CN111879958A - 一种高频响无源lc转速传感器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频响无源LC转速传感器及其测试方法，该传感器包括转速敏感单元、天线以及特征信号处理电路，所述转速敏感单元为无源LC结构，用于感知待测转速参量；所述天线为单圈螺旋电感，由铜丝制备；所述特征信号处理电路包括信号源模块、特征检波模块、数据采集模块以及PC机，其中，信号源模块、特征检波模块与数据采集模块通过定向耦合器连接；测试时，位于高旋部件表面的LC敏感单元与读取天线的相对位置发生周期变化，二者产生正对耦合、部分耦合、无耦合三种周期变化的耦合形式，通过提取相邻波谷时隙即可实现转速的无线测量。本发明的传感器具有质量薄、耐高温、高频响等特点，可实现转速参数的无线测量。
Description
技术领域
本发明涉及转速传感器领域，具体涉及一种高频响无源LC转速传感器及其测试方法。
背景技术
高温环境下转速测量是检测航空发动机、超高速涡轮泵等设备是否正常、安全运行的关键参数之一。高温旋转关键部件的转速等工作状态参数信息实时、原位获取一直是困扰恶劣环境下转速器件性能提升的技术难题。一方面，现有的转速传感器机械结构复杂，制作难度较大，另一方面，连接信号传输线和供电电源的使用限制了传感器的适用温度，这些特点使传感器在高温等恶劣环境中的应用受限。因此，亟需发明一种全新的高频响无源LC转速传感器以实现极端环境下转速参数的动态精准测量。
发明内容
本发明提供了一种高频响无源LC转速传感器及其测试方法，以实现对高温环境下转速的动态精准测量。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高频响无源LC转速传感器，包括：
处于高温高旋部件上的转速敏感单元，等效为串联LC回路，用于感知待测转速参量；
处于常温环境的天线，位置固定不动，通过信号调理电路提供单音频率交流电，与转速敏感单元实现能量与信号的互换；
处于常温环境的特征信号处理电路，包括信号源模块、特征检波模块、数据采集模块以及PC机，其中，信号源模块、特征检波模块与数据采集模块通过定向耦合器连接，信号源模块输出单音频率，激励读取天线产生磁场；特征检波模块实现天线端输出信号的解调；数据采集模块通过上位机控制软件实现数据的采集并存储于PC机上。
进一步地，转速敏感单元包含4层薄膜，分别为绝缘层、导电层与介质层，由磁控溅射工艺制备而成，厚度≤200um，不会使测试部件产生负重感，使其能够正常运行。所述导电层由两层薄膜组成，所用材料为耐高温金属铂，绝缘层、介质层所用材料为耐高温绝缘氧化铝，且介质层置于两层薄膜的中间。所述天线为单线圈方形螺旋电感，依靠单音频率信号源产生磁场，为转速敏感单元提供能量。
进一步地，由方形螺旋电感与平行电容板串联组成的LC转速敏感单元通过溅射工艺置于高旋部件表面，由方形铜丝组成的天线固定于隔热炉门外侧，与高旋部件的水平距离为5mm，高频响无源LC转速传感器进行转速测量时：表面置有LC转速敏感单元的高旋部件周期旋转时，敏感单元与读取天线的相对位置发生周期变化，二者产生正对耦合、部分耦合、无耦合三种周期变化的耦合形式，导致敏感单元与天线的耦合系数发生变化，进而导致敏感单元的阻抗发生变化，此变化通过电感与天线的互感耦合传输至特征检波模块并转换为电压信号，并通过数据采集模块将电压信号实时存储在PC机上，且敏感单元与天线正对耦合时，即二者处于正对位置，输出电压幅值达到最小值，因此，提取相邻输出电压波谷时隙即可实现转速的无线测量。
本发明还提供了上述高频响无源LC转速传感器中转速敏感单元的制备工艺，包括如下步骤：
a.利用超声波清洗待溅射部件，并使用无尘纸遮盖叶片，仅留下待溅射的部分；
b.将预处理完成后的部件置于磁控溅射室内的样品底座上，Al靶材(99.999％)置于靶源处，启动电源，调节参数至：溅射真空度优于6.6×10-5Pa，溅射功率为90W，溅射气压为1Pa，Ar∶O2＝30∶1，溅射时间为15min，开始溅射；
c.溅射结束后，关闭气体和流量计，取出部件，将溅射室抽至真空，关闭所有阀门及电源，绝缘Al2O3基底薄膜的制备完成；
d.清洁溅射有氧化铝基底薄膜的部件，利用无尘纸使电容下极板的形状显现在Al2O3基底上；
