CN103698060B - 带温度补偿的无线无源高温压力传感器及其温度补偿算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线无源高温压力传感器，具体是一种带温度补偿的无线无源高温压力传感器及其温度补偿算法。本发明解决了现有无线无源高温压力传感器无法在温度时刻变化的环境下进行压力测量的问题。带温度补偿的无线无源高温压力传感器，包括第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片；第一生瓷片的上表面左部布置有第一平板电容器的下极板；第一生瓷片的上表面右部布置有第二平板电容器的下极板；第一电感线圈与第一平板电容器共同构成温度补偿敏感LC环路；第二电感线圈与第二平板电容器共同构成主敏感LC环路。本发明适用于自动化、航天、航空、国防军工领域高温环境下的压力测量。

Description

带温度补偿的无线无源高温压力传感器及其温度补偿算法

技术领域

本发明涉及无线无源高温压力传感器，具体是一种带温度补偿的无线无源高温压力传感器及其温度补偿算法。

背景技术

无线无源高温压力传感器因其能够实现数据的非接触无线读取以及敏感头无源（不含有源器件）等特性，而被广泛应用于自动化、航天、航空、国防军工领域高温环境下的压力测量。在现有技术条件下，无线无源高温压力传感器受自身结构所限，只能在温度恒定的环境下进行压力测量（当其在不同温度的环境下进行压力测量时，需要事先在该温度下进行压力标定），而无法在温度时刻变化的环境下进行压力测量。因此，现有无线无源高温压力传感器已经无法满足复杂环境下的压力测试需求。为此有必要发明一种全新的无线无源高温压力传感器，以解决现有无线无源高温压力传感器无法在温度时刻变化的环境下进行压力测量的问题。

发明内容

本发明为了解决现有无线无源高温压力传感器无法在温度时刻变化的环境下进行压力测量的问题，提供了一种带温度补偿的无线无源高温压力传感器及其温度补偿算法。

本发明是采用如下技术方案实现的：带温度补偿的无线无源高温压力传感器，包括第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片；第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片自下而上依次层叠成一体；第一生瓷片的上表面左部布置有第一平板电容器的下极板；第一生瓷片的上表面右部布置有第二平板电容器的下极板；第一生瓷片的左后部开设有上下贯通的第一排气孔；第一生瓷片的右后部开设有上下贯通的第二排气孔；第二排气孔的孔口封堵有玻璃浆料；第二生瓷片的左部开设有上下贯通的第一电容介质孔；第二生瓷片的右部开设有上下贯通的第二电容介质孔；第一电容介质孔与第一平板电容器的下极板位置正对；第二电容介质孔与第二平板电容器的下极板位置正对；第一电容介质孔的后孔壁开设有第一排气通道；第二电容介质孔的后孔壁开设有第二排气通道；第一排气通道的后端与第一排气孔对应贯通；第二排气通道的后端与第二排气孔对应贯通；第三生瓷片的上表面左部布置有第一平板电容器的上极板；第三生瓷片的上表面右部布置有第二平板电容器的上极板；第一平板电容器的上极板与第一电容介质孔位置正对；第二平板电容器的上极板与第二电容介质孔位置正对；第四生瓷片的上表面左部布置有第一电感线圈；第四生瓷片的上表面右部布置有第二电感线圈；第一生瓷片的下表面与第四生瓷片的上表面之间开设有上下贯通的过孔；过孔内穿设有过孔连线；第一电感线圈的外端通过过孔连线与第一平板电容器的下极板连接；第一电感线圈的内端通过过孔连线与第一平板电容器的上极板连接；第一电感线圈与第一平板电容器共同构成温度补偿敏感LC环路；第二电感线圈的外端通过过孔连线与第二平板电容器的下极板连接；第二电感线圈的内端通过过孔连线与第二平板电容器的上极板连接；第二电感线圈与第二平板电容器共同构成主敏感LC环路。

