CN105606245B - 一种非接触式超高温环境下温度参数提取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非接触式超高温环境下温度参数提取装置，包括接收处理单元、连接线缆、宽带接收天线、矩形介质谐振与发射天线复合结构；接收与处理单元通过连接线缆连接宽带接收天线，其置于普通温度环境内，向矩形介质谐振与发射天线复合结构发送和接收宽带信号；矩形介质谐振与发射天线复合结构置于超高温环境中，包括参考地和安装在参考地上的喇叭形辐射源和介质层；介质层的介电常数随温度变化，喇叭形辐射源感应介质层的介电常数变化后发生谐振并发送其谐振频率到宽带接收天线；该装置具有较小的结构尺寸，可直接将温度敏提取装置置于超高温环境中，能够长时间、实时监测超高温环境下的温度参数。

Description

一种非接触式超高温环境下温度参数提取装置
技术领域
本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种非接触式超高温环境下温度参数提取装置。
背景技术
随着我国航空航天及民用飞行技术的快速发展，发动机关键组件长期处于由燃料以及与大气高速摩擦导致的超高温(＞1000℃)环境中。在高速运转的发动机舱内或者大气中快速飞行的飞行器涡轮表面，都存在着这种由高温形成的特殊环境，而实时监测高温环境下的温度参数，对提高发动机及飞行器的可靠性、寿命以及材料选取都有着重要的意义。同时，也是其动力***研究必不可少的环节。因此，为了使这些组件能够工作在最佳的环境状态，减小温度对组件的影响和损坏，需要长时间、实时监测高温环境下的温度参数。
目前，国内高温环境下温度参数测试方法主要有两种：一是利用有源、有线敏感探头直接测试；二是依赖于外推、引温等方法间接测试。第一种方法只适用于温度低于600℃的环境下，在超过600℃高温环境下，有源测试装置就会失效或者损坏，无法对参数进行实时监测。第二种方法适用的温度范围一般低于800℃，同时存在测试结果不准确、动态响应不够等问题，同样不能满足实时监测要求。高于1000℃的超高温环境下温度参数测试是急需攻克的技术难题。
基于有源电路方案的温度敏感装置具有敏感范围宽的优点，随着SiC与GaN衬底工艺的发展，该类型温度的敏感装置的峰值工作温度已经达到了600℃。但是，当工作温度高于600℃时，往往需要增加复杂的隔热与加电设计，随着温度的升高，并会烧毁有源装置；基于低温共烧陶瓷(LTCC)与高温共烧陶瓷(HTCC)的LC谐振式温度敏感装置，分别可以工作于800℃与600℃的环境中，受限于其线圈的尺寸、线圈方向及耦合距离的限制，该方案同样无法工作于超过1000℃的超高温环境中。
如图1所示为一种利用表面工艺制备的压阻式复合梁温度传感器，当温度变化时，复合悬臂梁的双层材料因热膨胀系数的失配产生弯曲而形成热应力，复合悬臂梁在热应力作用下弯曲,在铝膜和硅膜的接触面上产生剪切应力，使得位于硅悬臂梁根部表面的压阻的阻值发生变化。压阻的变化通过惠斯登电桥读出，利用应力的变化表征温度的变化。该温度传感器制备较为复杂，其中悬臂梁结构是通过外延单晶硅表面微加工工艺(MEMS)制备而得，而惠斯登电桥输入需要采用脉冲式电流供电，因此该传统温度敏感方案加工工艺复杂，峰值工作温度远低于500℃，不能满足超高温环境的测试要求。
目前，国内尚无可工作于1000℃以上的超高温环境下的实时监测装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式超高温环境下温度参数提取装置，能够适用于超高温环境的无源非接触式温度参数敏感提取装置，该装置具有较小的结构尺寸，可直接将温度敏提取装置置于超高温环境中，能够长时间、实时监测超高温环境下的温度参数。该敏感提取装置主要由两部分组成：一是对温度参数敏感的谐振结构，二是携带温度参数信息的谐振频率提取传输天线。其中谐振结构与提取传输天线为一体化设计，微波谐振结构既作为参数敏感单元又作为提取传输天线。该谐振结构工作时，不同温度环境下材料介电常数会随之改变，根据谐振频率与材料介电常数的反比例关系，通过测试不同环境下谐振结构的谐振频率解算出待测的温度参数，实现超高温环境下温度参数的提取。综上所述，本发明提出的温度参数测试装置，具有简单的结构形式，敏感结构全部由无源单元组成，避免了有源测试装置在超高温环境下失效或损坏的风险，更便于采用特制的耐高温材料，以达到提高该装置工作稳定性、可靠性及环境适应性能力的目的。
