CN105181219A - 一种可工作于超高温环境下的压力参数提取装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供本发明涉及压力参数测试技术领域，具体涉及一种可工作于超高温环境下的压力参数提取装置，所述谐振结构为一种密闭的圆形谐振腔，四周由所述耐高温材料外壁201包围，所述外壁201底部集成了所述介质圆柱202，所述外壁201的顶部集成了一层所述压力敏感介质膜片203，所述介质膜片203上面紧密贴着用于压力参数提取与传输的所述宽带微型天线204，所述宽带微型天线204上集成了所述调谐短线205以及耦合缝隙206；本发明提出的压力参数测试装置，具有简单的结构形式、较小的结构尺寸与较高的压力敏感度，敏感结构全部由无源单元组成，更便于采用特制的耐高温材料，可长时间工作在高温环境下。

Description

一种可工作于超高温环境下的压力参数提取装置

技术领域

本发明涉及压力参数测试技术领域，具体涉及一种可工作于超高温环境下的压力参数提取装置。

背景技术

随着我国航空航天及民用飞行技术的快速发展，发动机等关键组件长期处于由燃烧以及与大气的高速摩擦导致的超高温(＞1000℃)及高压环境中。在高速运转的发动机舱内或者大气中快速飞行的飞行器表面，都存在着这种由高温高压混合形成的特殊环境，而实时监测高温环境下的压力参数，对提高发动机及飞行器的可靠性及寿命有重要的意义，对其材料的选取及组件的制备有着至关重要的作用，是其动力系统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压力环境状态，减小压力对组件的影响和损坏，需要长时间、实时监测高温环境下的压力参数。

目前国内压力参数测试方法主要有两种：一是利用有源、有线压力敏感探头直接测试；第一种方法只适用于温度低于500℃的环境下，在超高温环境下，有源压力测试装置就会失效或者损坏，无法对压力参数进行实时监测。

二是依赖于外推、引压等方法间接测试。图1是现有技术一种传感式压力传感器的结构示意图，如图所示，包括：底座1、压力膜片2、中间体3、压力传递杆4、垫圈5、悬臂梁6、硅隔离应变片7、顶盖8和接插件9等组成。压力膜片2焊接在中间体3上，中间体3与底座1焊接为一个整体；压力膜片2的另一端固接在压力传递杆4上，压力传递杆4再与悬臂梁6装配在一起；悬臂梁6上贴有硅隔离应变片7，垫圈5压在悬臂梁6上，顶盖8通过螺纹连接在中间体3上，并压紧垫圈5和悬臂梁6，顶盖8上装配接插件9。该压力传感器工作时，被测环境中压力作用于压力膜片2，使压力膜片在传感器的轴向发生形变，压力传感杆4将这种因压力产生的压力形变传递给悬臂梁6，这时悬臂梁6也是随之发生相应形变；集成在悬臂梁6上的硅隔离应变片7即可测试出与应变成正比的压力信号，并通过接插件9输出。

该传感器可以工作在220℃范围内，需要通过压力传递杆间接测试压力信号，准确度和实时性都有限，不能准确表征被测压力参数；另外，该压力传感器结构复杂，由于设计方案和材料的限制，需要接插件向外部压力信息，其环境适应性同样有限，不能适应超高温(＞1000℃)工作的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可工作于超高温环境下的压力参数提取装置，由对压力敏感的谐振结构与宽带微型接收传输天线两部分组成，整个敏感结构皆由无源单元组成，以有效降低高温环境这一约束条件，更便于采用特制的耐高温材料，以直接置于超高温环境中，提高敏感结构在超高温环境下的使用寿命。

为达上述目的，本发明提出了一种可工作于超高温环境下的压力参数提取装置，包括：

对压力敏感的谐振结构以及置于该谐振结构顶端的压力参数提取与传输天线；

所述谐振结构包括：耐高温材料外壁201、介质圆柱202以及压力敏感膜片203；

所述压力参数提取与传输天线包括：宽带微型天线204、天线调谐短线205以及耦合缝隙206；

其结构特征如下：

所述谐振结构为一种密闭的圆形谐振腔，四周由所述耐高温材料外壁201包围，所述外壁201底部集成了所述介质圆柱202，所述外壁201的顶部集成了一层所述压力敏感介质膜片203，所述介质膜片203上面紧密贴着用于压力参数提取与传输的所述宽带微型天线204，所述宽带微型天线204上集成了所述调谐短线205以及耦合缝隙206。

优选的，所述对压力敏感的谐振结构工作在微波频段。

其中，所述谐振结构的等效电路包括：

顺次连接的：该谐振结构的表面敏感薄膜203与内部介质圆柱202之间的电容C_p、等效电感L、等效电阻R、剩下的边缘电容C_r以及敏感薄膜顶层的宽带微型天线Ant；所述宽带微型天线Ant与所述电容C_p相连。

其中，所述谐振腔的谐振频率与所述等效电路图的各元件值之间有如下关系：

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L(C_p+C_r)}}.$

其中，所述电容C_p可如下表达：

$C_p=\frac{{\mathrm{\ξ}}_{0}A}{gap};$

其中，A为所述谐振结构的内部介质圆柱202的上表面积，gap代表谐振腔敏感膜片203与介质圆柱202之间的距离，ξ₀为所选材料的介电常数。

本发明提出的压力敏感装置，具有较小的结构尺寸与较高的品质因数，敏感结构与天线紧密集成为一体，提高了压力敏感装置的敏感度，减小了外部环境对敏感装置的影响；当压力参数提取装置置于高温环境下，被测环境中的压力参数改变时，其敏感结构谐振频率会随之相应改变，通过监测敏感结构谐振频率的线性变化，即可实时准确的监测环境中压力参数信息，实现超高温环境下压力参数的实时监控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术一种传感式压力传感器的结构示意图；

图2所示为本发明实施例的压力参数提取装置的结构示意图；

图3为图2所示的压力测试装置结构的剖面图；

图4是本发明实施例的压力敏感结构谐振腔的等效电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于现有技术中存在的上述问题，本发明实施例，本发明提出了一种能够适用于超高温环境的无源压力测试装置，该装置具有较小的结构尺寸，可以减小压力测试装置对被测组件的影响；可直接置于超高温环境中，能够长时间、实时监控超高温环境下的压力参数。该压力敏感测试装置主要由两部分组成，一是对压力敏感的谐振结构，二是置于谐振结构顶端的压力参数提取与传输天线。压力敏感的谐振结构为一种圆形谐振腔，其顶部有一层对压力敏感的介质膜片，谐振腔内部下方集成了一个介质圆柱。如果模式和频率合适，谐振腔内部就会产生驻波，即发生谐振现象。由于该谐振腔为密闭系统，全部电磁场能量被限制在腔体内部，腔体本身无辐射损耗，另外，腔体属于分布参数电路，因此谐振腔的品质因数高。该谐振结构工作时，腔体顶部的敏感模块会感知外部的压力，膜片会随外部压力的改变产生相应的形变，促使膜片与介质圆柱之间的缝隙改变，根据谐振频率与缝隙的反比例一一对应关系式，其谐振频率也会随着相应变化，通过检测这种谐振频率的变化，即可实时还原外部环境中的压力参数。此外，介质圆柱的引入会提高整个谐振器的压力测试敏感度，提高压力测试的准确度。谐振敏感结构压力敏感膜片的顶部集成了一个宽带微型天线，通过宽带微型天线上的矩形缝隙耦合压力参数信息，完成压力参数信号的接收与传输。集成的天线不会增加敏感结构的尺寸，能够减小高温环境中其它因素对压力参数测试的影响。综上所述，本发明提出的压力参数测试装置，具有简单的结构形式、较小的结构尺寸与较高的压力敏感度，敏感结构全部由无源单元组成，更便于采用特制的耐高温材料，可长时间工作在高温环境下。

以下结合附图，通过具体实施例对本发明进行详细阐述：

实施例一

图2所示为本发明实施例的压力参数提取装置的结构示意图，图3为图2所示的压力测试装置结构的剖面图。如图所示，本实施例的一种可工作于超高温环境下的压力参数提取装置包括：

对压力敏感的谐振结构以及置于该谐振结构顶端的压力参数提取与传输天线；

所述谐振结构包括：耐高温材料外壁201、介质圆柱202以及压力敏感膜片203；

所述压力参数提取与传输天线包括：宽带微型天线204、天线调谐短线205以及耦合缝隙206；

其结构特征如下：

所述谐振结构为一种密闭的圆形谐振腔，四周由所述耐高温材料外壁201包围，所述外壁201底部集成了所述介质圆柱202，所述外壁201的顶部集成了一层所述压力敏感介质膜片203。

其中，所述对压力敏感的谐振结构工作在微波频段。

如果模式和频率合适，谐振腔内部就会产生驻波，即发生谐振现象。由于该谐振腔为密闭系统，全部电磁场能量被限制在腔体内部，腔体本身无辐射损耗，另外，腔体属于分布参数电路，电路的表面积增加使其导体损耗减小，因此该谐振腔的品质因数高。