具体工作过程如下：当测量环境中的温度和压力均发生变化时，第二平板电容器介质的相对介电常数随温度变化而发生变化。由于第二排气孔的孔口封堵有玻璃浆料，使得第二电容介质孔和第二排气通道共同构成气密的空腔，第二平板电容器的极板间距（即下极板与上极板之间的距离）在压力作用下也会发生变化。因此，第二平板电容器的电容值同时受温度变化的影响和压力变化的影响而发生变化，使得主敏感LC环路的谐振频率同时受温度变化的影响和压力变化的影响而发生变化。与此同时，第一平板电容器介质的相对介电常数随温度变化而发生变化。由于第一排气孔的孔口未被封堵，第一平板电容器的极板间距（即下极板与上极板之间的距离）在压力作用下不会发生变化。因此，第一平板电容器的电容值仅受温度变化的影响而发生变化，使得温度补偿敏感LC环路的谐振频率仅受温度变化的影响。此时，通过外部线圈天线分别实时读取主敏感LC环路的谐振频率和温度补偿敏感LC环路的谐振频率，并通过利用温度补偿算法，即可准确得出测量环境中的压力值。在上述过程中，第一排气孔、第二排气孔、第一排气通道、第二排气通道的作用是保证层叠过程中的碳膜在烧结氧化后排出。第五生瓷片的作用是保证第一电感线圈和第二电感线圈不暴露于恶劣环境中（既可以有效防止第一电感线圈和第二电感线圈在高温下氧化，又可以防止第一电感线圈和第二电感线圈在腐蚀性环境下被腐蚀），同时提高传感器的整体结构强度。

带温度补偿的无线无源高温压力传感器的温度补偿算法（该算法在本发明所述的带温度补偿的无线无源高温压力传感器中完成），该算法是采用如下步骤实现的：

a.在常温常压环境下，分别标定出主敏感LC环路的谐振频率f₀₂和温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₀₁；

b.当测量环境中的温度和压力均发生变化时，主敏感LC环路的谐振频率同时受温度变化的影响和压力变化的影响而发生变化，温度补偿敏感LC环路的谐振频率仅受温度变化的影响而发生变化；通过外部线圈天线分别实时读取主敏感LC环路的谐振频率f₂和温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₁；

c.根据温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₀₁、主敏感LC环路的谐振频率f₂、温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₁，计算出主敏感LC环路在仅受压力变化的影响时的谐振频率f_p；计算公式为：

d.将主敏感LC环路在仅受压力变化的影响时的谐振频率f_p与主敏感LC环路在常温环境下标定的压力——谐振频率表进行对照，即可得出测量环境中的压力值。

与现有无线无源高温压力传感器相比，本发明所述的带温度补偿的无线无源高温压力传感器及其温度补偿算法通过采用温度补偿敏感LC环路，并通过利用温度补偿算法，实现了在温度时刻变化的环境下准确地进行压力测量，由此有效解决了现有无线无源高温压力传感器无法在温度时刻变化的环境下进行压力测量的问题。同时，本发明所述的带温度补偿的无线无源高温压力传感器具有成本低、尺寸小、能批量生产等优点，可以满足自动化、航天、航空、国防军工领域对高温环境下的压力测试需求。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有无线无源高温压力传感器无法在温度时刻变化的环境下进行压力测量的问题，适用于自动化、航天、航空、国防军工领域高温环境下的压力测量。