本发明的非接触式超高温环境下温度参数提取装置，包括接收处理单元、连接线缆、宽带接收天线、矩形介质谐振与发射天线复合结构；
接收与处理单元通过连接线缆连接宽带接收天线，其置于普通温度环境内，向矩形介质谐振与发射天线复合结构发送和接收宽带信号；
矩形介质谐振与发射天线复合结构置于超高温环境中，包括参考地和安装在参考地上的喇叭形辐射源和介质层；介质层的介电常数随温度变化，并发生谐振，喇叭形辐射源采集介质层的谐振波并发送到宽带接收天线。
作为完善，矩形介质谐振与发射天线复合结构上还安装用以调节喇叭形辐射源的调配矩形块。
进一步地，喇叭辐射源与调配矩形块镀涂一层耐超高温金属。
本发明提出的温度参数提取装置，采用了微波谐振非接触式测试方法，利用谐振器所选的材料介电常数与谐振频率关系，通过不同温度下介电常数的变化，测试不同温度环境下谐振频率解算出待测的温度参数信息；参数敏感单元与传输天线一体化设计，作为参数敏感单元的介质谐振器同时为一种介质天线，利用天线非接触式传输携带温度信息的谐振频率，使信号接收单元避开高温工作于常温环境下，降低了对其有源电路的高温环境适应性要求，而工作于超高温环境下的温度敏感提取结构皆由无源单元组成，更便于采用特制的耐高温材料，以达到提高该装置工作稳定性、可靠性及环境适应性能力的目的。
对于上述的矩形贴片谐振器的工作主模为TM10模，其谐振频率fr可近似表达为以下关系式：
其中，c0为真空中的光速，Leff为矩形贴片谐振器的有效长度，ξeff表示为材料的有效介电常数，ξr为介质的相对介电常数，h表示介质层厚度，W表示微带贴片谐振器的宽度。
接收与处理单元通过宽带接收天线向置于高温环境中的谐振器发出宽带信号，使其产生谐振，并通过宽带接收天线接收该谐振信号，接收与处理单元处理得到其谐振频率fr；
根据介质材料的相对介电常数ξr与温度的对应关系，得到高温环境的温度值。
选取两种耐高温介质材料Si6B1与Si4B1，经测试介电常数ξr在不同温度环境下的关系如下表所示：
工作时，接收单元通过宽带接收天线向温度测试单元发射一组宽带信号，作为测试单元的矩形介质谐振与天线复合结构接收到该信号，并表现出谐振现象，将反射的谐振频率信息反向传输到接收单元，接收单元测试到谐振频率的S11信息，根据理论分析可知，随着不同温度下介电常数的变化，测试到的谐振频率S11也会随之相应的改变，谐振结构作为分布参数电路具有较高的品质因数，根据谐振频率改变即可准确的测试出超高温环境下的温度参数。
本发明的非接触式超高温环境下温度参数提取装置具有如下有益效果：
(1)微波方案测试温度参数精度高：本发明采用微波贴片谐振器作为温度敏感单元，谐振结构作为分布参数电路具有较高的品质因数，利用谐振频率与介质介电常数的关系，根据不同温度下介电常数的变换，在较小的温度变化范围内其谐振频率变化明显，可以准确的测试出携带温度参数信息的谐振频率；
(2)提取天线与温度敏感的一体化设计结构简单：微波谐振结构既作为参数敏感单元又作为传输天线，其整体结构简单，不会增加整个敏感装置的体积，避免引入的额外变量影响参数测试准确度，控制周围环境对敏感装置的影响；
(3)非接触式提取温度参数降低接收单元设计难度：非接触式远距离提取携带有温度参数信息的谐振频率，实现了温度敏感单元与信号接收单元的分离设计，远离高温区的信号接收单元的制备与材料选择的难度将会大大降低；
(4)无源结构设计环境适应性强：本发明提出的温度参数敏感装置，其整体结构皆由无源单元组成，克服了有源敏感电路在超高温环境中失效限制，无源结构更便于采用专用的耐高温材料，提高其环境适应能力，可长时间工作在高于1000℃的高温环境下。
附图说明
