【摘 要】
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针对高旋、高压、高温及动态等恶劣环境下航空发动机、重型燃气轮机、火箭发动机等动力设备的主要部件处需要实时监测的需求,提出了能够在超高温环境下进行实时温度测量的无线无源传感器及其后端测量系统电路。基于微波散射原理的无线无源高温传感系统包括高温传感器和问询天线两部分。设计的高温传感器采用基片集成波导(SIW)和互补开口谐振环(CSRR)结构,属于谐振腔式传感器,谐振腔内部填充耐高温陶瓷介质材料。将CS
【基金项目】
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国家自然科学基金(NO.51875534)
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针对高旋、高压、高温及动态等恶劣环境下航空发动机、重型燃气轮机、火箭发动机等动力设备的主要部件处需要实时监测的需求,提出了能够在超高温环境下进行实时温度测量的无线无源传感器及其后端测量系统电路。基于微波散射原理的无线无源高温传感系统包括高温传感器和问询天线两部分。设计的高温传感器采用基片集成波导(SIW)和互补开口谐振环(CSRR)结构,属于谐振腔式传感器,谐振腔内部填充耐高温陶瓷介质材料。将CSRR结构与SIW谐振腔结合的设计,减小了高温传感器的结构尺寸,提高了高温传感器品质因数(Q)和对金属环境的抗干扰能力。高温传感器通过CSRR结构将问询天线发出的扫频信号耦合到SIW谐振腔内部,传感器谐振频率处的信号在谐振腔内形成了驻波,而除此之外的信号被反射回问询天线。通过问询天线的回波信号,分析得到传感器的谐振频率。介质基底的介电常数会因外界环境温度发生变化而波动,传感器的谐振频率也会随着发生变化,从而可以建立起温度与谐振频率的函数关系。本论文设计的高温传感器,分别为CSRR-SICW高温传感器和改进型CSRR-SIW高温传感器。前者在传统CSRR结构的基础上,对CSRR结构的内、外谐振环缝隙大小进行不同尺寸的改进,实验得到:50℃-450℃和450℃-1000℃内,传感器的温度灵敏度分别为123k Hz/℃和417k Hz/℃,在不同温度范围内呈线性变化。较之前所报道的高温传感器,高温阶段的温度灵敏度大约提高了3倍。后者通过折叠CSRR结构的外谐振环,使得在其相同尺寸下,可以显著提高传感器的灵敏度,在50℃-1000℃温度变化范围内,改进型CSRR-SIW高温传感器的平均温度灵敏度为244.7KHz/℃,在整个温度范围内均呈线性变化。通过搭建电路测量系统,实现对高温传感器谐振频率的提取。电路测量系统包括信号源模块、传输通道转换模块、功率检波模块、信号采集模块以及控制模块五部分。通过高温测试,结果表明,本文设计的测量系统成本更低且测试相对误差小于1%。电路测量系统给现场测试提供了一种便携式测量的技术方案。
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