CN105355024A - 恶劣环境物理参量的有线提取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恶劣环境物理参量的有线提取方法及装置，该装置包括处在恶劣环境下的物理参量敏感单元，同时处在恶劣环境与普通环境中信号传输单元，处在普通环境中的信号读取单元，所述物理参量单元通过信号传输单元与信号读取单元连接，恶劣环境为温度大于150℃以上的高温环境；普通环境即我们生活的常温常压环境。本发明使用有线方式提取恶劣环境的物理参量，彻底摈弃了恶劣环境物理参量无线无源传感方式，规避了无线传输方式中无线信号被环境吸收、反射等的衰减问题和被环境噪声掩盖问题；有线方式可以对物理参量敏感单元中损耗的能量进行补充，从而避免无线无源传感器工作性能依赖于敏感单元Q值的缺陷。

Description

恶劣环境物理参量的有线提取方法及装置

技术领域

本发明涉及高温传感领域，涉及射频、微波高温环境参量传感器件，具体涉及一种恶劣环境物理参量的有线提取方法及装置。

背景技术

高温传感是监控、探测和维护涡轮、喷气、冲压等发动机系统、核电堆、深海采油平台及其工作过程所迫切需要的信息技术和监控能力之一。这些场合存在极端的高温，大型发动机如涡轮发动机、冲力发动机温度所处温度均在1300℃以上，有些场合甚至高达2000℃。这些系统在使用时除了极端高温，还存在巨大压力，甚至高达20Mpa以上。压力在发动机内部和机壳上非均匀分布，与位置、进气速度等紧密相关。实时全面的了解发动机内部和机壳的温度、压力是设计与控制高性能发动机并对其进行安全监控的前提，这就要求仪器与测试技术行业提供相应的耐高温的温度和压力传感器件与系统。

在超高温环境中，现有基于电子信号的有源器件无法工作。硅等半导体在温度超过400℃时即失效，甚至器件本身在极高温度下被氧化、烧焦而失效；同时数据读取端与参量敏感端连接线在高温下性能退化，因此其信号的传输成为高温传感器工作的关键问题之一。另外高温环境下电源耐高温、电源更换、维护将是一件极为艰难的任务。因此现在在高温等恶劣环境中多采用无线无源传感技术。如基于LC谐振互感耦合的无线无源压力传感器。其工作原理是：当敏感头受到外界压力时，电容变化导致LC电路的谐振频率改变，从而将压力大小的变化转化为谐振频率的变化，利用压力敏感头自身电感线圈耦合一定距离之外的电感天线，最后对天线接收到的信号进行检测分析，得出远端敏感结构上的压力值大小。然而此种无线无源压力传感器存在传感距离短、信号损失大(品质因数Q低)等问题，因此目前有人提出采用微波谐振腔式无线无源传感技术解决超高温恶劣环境下的压力探测问题。微波谐振腔式无线无源压力传感器相对于LC谐振互感耦合式无线无源压力传感器，具有传感距离大、信号损失低的优势。微波谐振腔式无线无源压力传感器在超高温环境下应用时，通常以耐高温陶瓷为支撑材料制成空腔、再在其内壁上涂覆耐高温金属薄层形成谐振腔，此谐振腔在压力环境中时，腔盖(一般较薄)将变形，从而导致整个谐振腔的谐振频率变化，因此通过在其上的耦合天线将采集到的谐振频率变化信息发射出去，即可获得环境压力，此即微波谐振腔式无线无源压力传感器基本构成和工作原理。

然而微波谐振腔式无线无源压力传感器的工作特性即敏感压力信号能力也严重依赖于谐振腔的品质因数(Q)，当Q低，该传感器也几乎不工作，无法敏感压力变化。Q值大小与谐振腔材料的损耗有关，谐振腔材料损耗随温度升高而增大，因此在高温环境下谐振腔Q值必然不高，进而影响传感器工作性能。同时无线无源型传感器基于无线信号输送，无线信号受环境影响很大，特别是周边金属环境，将造成无线信号的来回反射、振荡，极大影响甚至淹没有效信号传输。为此，本发明提出恶劣环境物理参量的有线提取方法与装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恶劣环境物理参量的有线提取方法及装置，以避免无线无源式高温物理参量传感装置的信号传输受环境影响问题和谐振腔Q值下降、信号敏感性变差、工作特性变坏甚至不工作问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

恶劣环境物理参量的有线提取装置，包括

处在恶劣环境下的物理参量敏感单元，具有射频或者微波谐振结构，用于将恶劣环境中的物理参量转换为射频或者微波信号谐振频率；

同时处在恶劣环境与普通环境中信号传输单元，具有宽频带特性，整个射频、微波频段信号均可在其上传输，用于将敏感单元获得的谐振频率传输给信号读取单元；

处在普通环境中的信号读取单元，具有射频或者微波源，用于发射宽频射频或者微波信号，读取射频或者微波信号；

所述物理参量单元通过信号传输单元与信号读取单元连接，其中，所述恶劣环境为温度大于150℃以上的高温环境；所述普通环境即我们生活的常温常压环境。

优选地，所述射频和微波谐振结构均包括集总参数的LC谐振电路和分布参数谐振器或者谐振腔。

优选地，所述微波谐振结构为金属谐振腔、介质谐振器、平面谐振器及其他非传输线型谐振器。

优选地，所述信号传输单元为同轴线、波导及其他微波传输线。

优选地，所述信号读取单元采用网络分析仪或类似仪器和装置。

本发明还提供了上述恶劣环境物理参量的有线提取装置的提取方法，包括如下步骤：

S1、信号读取单元的射频或微波源发射信号，经由信号传输单元传输到恶劣环境中的物理参量敏感单元的谐振结构；

S2、物理参量敏感单元的谐振结构反射信号，反射信号经由信号传输单元进入混频器，同信号读取单元的射频或微波源的发射信号一同进入信号放大电路单元，然后进入信号转换/处理电路，得到恶劣环境下的谐振结构的回波信号，进入储存电路进行储存；