图1是现有技术中压阻式复合梁温度传感器原理图；
图2是本发明的非接触式超高温环境下温度参数提取装置的结构示意图。
图2中：1.接收处理单元；2.连接线缆；3.宽带接收天线；4.矩形介质谐振与发射天线复合结构；5.喇叭形辐射源；6.调配矩形块；7.感应介质层；8.参考地。
图1中：11.复合悬臂梁；12.硅膜；13.铝膜；14.压阻。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示为一种利用表面工艺制备的压阻式复合梁温度传感器，当温度变化时，复合悬臂梁11的双层材料因热膨胀系数的失配产生弯曲而形成热应力，复合悬臂梁11在热应力作用下弯曲,在铝膜13和硅膜12的接触面上产生剪切应力，使得位于硅悬臂梁根部表面的压阻14的阻值发生变化。压阻14的变化通过惠斯登电桥读出，利用应力的变化表征温度的变化。该温度传感器制备较为复杂，其中悬臂梁结构是通过外延单晶硅表面微加工工艺(MEMS)制备而得，而惠斯登电桥输入需要采用脉冲式电流供电，峰值工作温度远低于500℃，不能满足超高温环境的测试要求。
本实施例的非接触式超高温环境下温度参数提取装置，本发明的非接触式超高温环境下温度参数提取装置，包括接收处理单元1、连接线缆2、宽带接收天线3、矩形介质谐振与发射天线复合结构4；
接收与处理单元1通过连接线缆2连接宽带接收天线3，其置于普通温度环境内，向矩形介质谐振与发射天线复合结构4发送和接收宽带信号；
矩形介质谐振与发射天线复合结构4置于超高温环境中，包括参考地8和安装在参考地8上的喇叭形辐射源5和介质层7；介质层7的介电常数随温度变化，并发生谐振，喇叭形辐射源5采集介质层7的谐振波并发送到宽带接收天线3。
矩形介质谐振与发射天线复合结构4上还安装用以调节喇叭形辐射源5的调配矩形块6。
喇叭辐射源5与调配矩形块6镀涂一层耐超高温金属。
工作时，接收单元1通过宽带接收天线3向温度测试单元发射一组宽带信号，作为测试单元的矩形介质谐振与天线复合结构4接收到该信号，并表现出谐振现象，将反射的谐振频率信息反向传输到接收单元1，接收单元1测试到谐振频率的S11信息，根据理论分析可知，随着不同温度下介电常数的变化，测试到的谐振频率S11也会随之相应的改变，谐振结构作为分布参数电路具有较高的品质因数，根据谐振频率改变即可准确的测试出超高温环境下的温度参数。

Claims (3)

1.一种非接触式超高温环境下温度参数提取装置，其特征在于，包括接收处理单元(1)、连接线缆(2)、宽带接收天线(3)、矩形介质谐振与发射天线复合结构(4)；接收与处理单元(1)通过连接线缆(2)连接宽带接收天线(3)，其置于普通温度环境内，向矩形介质谐振与发射天线复合结构(4)发送和接收宽带信号；
矩形介质谐振与发射天线复合结构(4)置于超高温环境中，包括参考地(8)和安装在参考地(8)上的喇叭形辐射源(5)和介质层(7)；介质层(7)的介电常数随温度变化，并发生谐振，喇叭形辐射源(5)采集介质层(7)的谐振波并发送到宽带接收天线(3)；
接收与处理单元通过宽带接收天线向置于高温环境中的谐振器发出宽带信号，使其产生谐振，并通过宽带接收天线接收该谐振信号，接收与处理单元处理得到其谐振频率fr；
其中，c0为真空中的光速，Leff为矩形贴片谐振器的有效长度，ξeff表示为材料的有效介电常数，ξr为介质的相对介电常数，h表示介质层厚度，W表示微带贴片谐振器的宽度；
根据介质材料的相对介电常数ξr与温度的对应关系，得到高温环境的温度值；
选取两种耐高温介质材料Si6B1与Si4B1，经测试介电常数ξr在不同温度环境下的关系如下表所示：
2.根据权利要求1所述的非接触式超高温环境下温度参数提取装置，其特征在于：矩形介质谐振与发射天线复合结构(4)上还安装用以调节喇叭形辐射源(5)的调配矩形块(6)。
3.根据权利要求2所述的非接触式超高温环境下温度参数提取装置，其特征在于：喇叭辐射源(5)与调配矩形块(6)镀涂一层耐超高温金属。
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