[發明專利]基于微波散射原理的溫度壓力雙參數傳感器及制備方法

在審

• 申請號: 201710465116.6
• 申請日: 2017-06-19
• 公開（公告）號: CN107402031A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 譚秋林;熊繼軍;郭彥杰;伍國柱;董和磊;張文棟;張磊;逯斐
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01D5/48
• 分類號: G01D5/48;G01K11/00;G01L1/25;H01P3/12;H01Q13/18
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙)14110
• 代理人: 任林芳

技術領域

本發明涉及高溫傳感領域，具體為一種應用于高溫環境下(>800^oC)的基于微波散射信號讀取技術的基片集成波導結構的無源溫度/壓力雙參數傳感器及其制備方法。

背景技術

航空發動機以及工業燃氣渦輪機的開發、設計評估和性能監控是影響航空航天工業發展的重要因素，其中發動機效率和輸出功率是影響航空發動機性能的最重要參數。發動機燃燒室燃燒溫度和發動機壓力比兩個參數是決定發動機效率和輸出功率的重要因素。發動機中最重要也是最熱的區域-燃燒室及高壓渦輪機，溫度最高能夠達到2000K。溫度直接影響發動機的工作效率和組件的使用周期。由于目前傳感器無法放在溫度最高的區域進行直接監測，其內部環境主要是通過外部測量，然后使用模型和假設進行推算收集得到。汽輪機零件和其他受熱部件價格昂貴，并且由于較大的機械負載和熱負荷，使用壽命短，但其正常工作對發動機可靠運行至關重要。溫度參數準確的獲取對于預測部件使用壽命和驗證設計的性能具有重大意義。其他氣動參數，比如作為動態和靜態壓力以及葉片間隙影響著發動機工作效率、 操作和健康狀況。其中動態壓力需要實時準確地測量，以確保發動機的機械完整性。

歐洲虛擬燃氣渦輪儀表研究所(European Virtual Institute for Gas Turbine Instrumentation, EVI GTI)確定了三個領域缺乏足夠的儀器測量能力，阻礙燃氣渦輪發動機發展或導致在設計方法和組件壽命預測的不確定性增加：超高溫環境下(>1000°C)氣體溫度、壓力的測量；發動機內部溫度最高區域部件溫度的測量；超高溫區域的部件振動測量。EVI GTI也確定了當前阻礙發動機發展的傳感器技術方面的不足之處：目前傳感器無法應用于超高溫部件上或者無法滿足規定時間內的測試需求；現有傳感器無法滿足燃氣渦輪機內高溫部件上長時間監測；現有傳感器在燃氣渦輪機內高溫部件上測量結果準確度不夠。

目前無線無源傳感技術主要包含近場耦合的電容-電感(LC)傳感器技術、聲表面波(acoustic surface wave，SAW)傳感技術，和微波反向散射（RF Backscattering）信號讀取技術。采用近場磁耦合技術的電容-電感(LC)諧振式傳感器具有結構簡單、測試魯棒性高，但是存在品質因子相對較低、讀取距離近、不能貼附金屬表面等缺點；聲表面波傳感器所用硅酸鎵鑭(LGS)基板在高溫下存在相變和化學不穩定性，測試信號容易受環境干擾、LGS基板在射頻頻段有明顯的聲損耗，導致其工作頻率難以達到1GHz以上，從而導致所需天線體積龐大等。

相比之下，微波反向散射信號讀取技術由于具有可穿透性，受環境干擾小，抗低頻干擾等特性，將其與高Q值微波器件結合，在高溫惡劣環境下仍能進行正常信號讀取，是一種面向發動機內部測試潛力巨大的技術。

發明內容

本發明為了解決現有傳感器在高溫、高壓等惡劣環境下溫度和壓力參數測量中存在的問題，提供了一種可以對高溫環境下的溫度和壓力參數進行準確測量的基于微波散射的溫度壓力雙參數傳感器。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種基于微波散射測量原理的溫度壓力雙參數傳感器，包括基片集成波導和設置在基片集成波導上的第一縫隙天線和第二縫隙天線；所述基片集成波導包括介質基片、上表面金屬層、下表面金屬層、多個第一金屬通孔、多個第二金屬通孔和圓形空腔；所述上表面金屬層和下表面金屬層分別設置在介質基片的上表面和下表面上，所述第一金屬通孔和所述第二金屬通孔設置在所述介質基片上并貫穿其上表面和下表面；所述空腔設置在所述介質基片內部，并位于所述多個第一金屬通孔圍成的區域內部；所述第一縫隙天線位于基片集成波導表面上，并設置在多個所述第一金屬通孔圍成的區域內，所述第二縫隙天線位于基片集成波導表面上，并設置在多個所述第二金屬通孔圍成的區域內；所述介質基片、上表面金屬層、下表面金屬層、多個第一金屬通孔、空腔和第一縫隙天線形成壓力參數測量部分；所述介質基片、上表面金屬層、下表面金屬層、多個第二金屬通孔、和第二縫隙天線形成溫度參數測量部分。

所述上表面金屬層和下表面金屬層的材料為鉑，所述第一金屬通孔和第二金屬通孔內的填充材料為鉑。

所述多個第一金屬通孔均勻設置在與所述空腔共心的同一個圓周上，所述多個第二金屬通孔也均勻設置在另一個不相交的圓周上。

所述介質基片采用HTCC高溫共燒陶瓷材料制成。

本發明還提出了所述的一種基于微波散射測量原理的溫度壓力雙參數傳感器的制備方法，包括以下步驟：