附图说明

图1是本发明的带温度补偿的无线无源高温压力传感器的整体结构示意图。

图2是本发明的带温度补偿的无线无源高温压力传感器的分体结构示意图。

图3是本发明的带温度补偿的无线无源高温压力传感器的第一生瓷片的结构示意图。

图4是本发明的带温度补偿的无线无源高温压力传感器的第二生瓷片的结构示意图。

图5是本发明的带温度补偿的无线无源高温压力传感器的第三生瓷片的结构示意图。

图6是本发明的带温度补偿的无线无源高温压力传感器的第四生瓷片的结构示意图。

图7是本发明的带温度补偿的无线无源高温压力传感器的第五生瓷片的结构示意图。

图中：1-第一生瓷片，2-第二生瓷片，3-第三生瓷片，4-第四生瓷片，5-第五生瓷片，6-第一平板电容器的下极板，7-第二平板电容器的下极板，8-第一排气孔，9-第二排气孔，10-第一电容介质孔，11-第二电容介质孔，12-第一排气通道，13-第二排气通道，14-第一平板电容器的上极板，15-第二平板电容器的上极板，16-第一电感线圈，17-第二电感线圈，18-过孔，19-过孔连线，20-玻璃浆料，21-印刷连接线。

具体实施方式

带温度补偿的无线无源高温压力传感器，包括第一生瓷片1、第二生瓷片2、第三生瓷片3、第四生瓷片4、第五生瓷片5；

第一生瓷片1、第二生瓷片2、第三生瓷片3、第四生瓷片4、第五生瓷片5自下而上依次层叠成一体；

第一生瓷片1的上表面左部布置有第一平板电容器的下极板6；第一生瓷片1的上表面右部布置有第二平板电容器的下极板7；第一生瓷片1的左后部开设有上下贯通的第一排气孔8；第一生瓷片1的右后部开设有上下贯通的第二排气孔9；第二排气孔9的孔口封堵有玻璃浆料20；

第二生瓷片2的左部开设有上下贯通的第一电容介质孔10；第二生瓷片2的右部开设有上下贯通的第二电容介质孔11；第一电容介质孔10与第一平板电容器的下极板6位置正对；第二电容介质孔11与第二平板电容器的下极板7位置正对；

第一电容介质孔10的后孔壁开设有第一排气通道12；第二电容介质孔11的后孔壁开设有第二排气通道13；第一排气通道12的后端与第一排气孔8对应贯通；第二排气通道13的后端与第二排气孔9对应贯通；

第三生瓷片3的上表面左部布置有第一平板电容器的上极板14；第三生瓷片3的上表面右部布置有第二平板电容器的上极板15；第一平板电容器的上极板14与第一电容介质孔10位置正对；第二平板电容器的上极板15与第二电容介质孔11位置正对；

第四生瓷片4的上表面左部布置有第一电感线圈16；第四生瓷片4的上表面右部布置有第二电感线圈17；

第一生瓷片1的下表面与第四生瓷片4的上表面之间开设有上下贯通的过孔18；过孔18内穿设有过孔连线19；

第一电感线圈16的外端通过过孔连线19与第一平板电容器的下极板6连接；第一电感线圈16的内端通过过孔连线19与第一平板电容器的上极板14连接；第一电感线圈16与第一平板电容器共同构成温度补偿敏感LC环路；

第二电感线圈17的外端通过过孔连线19与第二平板电容器的下极板7连接；第二电感线圈17的内端通过过孔连线19与第二平板电容器的上极板15连接；第二电感线圈17与第二平板电容器共同构成主敏感LC环路。

主敏感LC环路、温度补偿敏感LC环路共同与一个外部线圈天线耦合。

带温度补偿的无线无源高温压力传感器的温度补偿算法（该算法在本发明所述的带温度补偿的无线无源高温压力传感器中完成），该算法是采用如下步骤实现的：

a.在常温常压环境下，分别标定出主敏感LC环路的谐振频率f₀₂和温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₀₁；

b.当测量环境中的温度和压力均发生变化时，主敏感LC环路的谐振频率同时受温度变化的影响和压力变化的影响而发生变化，温度补偿敏感LC环路的谐振频率仅受温度变化的影响而发生变化；通过外部线圈天线分别实时读取主敏感LC环路的谐振频率f₂和温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₁；

c.根据温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₀₁、主敏感LC环路的谐振频率f₂、温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₁，计算出主敏感LC环路在仅受压力变化的影响时的谐振频率f_p；计算公式为：

d.将主敏感LC环路在仅受压力变化的影响时的谐振频率f_p与主敏感LC环路在常温环境下标定的压力——谐振频率表进行对照，即可得出测量环境中的压力值。

具体实施时，第一生瓷片1的上表面、第三生瓷片3的上表面均布置有印刷连接线21。第一平板电容器的下极板6、第二平板电容器的下极板7、第一平板电容器的上极板14、第二平板电容器的上极板15均依次通过印刷连接线21、过孔18与过孔连线19连接。第一电感线圈16与第二电感线圈17并行布置，二者没有重叠部分，使得第一电感线圈与第二电感线圈之间的互感可以忽略不计。第一电感线圈16的电感值小于第二电感线圈17的电感值，第一平板电容器在常温常压环境下的电容值等于第二平板电容器在常温常压环境下的电容值，由此保证了当测量环境中的温度和压力均发生变化时，主敏感LC环路的谐振频率始终小于温度补偿敏感LC环路的谐振频率。当通过外部线圈天线分别实时读取主敏感LC环路的谐振频率和温度补偿敏感LC环路的谐振频率时，外部线圈天线的阻抗相位角会出现两个相位波谷点，两个相位波谷点分别对应主敏感LC环路的谐振频率和温度补偿敏感LC环路的谐振频率（相位波谷点处频率小的对应主敏感LC环路的谐振频率，相位波谷点处频率大的对应温度补偿敏感LC环路的谐振频率）。

所述计算公式的具体推导过程如下：

根据平板电容器的计算公式：

$C=\mathrm{\ϵ}\frac{A}{d}---\left(1\right);$

式（1）中：C为平板电容器的电容值；ε为平板电容器的介电常数；A为平板电容器的极板面积；d为平板电容器的极板间距；ε仅受温度变化的影响而发生变化；为平板电容器的压力影响组分，其仅受压力变化的影响而发生变化；

在常温常压环境下，主敏感LC环路的谐振频率f₀₂表示为：

$f_{02}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2\mathrm{\ϵ}\left(0\right)\frac{A}{d}\left(0\right)}}---\left(2\right);$

式（2）中：ε(0)为第二平板电容器介质在常温环境下的介电常数；为第二平板电容器在常温常压环境下的压力影响组分；L₂为第二电感线圈的电感值；

温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₀₁表示为：

$f_{01}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1\mathrm{\ϵ}\left(0\right)\frac{A}{d}\left(0\right)}}---\left(3\right);$

式（3）中：ε(0)为第一平板电容器介质在常温环境下的介电常数；为第一平板电容器在常温常压环境下的压力影响组分；L₁为第一电感线圈的电感值；

当测量环境中的温度和压力均发生变化时，主敏感LC环路的谐振频率f₂表示为：

$f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2\mathrm{\ϵ}\left(T\right)\frac{A}{d}\left(P\right)}}---\left(4\right);$

式（4）中：ε(T)为第二平板电容器介质在温度发生变化时的介电常数；为第二平板电容器在压力发生变化时的压力影响组分；L₂为第二电感线圈的电感值；

温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₁表示为：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1\mathrm{\ϵ}\left(T\right)\frac{A}{d}\left(0\right)}}---\left(5\right);$

式（5）中：ε(T)为第一平板电容器介质在温度发生变化时的介电常数；为第一平板电容器在压力发生变化时的压力影响组分；L₁为第一电感线圈的电感值；

主敏感LC环路在仅受压力变化的影响时的谐振频率f_p表示为：

$f_p=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2\mathrm{\ϵ}\left(0\right)\frac{A}{d}\left(P\right)}}---\left(6\right);$

式（6）中：ε(0)为第二平板电容器介质在仅受压力变化的影响时的介电常数；为第二平板电容器在仅受压力变化的影响时的压力影响组分；L₂为第二电感线圈的电感值；

综合式（3）-（6），即可推导得出：

Claims (2)

1.一种带温度补偿的无线无源高温压力传感器，其特征在于：包括第一生瓷片(1)、第二生瓷片(2)、第三生瓷片(3)、第四生瓷片(4)、第五生瓷片(5)；

第一生瓷片(1)、第二生瓷片(2)、第三生瓷片(3)、第四生瓷片(4)、第五生瓷片(5)自下而上依次层叠成一体；

第一生瓷片(1)的上表面左部布置有第一平板电容器的下极板(6)；第一生瓷片(1)的上表面右部布置有第二平板电容器的下极板(7)；第一生瓷片(1)的左后部开设有上下贯通的第一排气孔(8)；第一生瓷片(1)的右后部开设有上下贯通的第二排气孔(9)；第二排气孔(9)的孔口封堵有玻璃浆料(20)；

第二生瓷片(2)的左部开设有上下贯通的第一电容介质孔(10)；第二生瓷片(2)的右部开设有上下贯通的第二电容介质孔(11)；第一电容介质孔(10)与第一平板电容器的下极板(6)位置正对；第二电容介质孔(11)与第二平板电容器的下极板(7)位置正对；

第一电容介质孔(10)的后孔壁开设有第一排气通道(12)；第二电容介质孔(11)的后孔壁开设有第二排气通道(13)；第一排气通道(12)的后端与第一排气孔(8)对应贯通；第二排气通道(13)的后端与第二排气孔(9)对应贯通；

第三生瓷片(3)的上表面左部布置有第一平板电容器的上极板(14)；第三生瓷片(3)的上表面右部布置有第二平板电容器的上极板(15)；第一平板电容器的上极板(14)与第一电容介质孔(10)位置正对；第二平板电容器的上极板(15)与第二电容介质孔(11)位置正对；

第四生瓷片(4)的上表面左部布置有第一电感线圈(16)；第四生瓷片(4)的上表面右部布置有第二电感线圈(17)；

第一生瓷片(1)的下表面与第四生瓷片(4)的上表面之间开设有上下贯通的过孔(18)；过孔(18)内穿设有过孔连线(19)；

第一电感线圈(16)的外端通过过孔连线(19)与第一平板电容器的下极板(6)连接；第一电感线圈(16)的内端通过过孔连线(19)与第一平板电容器的上极板(14)连接；第一电感线圈(16)与第一平板电容器共同构成温度补偿敏感LC环路；

第二电感线圈(17)的外端通过过孔连线(19)与第二平板电容器的下极板(7)连接；第二电感线圈(17)的内端通过过孔连线(19)与第二平板电容器的上极板(15)连接；第二电感线圈(17)与第二平板电容器共同构成主敏感LC环路；

主敏感LC环路、温度补偿敏感LC环路共同与一个外部线圈天线耦合。

2.一种带温度补偿的无线无源高温压力传感器的温度补偿算法，该算法在如权利要求1所述的带温度补偿的无线无源高温压力传感器中完成，其特征在于：该算法是采用如下步骤实现的：

a.在常温常压环境下，分别标定出主敏感LC环路的谐振频率f₀₂和温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₀₁；

b.当测量环境中的温度和压力均发生变化时，主敏感LC环路的谐振频率同时受温度变化的影响和压力变化的影响而发生变化，温度补偿敏感LC环路的谐振频率仅受温度变化的影响而发生变化；通过外部线圈天线分别实时读取主敏感LC环路的谐振频率f₂和温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₁；

c.根据温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₀₁、主敏感LC环路的谐振频率f₂、温度补偿敏感LC环路的谐振频率f₁，计算出主敏感LC环路在仅受压力变化的影响时的谐振频率f_p；计算公式为：

d.将主敏感LC环路在仅受压力变化的影响时的谐振频率f_p与主敏感LC环路在常温环境下标定的压力——谐振频率表进行对照，即可得出测量环境中的压力值。