S3、通过检测物理参量敏感单元在不同物理参量时的谐振频率，由物理参量与谐振频率的映射关系完成恶劣环境下物理参量的提取。

其中，所述恶劣环境物理参量即指压力、温度等参量。

本发明具有以下有益效果：

使用有线方式提取恶劣环境的物理参量，彻底摈弃了恶劣环境物理参量无线无源传感方式，规避了无线传输方式中无线信号被环境吸收、反射等的衰减问题和被环境噪声掩盖问题；有线方式可以对物理参量敏感单元中损耗的能量进行补充，从而避免无线无源传感器工作性能依赖于敏感单元Q值的缺陷。

附图说明

图1本发明实施例恶劣环境物理参量的有线提取方法的原理示意框图

图中，11为谐振结构、12为信号传输单元、13为射频或者微波源、14为混频器、15为信号放大电路、16为示波电路、17为信号存储电路。

图2为本发明实施例恶劣环境物理参量的有线提取装置的原理示意框图

图中，21为谐振结构、22为信号传输单元、23为加电端口、24为信号放大电路、25为测控电路、26为存储电路。

图3为高温环境下不同压力的反射信号图。

图4为高温环境下不同压力的谐振频率图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本发明实施例提供了恶劣环境物理参量的有线提取装置，包括处在恶劣环境下的物理参量敏感单元，具有射频或者微波谐振结构，用于将恶劣环境中的物理参量转换为射频或者微波信号谐振频率，所述微波谐振结构为金属谐振腔21；

同时处在恶劣环境与普通环境中信号传输单元，具有宽频带特性，整个射频、微波频段信号均可在其上传输，用于将敏感单元获得谐振频率传输给信号读取单元，所述信号传输单元为同轴线22；

处在普通环境中的信号读取单元，具有射频或者微波源，用于发射宽频射频或者微波信号，读取宽频或者微波信号，所述信号读取单元采用网络分析仪或类似仪器和装置，包括信号放大电路24、测控电路25、记录存储电路26和一加电端口23；

所述物理参量单元通过信号传输单元与信号读取单元连接，其中，所述恶劣环境为温度大于150℃以上的高温环境；所述普通环境即我们生活的常温常压环境。

所述射频和微波谐振结构可包括集总参数的LC谐振电路和分布参数谐振器或者谐振腔。

如图1所示，本发明实施例还提供了上述恶劣环境物理参量的有线提取装置的提取方法，包括如下步骤：

首先，信号读取单元的射频或微波源13发射信号，经由信号传输单元12传输到恶劣环境中的谐振结构11，谐振结构11是单口负载，必然反射信号，反射信号经由信号传输单元12进入混频器14，同信号读取单元的射频或微波源13的发射信号一同进入信号放大电路单元15，然后进入信号转换/处理电路16，得到恶劣环境下的谐振结构11的回波信号，其中谐振结构11在不同物理参量时谐振频率会有相应变化，通过检测该变化，再由物理参量与谐振频率的映射关系可以完成恶劣环境下物理参量的提取，测量结果如图3、4所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.恶劣环境物理参量的有线提取装置，其特征在于，包括

处在恶劣环境下的物理参量敏感单元，具有射频或者微波谐振结构，用于将恶劣环境中的物理参量转换为射频或者微波信号谐振频率；

同时处在恶劣环境与普通环境中信号传输单元，具有宽频带特性，整个射频、微波频段信号均可在其上传输，用于将敏感单元获得的谐振频率信号传输给信号读取单元；

处在普通环境中的信号读取单元，具有射频或者微波源，用于发射宽频射频或者微波信号，读取射频或者微波信号；

所述物理参量单元通过信号传输单元与信号读取单元连接，其中，所述恶劣环境为温度大于150℃以上的高温环境；所述普通环境即我们生活的常温常压环境。

2.如权利要求1所述的恶劣环境物理参量的有线提取装置，其特征在于，所述射频和微波谐振结构均包括集总参数的LC谐振电路和分布参数谐振器或者谐振腔。

3.如权利要求1所述的恶劣环境物理参量的有线提取装置，其特征在于，所述微波谐振结构为金属谐振腔、介质谐振器、平面谐振器及其他非传输线型谐振器。

4.如权利要求1所述的恶劣环境物理参量的有线提取装置，其特征在于，所述信号传输单元为同轴线、波导或其他类型微波传输线。

5.如权利要求1所述的恶劣环境物理参量的有线提取装置，其特征在于，所述信号读取单元采用网络分析仪或类似仪器和装置。

6.如权利要求1所述的恶劣环境物理参量的有线提取装置的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、信号读取单元的射频或微波源发射信号，经由信号传输单元传输到恶劣环境中的物理参量敏感单元的谐振结构；

S2、物理参量敏感单元的谐振结构反射信号，反射信号经由信号传输单元进入混频器，同信号读取单元的射频或微波源的发射信号一同进入信号放大电路单元，然后进入信号转换/处理电路，得到恶劣环境下的谐振结构的回波信号，进入储存电路进行储存；

S3、通过检测物理参量敏感单元在不同物理参量时的谐振频率，由物理参量与谐振频率的映射关系完成恶劣环境下物理参量的提取。