e.将待溅射部件与Pt靶材(99.999％)分别置于溅射室内的样品旋转台上与靶源安装处，并使得部件溅射有氧化铝基底薄膜的一侧朝上，启动溅射电源与样品旋转台，在溅射室真空度低于2*10-4Pa，溅射功率为266.8W，溅射室工作气压为3Pa的条件下进行溅射，经氩离子轰击出的Pt粒子沉积在电容下极板图形处，当金属铂层的厚度达到10um时，关闭电源，停止溅射；
f.按照步骤a-c的工艺与参数在电容下极板表面溅射一层氧化铝介质层，避免电容两个极板直接连接；
g.在氧化铝介质层表面，参考电容下极板的制备过程(即步骤d-e的工艺与参数)制备电容上极板与电感线圈薄膜，需要注意的是，此过程中无尘纸镂空部分为方形螺旋电感和与之内端相连的电容上极板；
h.为了实现导电层的串联，依据d-e步骤的工艺与参数在介质层的侧面溅射Pt薄膜，使电容下极板与电感外端相连。
本发明具有以下有益效果：
选用耐高温金属导电铂和绝缘Al2O3为传感器制备材料，磁控溅射工艺为制备方法，具有敏感单元质量轻、耐高温等优点，使测量器件能够无负担地正常工作。
无线非接触互感耦合测量原理避免了引线使用，减小了对测量器件的影响，降低了对测量器件的损耗，提高了传感器的应用范围。
高响应速度的信号调理电路能够实现高速交变载荷信号的解调，可以准确、稳定、快速实现转速的动态测量。
附图说明
图1为本发明实施例一种高频响无源LC转速传感器的测试原理图。
图2为本发明实施例一种高频响无源LC转速传感器中LC敏感单元的结构示意图。
图3为为转速一定(为60r/min)，温度不同的读取天线端电压幅值随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图2所示，本发明实施例提供了一种高频响无源LC转速传感器，包括：
处于高温高旋部件上的转速敏感单元，等效为串联LC回路，用于感知待测转速参量；该转速敏感单元包含4层薄膜，分别为绝缘层、导电层(两层薄膜)与介质层，由磁控溅射工艺制备而成，厚度≤200um，不会使测试部件产生负重感，使其能够正常运行；所述导电层所用材料为耐高温金属铂，绝缘层、介质层所用材料为耐高温绝缘氧化铝，其中，介质层位于导电层中间；
处于常温环境的天线，位置固定不动，通过信号调理电路提供单音频率交流电，与转速敏感单元实现能量与信号的互换；该天线为单线圈螺旋电感，依靠单音频率信号源产生磁场，为转速敏感单元提供能量
处于常温环境的特征信号处理电路，包括信号源模块、特征检波模块、数据采集模块以及PC机，其中，信号源模块输出单音频率，激励读取天线产生磁场；特征检波模块实现天线端输出信号的解调；数据采集模块通过上位机控制软件实现数据的采集并存储于PC机上。
本实施例中，由方形螺旋电感与平行电容板串联组成的LC转速敏感单元通过溅射工艺置于高旋部件表面，由方形铜丝组成的天线固定于隔热炉门外侧，与高旋部件的水平距离为5mm。
如图1所示，本发明实施例的一种高频响无源LC转速传感器进行转速测试时，所述信号源为天线提供单音频率，激励其产生磁场，为LC敏感单元提供能量，位于高温旋转部件表面的LC敏感单元接收能量开始工作。随着旋转部件的转动，敏感单元与读取天线的相对位置不断变化，当二者处于正对位置时，它们的互感系数M达到最大值，读取天线端输出阻抗达到最小值，该值通过互感耦合传输至特征检波模块并转换成电压信号，通过上位机软件控制的数据采集模块实现电压信号的采集与存储，此时，电压信号幅值出现一个谐振峰(表现为波谷)，且该电压信号随着旋转部件的旋转呈周期变化，因此，提取相邻电压波谷时隙即可实现对转速的无线测量。
本发明实施例还提供了上述一种高频响无源LC转速传感器中转速敏感单元的制备工艺，包括如下步骤：
S1、绝缘氧化铝基底的制备
a.利用超声波清洗待溅射部件(如：旋转叶片)，并使用无尘纸遮盖叶片，仅留下待溅射的部分；
b.将预处理完成后的部件置于磁控溅射室内的样品底座上，Al靶材(99.999％)置于靶源处，启动电源，调节参数至：溅射真空度优于6.6×10-5Pa，溅射功率为90W，溅射气压为1Pa，Ar∶O2＝30∶1，溅射时间为15min，开始溅射；
c.溅射结束后，关闭气体和流量计，取出部件，将溅射室抽至真空，关闭所有阀门及电源，绝缘Al2O3基底薄膜的制备完成；
S2导电层的制备
a.清洁溅射有氧化铝基底薄膜的部件，利用无尘纸使电容下极板的形状显现在Al2O3基底上；
b.将待溅射部件与Pt靶材(99.999％)分别放入溅射室内的样品旋转台与靶源安装处，其中溅射有氧化铝基底薄膜的一侧朝上，启动溅射电源与样品旋转台，在溅射室真空度低于2*10-4Pa，溅射功率为266.8W，溅射室工作气压为3Pa的条件下进行溅射；
