CN105784725A - 恶劣环境化学参量提取装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恶劣环境化学参量提取装置及方法，该装置包括处在恶劣环境下的化学参量敏感单元，具有射频或者微波微带天线结构，用于将恶劣环境中的化学参量转换为射频或者微波信号谐振频率；处在普通环境中的信号读取单元，包括发射天线、信号放大电路、测控电路、记录存储电路和一加电端口，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；所述信号读取单元通过微波无线通讯读取处在恶劣环境中的化学参量敏感单元的信号。本发明彻底摒弃了LC谐振式无线无源化学传感器因品质因数Q低导致的传输距离短、高温无信号问题，能有效的实现高温的化学参量传感。
Description
技术领域
本发明涉及高温传感领域，涉及射频、微波高温环境化学参量传感器件，具体涉及一种恶劣环境化学参量提取装置及方法。
背景技术
高温环境测试技术是监控、探测及维护发动机系统、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。发动机是燃烧高能燃料并将其转换为工作动力的装置，发动机内燃料燃烧行为紧密关联动力设备工作能力、时间和效率。实时、准确获取发动机内化学参量是实现系统状态监控和预测依据之一，也是提高燃料燃烧效率和研究燃烧机理的必然前提。然而，发动机内部工作时温度极高，一般在500℃以上，有些场合甚至高达2000℃。因此，迫切需要仪器与测试技术行业提供相应的耐高温的化学参量提取方法与装置。
在高温环境中，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能力、电源更换及维护将是一件极为艰难的任务。因此目前在高温等恶劣环境中多采用无线无源传感技术。目前无线无源传感技术已在恶劣环境的物理参数(如温度和压力)探测方面有较多的研究，如采用基于LC谐振互感耦合的无线无源耐高温传感器探测压力，据报道已经具有800℃的工作能力(ZhangH，HongY，LiangT，ZhangH，TanQ，XueC，LiuJ，ZhangW，XiongJ.PhaseInterrogationUsedforaWirelessPassivePressureSensorinan800℃High-TemperatureEnvironment.Sensors，2015，15(2)：2548-2564.)；而基于微波散射理论的无线无源温度传感器已经有1050℃的研究成果报道(ChengH，EbadiS，RenX，GongX.Wirelesspassivehigh-temperaturesensorbasedonmultifunctionalreflectivepatchantennaupto1050degreescentigrade.SensorsandActuatorsA：Physical，2015，222：204-211.)，也有基于声表面波的无线无源物理参量传感系统报道。在化学参量传感方面，有研究者开发了基于LC谐振的无线无源的耐高温化学传感器，但LC谐振式无线无源传感器品质因数Q低，其存在传输距离短、高温无信号问题，无法实现高温下的化学参量传感，因此本发明提出基于微波散射的恶劣环境化学参量提取方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种恶劣环境化学参量提取装置及方法，以避免LC谐振式无线无源传感器品质因数Q低、传输距离短、高温无信号问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
恶劣环境化学参量提取装置，包括
处在恶劣环境下的化学参量敏感单元，具有射频或者微波微带天线结构，用于将恶劣环境中的化学参量转换为射频或者微波信号谐振频率；
处在普通环境中的信号读取单元，包括发射天线、信号放大电路、测控电路、记录存储电路和一加电端口，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；
所述信号读取单元通过微波无线通讯读取处在恶劣环境中的化学参量敏感单元的信号；
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；所述化学参量包括二氧化碳、氮氧化物等燃烧尾气化合物类型和浓度。
其中，所述射频或者微波微带天线结构包括从下往上依次连接的高电导金属薄片、高介电常数层、敏感层和贴片层。
其中，所述敏感层采用金属氧化物或者金属氧化物的混合物，或者金属氧化物和非金属氧化物材料的混合物。
其中，所述贴片层采用金属材质。
上述一种恶劣环境化学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，经由发射/接收天线无线传输到恶劣环境中的化学参量敏感单元的微带天线结构；
S2、化学参量敏感单元的射频或者微波微带天线结构反射信号，反射信号经发射/接收天线和信号读取单元的射频或微波源的发射信号一同进入混频器，在传入信号放大电路单元，然后进入信号转换/处理电路，输出恶劣环境下的射频或者微波微带天线结构的回波信号，所得微波信号进入储存电路进行储存；
S3、通过检测化学参量敏感单元在不同化学参量时的谐振频率，然后根据化学参量与谐振频率的映射关系完成恶劣环境下化学参量的提取。
本发明具有以下有益效果：
彻底摒弃了LC谐振式无线无源化学传感器因品质因数Q低导致的传输距离短、高温无信号问题，能有效的实现高温的化学参量传感。
附图说明
图1本发明实施例恶劣环境化学参量提取装置的工作原理图。
图2为本发明实施例恶劣环境化学参量提取装置的结构示意图。
图3为本发明实施例中射频或者微波微带天线结构的结构示意图。