其中，所述谐振结构的等效电路包括：

顺次连接的：该谐振结构的表面敏感薄膜203与内部介质圆柱202之间的电容C_p、等效电感L、等效电阻R、剩下的边缘电容C_r以及敏感薄膜顶层的宽带微型天线Ant；所述宽带微型天线Ant与所述电容C_p相连。

其中，所述谐振腔的谐振频率与所述等效电路图的各元件值之间有如下关系：

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L(C_p+C_r)}}---\left(1\right).$

其中，所述电容C_p可如下表达：

$C_p=\frac{{\mathrm{\ξ}}_{0}A}{gap}---\left(2\right);$

其中，A为所述谐振结构的内部介质圆柱202的上表面积，gap代表谐振腔敏感膜片203与介质圆柱202之间的距离，ξ₀为所选材料的介电常数。

工作时，将该敏感结构置于待测高温高压的环境中，外部环境中的压力作用于该压力敏感谐振单元时，腔体顶部的敏感膜片203会感知外部的压力，敏感膜片203会随外部压力的改变产生相应的形变，促使敏感膜片203与介质圆柱202之间的缝隙改变，根据式(2)可知C_p会随着缝隙的减小而变大，如式(1)所示，谐振频率f_r会随着C_p的变大而减小。根据谐振频率与缝隙的反比例一一对应关系式，通过检测这种谐振频率的变化，即可实时还原外部环境中的压力参数。此外，介质圆柱的引入会提高整个谐振器的压力测试敏感度，在很小的缝隙形变时就是产生较大的谐振频率点的偏移，提高了压力测试的敏感度与准确度。

所述介质膜片203上面紧密贴着用于压力参数提取与传输的所述宽带微型天线204，所述宽带微型天线204上集成了所述调谐短线205以及耦合缝隙206。

通过宽带微型天线404上的矩形耦合缝隙206耦合压力参数信息，接收谐振结构内部由压力产生的谐振频率信息，并传输到外部，完成压力参数信号的接收与传输，而调谐短线5可以有效调节整个宽带微型天线的工作频率与带宽。集成的天线不会增加敏感结构的尺寸，能够减小高温环境中其它因素对压力参数测试的影响。

综上所述，本发明所提出的可工作于超高温环境下的压力参数提取装置，克服了传统压力参数测试方法测试结果不准确、无法工作在超高温环境的限制。本发明采用了微波谐振腔测试压力参数的技术方案，无线传输压力参数，通过检测谐振频率实现压力参数的提取；压力参数测试装置采用了一体化加工设计方案，将压力敏感单元与提取传输天线集成为一体，结构形式简单，减小了电路的尺寸，提高了对压力的敏感度，降低了高温复杂环境对测试结构的影响；压力敏感结构内集成了介质圆柱，增加了谐振结构谐振频率对结构形变的敏感度，提高了测试精度；参数提取装置各单元均采用了无源结构方案，更便于采用特制的耐高温材料，可长时间工作在高温环境下，提高了其环境适应性和稳定性。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrativelogicalblock)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrativecomponents)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可工作于超高温环境下的压力参数提取装置，其特征在于，包括：

对压力敏感的谐振结构以及置于该谐振结构顶端的压力参数提取与传输天线；

所述谐振结构包括：耐高温材料外壁201、介质圆柱202以及压力敏感膜片203；

所述压力参数提取与传输天线包括：宽带微型天线204、天线调谐短线205以及耦合缝隙206；

其结构特征如下：

所述谐振结构为一种密闭的圆形谐振腔，四周由所述耐高温材料外壁201包围，所述外壁201底部集成了所述介质圆柱202，所述外壁201的顶部集成了一层所述压力敏感介质膜片203，所述介质膜片203上面紧密贴着用于压力参数提取与传输的所述宽带微型天线204，所述宽带微型天线204上集成了所述调谐短线205以及耦合缝隙206。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述对压力敏感的谐振结构工作在微波频段。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐振结构的等效电路包括：

顺次连接的：该谐振结构的表面敏感薄膜203与内部介质圆柱202之间的电容C_p、等效电感L、等效电阻R、剩下的边缘电容C_r以及敏感薄膜顶层的宽带微型天线Ant；所述宽带微型天线Ant与所述电容C_p相连。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述谐振腔的谐振频率与所述等效电路图的各元件值之间有如下关系：

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L(C_p+C_r)}}.$

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电容C_p可如下表达：

$C_p=\frac{{\mathrm{\ξ}}_{0}A}{gap};$

其中，A为所述谐振结构的内部介质圆柱202的上表面积，gap代表谐振腔敏感膜片203与介质圆柱202之间的距离，ξ₀为所选材料的介电常数。