c.经氩离子轰击出的Pt粒子沉积在电容下极板图形处，当金属Pt层的厚度达到10um时，关闭电源，停止溅射；
d.按照a-c步骤的工艺与参数溅射电容上极板与电感线圈薄膜，须注意的是，为避免两个电容极板直接接触而短路，在进行这一步之前，需溅射一层氧化铝介质层；
e.在介质层侧面依据电容下极板的制备原料、制备步骤与工艺参数溅射Pt薄膜，实现电容下极板与电感外端的连接；
S3、氧化铝介质层的制备
按照S1步骤的原料、工艺与参数进行制备即可。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种高频响无源LC转速传感器，其特征在于，包括：
处于高温高旋部件上的转速敏感单元，等效为串联LC回路，用于感知待测转速参量；
处于常温环境的天线，位置固定不动，通过信号调理电路提供单音频率交流电，与转速敏感单元实现能量与信号的互换；
处于常温环境的特征信号处理电路，包括信号源模块、特征检波模块、数据采集模块以及PC机，其中，信号源模块输出单音频率，激励读取天线产生磁场；特征检波模块实现天线端输出信号的解调；数据采集模块通过上位机控制软件实现数据的采集并存储于PC机上。
2.如权利要求1所述的一种高频响无源LC转速传感器，其特征在于，转速敏感单元包含4层薄膜，分别为绝缘层、导电层与介质层，由磁控溅射工艺制备而成，厚度≤200um，其中，导电层包含两层薄膜，介质层置于两层薄膜的中间。
3.如权利要求2所述的一种高频响无源LC转速传感器，其特征在于，所述转速敏感单元的导电层所用材料为耐高温金属铂，绝缘层、介质层所用材料为耐高温绝缘氧化铝。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种高频响无源LC转速传感器，其特征在于，所述转速敏感单元通过以下步骤制备：
a.利用超声波清洗待溅射部件，并使用无尘纸遮盖叶片，仅留下待溅射的部分；
b.将预处理完成后的部件置于磁控溅射室内的样品底座上，Al靶材置于靶源处，启动电源，调节参数至：溅射真空度优于6.6×10-5Pa，溅射功率为90W，溅射气压为1Pa，Ar∶O2＝30∶1，溅射时间为15min，开始溅射；
c.溅射结束后，关闭气体和流量计，取出部件，将溅射室抽至真空，关闭所有阀门及电源，绝缘Al2O3基底薄膜的制备完成；
d.清洁溅射有氧化铝基底薄膜的部件，利用无尘纸使电容下极板的形状显现在Al2O3基底上；
e.将待溅射部件与Pt靶材分别置于溅射室内的样品旋转台上与靶源安装处，并使得部件溅射有氧化铝基底薄膜的一侧朝上，启动溅射电源与样品旋转台，在溅射室真空度低于2*10-4Pa，溅射功率为266.8W，溅射室工作气压为3Pa的条件下进行溅射，经氩离子轰击出的Pt粒子沉积在电容下极板图形处，当金属铂层的厚度达到10um时，关闭电源，停止溅射；
f.按照步骤a-c的工艺与参数在电容下极板表面溅射一层氧化铝介质层，避免电容两个极板直接连接；
g.在氧化铝介质层表面，参考电容下极板的制备过程制备电容上极板与电感线圈薄膜，需要注意的是，此过程中无尘纸镂空部分为方形螺旋电感和与之内端相连的电容上极板；
h.为了实现导电层的串联，依据d-e步骤的工艺与参数在介质层的侧面溅射Pt薄膜，使电容下极板与电感外端相连，至此，LC转速敏感单元制备完成。
5.如权利要求1所述的一种高频响无源LC转速传感器的测试方法，其特征在于，由方形螺旋电感与平行电容板串联组成的LC转速敏感单元通过溅射工艺置于高旋部件表面，由方形铜丝组成的天线固定于隔热炉门外侧，与高旋部件的水平距离为5mm，当位于高温炉内的高旋部件周期旋转时，敏感单元与读取天线的相对位置发生周期变化，二者产生正对耦合、部分耦合、无耦合三种周期变化的耦合形式，导致LC敏感单元与天线的耦合系数发生变化，进而导致敏感单元的阻抗发生变化，此变化通过方形电感与天线的互感耦合传输至特征检波模块并转换为电压信号，并通过数据采集模块将电压信号实时存储在PC机上，提取相邻输出电压波谷时隙即可实现转速的无线测量。
6.如权利要求5所述的一种高频响无源LC转速传感器的测试方法，其特征在于，LC转速敏感单元与天线正对耦合时，即二者处于正对位置，输出电压幅值达到最小值。
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