图中，11-恶劣环境中的微带天线结构、12-射频或者微波源、13-混频器、14-信号放大电路、15-信号转换/处理电路、16-信号存储电路、17-示波电路、18-电桥、111-贴片层、112-敏感层、113-高介电常数层、114-高电导金属薄片、22-为信号传输单元、23-加电端口、24-信号放大电路、25-测控电路、26-记录存储电路。
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1-图2所示，本发明实施例提供了一种恶劣环境化学参量提取装置，包括
处在恶劣环境下的化学参量敏感单元，具有射频或者微波微带天线结构11，用于将恶劣环境中的化学参量转换为射频或者微波信号谐振频率；如图3所述，所述射频或者微波微带天线结构11由4层构成：最底下层为高电导金属薄片114，称为接地片；在接地片上是高介电常数层113，称之为基底，基底在接地片和敏感层中间；在基底上附有一层敏感层112，用于敏感化学参量，敏感层112在基底和贴片层中间；最上面层也就是敏感层的上层是贴片层111，金属材质。所述敏感层112是金属氧化物或者金属氧化物的混合物，或者金属氧化物和非金属氧化物材料的混合物。
处在普通环境中的信号读取单元，包括发射/接收天线、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，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；
所述信号读取单元通过微波无线通讯读取处在恶劣环境中的化学参量敏感单元的信号；
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；所述化学参量包括二氧化碳、氮氧化物等燃烧尾气化合物类型和浓度。
本发明实施例还提供了一种恶劣环境化学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，经由发射/接收天线无线传输到恶劣环境中的化学参量敏感单元的微带天线结构；
S2、化学参量敏感单元的射频或者微波微带天线结构11反射信号，反射信号经发射/接收天线和信号读取单元的射频或微波源的发射信号一同进入混频器13，再一同进入信号放大电路单元14，然后进入信号转换/处理电路15，输出恶劣环境下的射频或者微波微带天线结构的回波信号，所得微波信号进入储存电路16进行储存；
S3、通过检测化学参量敏感单元在不同化学参量时的谐振频率，然后根据化学参量与谐振频率的映射关系完成恶劣环境下化学参量的提取。
其中，示波电路通过数据传输线与信号转换/处理模块连接，电桥通过微波传输线与射频或者微波源连接，并通过微波传输线同发射/接收天线连接。
本具体实施的工作原理为：信号读取单元的射频或微波源12发射信号，经由发射/接收天线传输到恶劣环境中的微带天线结构11，微带天线结构11必然反射信号，反射信号经由发射/接收天线接收进入混频器13，同信号读取单元的射频或微波源12的发射信号也进入混频器13，然后一同进入信号放大电路单元14，然后进入信号转换/处理电路15，得到恶劣环境下的微带天线结构11的回波信号，其中微带天线结构11在不同化学参量时，化学敏感层与化学参量会发生相互反应，导致介电常数和电导发生变化，从而导致整个敏感单元的中心工作频率发生改变，进而其反射特性相应变化，通过检测该变化，再由物理参量与反射特性的映射关系可以完成恶劣环境下化学参量的提取。
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 (5)
1.恶劣环境化学参量提取装置，其特征在于，包括
处在恶劣环境下的化学参量敏感单元，具有射频或者微波微带天线结构，用于将恶劣环境中的化学参量转换为射频或者微波信号谐振频率；
处在普通环境中的信号读取单元，包括发射天线、信号放大电路、测控电路、记录存储电路和一加电端口，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；
所述信号读取单元通过微波无线通讯读取处在恶劣环境中的化学参量敏感单元的信号；
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；所述化学参量包括二氧化碳、氮氧化物等燃烧尾气化合物类型和浓度。
2.根据权利要求1所述的恶劣环境化学参量提取装置，其特征在于，所述射频或者微波微带天线结构包括从下往上依次连接的高电导金属薄片、高介电常数层、敏感层和贴片层。
3.根据权利要求2所述的恶劣环境化学参量提取装置，其特征在于，所述敏感层采用金属氧化物或者金属氧化物的混合物，或者金属氧化物和非金属氧化物材料的混合物。
4.根据权利要求1所述的恶劣环境化学参量提取装置，其特征在于，所述贴片层采用金属材质。
5.一种恶劣环境化学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，经由发射/接收天线无线传输到恶劣环境中的化学参量敏感单元的微带天线结构；
S2、化学参量敏感单元的射频或者微波微带天线结构反射信号，反射信号经发射/接收天线和信号读取单元的射频或微波源的发射信号一同进入混频器，在传入信号放大电路单元，然后进入信号转换/处理电路，输出恶劣环境下的射频或者微波微带天线结构的回波信号，所得微波信号进入储存电路进行储存；
S3、通过检测化学参量敏感单元在不同化学参量时的谐振频率，然后根据化学参量与谐振频率的映射关系完成恶劣环境下化学参量的提取。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20160720 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |