CN105509924B - 一种非接触式超高温环境下温度参数提取方法 - 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方法，通过处于高温环境中的无源谐振器的谐振，推导得到处于高温环境中谐振器的相对介电常数变化，从而根据谐振器的相对介电常数对应的温度值得到高温环境的温度值，适用于1000℃以上的高温环境，测温范围较高，器件使用寿命长。

Description

一种非接触式超高温环境下温度参数提取方法
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方法。
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。
目前，国内尚无可实现测量1000℃以上的超高温环境温度的方法。
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方法，通过处于高温环境中的无源谐振器的谐振，推导得到处于高温环境中谐振器的相对介电常数变化，从而根据谐振器的相对介电常数对应的温度值得到高温环境的温度值，适用于1000℃以上的高温环境，测温范围较高，器件使用寿命长。
本发明的非接触式超高温环境下温度参数提取方法，包括如下步骤：
1)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；
2)利用关系(1)得到不同fr对应的谐振器中介质材料的有效介电常数ξeff；利用公式(2)得到介质材料的相对介电常数ξr，推导fr与所选的介质材料的相对介电常数ξr的对应关系；
c0为真空中的光速，Leff为谐振器的有效长度，ξeff为介质材料的有效介电常数；ξr为介质材料的相对介电常数，h为介质层厚度，W为谐振器的宽度；
2)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，经测试得到介电常数ξr在不同温度环境下的关系如表所示：
进一步地，所述谐振器采用矩形介质谐振与发射天线复合结构，包括参考地和安装在参考地上的喇叭形辐射源和介质层；介质层的相对介电常数ξr随温度变化，并表现不同的谐振频率fr。
工作时，接收与处理单元通过宽带接收天线向谐振器发射一组宽带信号，作为谐振器的矩形介质谐振与天线复合结构接收到该信号，其复合结构表现出谐振现象，喇叭形辐射源将反射的谐振频率信息fr反向传输到接收与处理单元，接收与处理单元测试到谐振频率的fr信息，根据理论分析可知，随着不同温度下介质层的相对介电常数ξr的变化，测试到的谐振频率fr也会随之相应的改变，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；根据表中的对应关系得到高温环境的温度值。
本发明提出的温度参数提取方法，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；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测量方式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方式皆为无源非接触式提取方式，更便于采用特制的耐高温材料，以达到提取温度参数工作的稳定性、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方法具有如下有益效果：
(1)微波方案测试温度参数精度高：本方法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)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，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；
(3)无源非接触式提取温度参数的方法环境适应性强：本发明提出的温度参数敏感方法，通过无源谐振方式实现，克服了有源敏感电路在超高温环境中失效限制，提高其环境适应能力，可适用于高于1000℃的高温环境下的温度提取。
具体实施方式
实施例1
本实施例的非接触式超高温环境下温度参数提取方法，包括如下步骤：
1)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；
2)利用关系(1)得到不同fr对应的谐振器中介质材料的有效介电常数ξeff；利用公式(2)得到介质材料的相对介电常数ξr，推导fr与所选的介质材料的相对介电常数ξr的对应关系；
c0为真空中的光速，Leff为谐振器的有效长度，ξeff为介质材料的有效介电常数；ξr为介质材料的相对介电常数，h为介质层厚度，W为谐振器的宽度；
3)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，经测试得到介电常数ξr在不同温度环境下的关系如表1所示：
所述谐振器采用矩形介质谐振与发射天线复合结构，包括参考地和安装在参考地上的喇叭形辐射源和介质层；介质层的相对介电常数ξr随温度变化，并表现不同的谐振频率fr。
工作时，接收与处理单元通过宽带接收天线向谐振器发射一组宽带信号，作为谐振器的矩形介质谐振与天线复合结构接收到该信号，其复合结构表现出谐振现象，喇叭形辐射源将反射的谐振频率信息fr反向传输到接收与处理单元，接收与处理单元测试到谐振频率的fr信息，根据理论分析可知，随着不同温度下介质层7的相对介电常数ξr的变化，接收到的谐振频率fr也会随之相应的改变，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；根据表1中的对应关系得到高温环境的温度值。

Claims (2)

1.一种非接触式超高温环境下温度参数提取方法，其特征在于，
包括如下步骤：
1)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；
2)利用关系(1)得到不同fr对应的谐振器中介质材料的有效介电常数ξeff；利用公式(2)得到介质材料的相对介电常数ξr，推导fr与所选的介质材料的相对介电常数ξr的对应关系；
c0为真空中的光速，Leff为谐振器的有效长度，ξeff为介质材料的有效介电常数；ξr为介质材料的相对介电常数，h为介质层厚度，W为谐振器的宽度；
3)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时，其介电常数ξr与不同环境温度的关系如下表所示：
2.根据权利要求1的非接触式超高温环境下温度参数提取方法，其特征在于：所述谐振器采用矩形介质谐振与发射天线复合结构，包括参考地和安装在参考地上的喇叭形辐射源和介质层；介质层的相对介电常数ξr随温度变化，并表现不同的谐振频率fr。
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