微波技术是一种基于麦克斯韦电磁理论的测量技术,经过一百多年的发展成为一门成熟的学科,在通信系统、雷达测量、疾病检测、食品加热、全球定位系统等方面有广泛的应用。基于微波技术的传感器具有非接触性、可在线测量、信号稳定、抗干扰能力强的优点,单模谐振腔作为一种基于微波技术的传感器,具有高精度、高敏感度的优点。微波微扰测量法基于假设为在微小扰动前后对于谐振腔的变化可以近似不变,在满足微扰的前提下,可以将物质介电常数的变化转为传感器频率的变化,从而实现内部介电常数与外部电学参数测量的一致性。本研究基于微波微扰理论,研究目标为实现糖水二元体系的高精度浓度测量,在理论方面本研究详细分析了微波微扰法的原理及假设条件,结合研究对象糖水二元体系的特点,对于一定温度下介电常数和浓度的关系进行推导,最终得到溶液浓度和传感器频率的计算公式。在传感器设计方面,本研究设计了两种圆柱型单模谐振腔传感器TE011和TM010,在电磁仿真平台进行几何参数、材料参数、电学参数的设计,并对于关键参数耦合系数进行了优化仿真,两种设计的传感器的测量精度为10 kHz。在系统设计方面,本研究设计了基于FPGA的在线测量系统,FPGA为控制平台,基于C语言的软件指令完成整体控制,硬件模块完成各模块功能,分为谐振状态判断模块、谐振频率搜索模块和频率测量模块。在FPGA平台上设计基于Verilog语言的IP核测量频率,采用多周期同步等精度测量,在1 s内选择50 MHz的标准信号,测出频率差值,频率测量误差为2×10-8。对于不同浓度的葡萄糖溶液、木糖溶液和果糖溶液进行仿真,系统浓度测定最小值为10 mg/L,整体系统测量时间数量级为几秒,浓度测量的最小分辨率低于化学分析法、近红外分析法、光波干涉法等,可实现快速、高精度在线测量。