与控制电磁波信号的收发状态，自动实时分析测距和测角采集信息，完成电磁波特性图示化图形化处理，达到可视化电磁波的实验教学目的。

[0036] 所述上位机用于接受并存贮来自测距传感器传送的数据，并根据实验教学的内容设计，执行电磁波实验可视互动控制应用软件、向下位机下达操作指令、控制显示单元显示实验结果；

[0037] 所述下位机用于接受和执行来自上位机的操作指令、控制信号产生器输出信号频率及信号强度、采集和处理来自检波器的电信号、并上传处理后的数据和信息至上位机；

[0038] 所述测量线实验软件包括：实验设置模块、图像显示模块、数据显示模块、测量线实验培训素材库等。

[0039] 实验设置模块用于设置做测量线实验所需要的初始状态参数，包括：发射频率(因为做出的实验效果与发射频率很有关系，探究其在不同频率的结果)，负载状态(测量线右端可以接不同的东西，接的东西不同绘制的图像不同，可以通过图像研究右侧接的东西，一般这个接的东西叫做负载。比较常见的是短路负载，匹配负载，开路负载这三种)。

[0040] 图像显示模块用于描绘实验图像，横坐标表示测距传感器返回的位置，纵坐标表示采集此点时得到的信号强度。做实验时测量线上滑块从发射端开始，移动滑块到测量线末端，每采集一次就在坐标系中绘制一个点，并将其与前一个点和后一点连线(每个点相隔的距离与初始设置的频率有关，频率越大需要每个点相隔的距离越小才能画出更好的图像)，最后形成此实验参数状态下测量线的波形。

[0041] 数据显示模块的每一栏对应图像显示模块里面的每一个点，每一栏两个值，一个是采集此点时探针所在的位置，另一个值是采集此点时得到的信号强度。

[0042] 测量线实验培训素材库用于解释图像显示的原因，传授微波测量线的知识点，开拓学生思路进行创新实验。得到图像显示模块后，学生会疑问为什么会在传输线中不同的位置会有不同的值。此时引入知识点(软件界面上在界面左侧，第二占比)，包括：行波，驻波，驻行波，电压驻波比，反射系数，阻抗，波腹和波节，波长，以及它们的联系和相互关系。包含以上每个知识点的概念，对应的公式关系。对知识点有了一定的了解后就可以自由发散，在传输线右端接入不同的负载进行实验。对于引导学生创造，开拓学生思路很有帮助。

[0043] 一种可视互动的微波测量线实验方法，包括以下步骤：

[0044] S1：单片机系统初始化；

[0045] S2：检查是否采集到测距传感电子系统的数据，微波收发子系统工作是否正常；如果有数据并且工作正常则执行S3，否则执行S1；

[0046] S3：主控计算机显示人机交互界面；

[0047] S4：选择实验项目、实验功能和实验参数；

[0048] S5：微波收发子系统将主控计算机设置的参数，通过传输线发送电磁波；

[0049] S6：接收探针接收来自传输线发射端的信号；

[0050] S7：微波收发子系统将接收探针接受到的数据接收，并通过电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块成像在人机交互界面。

[0051] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

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