一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器及其测试方法

本发明涉及传感器，具体涉及一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器及其测试方法。

背景技术：

1、针对航空航天、能源开发及运输等领域面临的高温、高压等恶劣环境，探索恶劣环境下温度、压力等参数的无源遥测方法尤为迫切，实现高温环境下温度、压力等参数的实时原位测量将对上述领域中的装备制造和测试、发动机设计、安全事故防护等提供有效的测试手段。

2、航天飞行器运行过程中往往伴随着高温、高旋等恶劣环境，尤其是高超音速飞行器表面、航空发动机以及燃气轮机等关键部位，局部温度甚至超过1500℃，因此，恶劣环境下温度、压力等参数的原位实时获取，对于航天飞行器的材料选型、结构设计以及防护措施等具有重要意义。例如，航天飞行器在高速运行时，表面蒙皮与大气层摩擦，产生大量热量，蒙皮表面的温度、气动载荷以及振动测试对于蒙皮结构设计以及防护措施至关重要；航空发动机燃烧室内的温度超过1000℃，工作压力超过1.2mpa,燃烧室内部温度以及压力参数的实时监测对材料选型以及失效分析具有重要意义；航天发动机涡轮叶片伴随着超高温、强气流以及剧烈振动的恶劣环境，极易受到损伤甚至产生裂纹，涡轮叶片的质量直接决定航天发动机的性能，因此对涡轮叶片温度、压力以及振动等各参数的实时原位监测对于航天发动机的安全运行尤为重要。

3、常规的传感器已经难以满足高温等恶劣环境下的温度、压力等参数的测试需求。目前高温环境下压力参数的测试主要依赖两种方法。一种是采用长引压管+低温压力传感器的方式来进行压力测量，该方法在长时间应用时会产生严重的局限性：一方面长引压管会带来高频信号失真，另一方面引压管传热使得这种系统只能工作几十到几百秒的时间，对于长时间飞行过程进行全程监控难以实现。另一种是采用外推、间接测量或者冷却的方式，存在无法原位准确获取、信号失真、系统复杂程度高等问题。

4、目前的无线微波传感器大多采用单一的贴片天线和缝隙天线进行信号的传输，存在传感器尺寸较大、集成度低等问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器及其测试方法，不仅体积小，而且可以利用一个频率点实现两个参数的提取，测量误差较小。

2、一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器，包括基底，所述基底底部设有空腔，所述空腔的正上方设有开口谐振环，所述开口谐振环与基底表面固定连接，所述开口谐振环上对称设有矩形贴片。

3、进一步地，所述基底的面积平面尺寸≤ 30 × 30 mm2，厚度≤ 0.3 mm，所述空腔的的尺寸为10 mm × 10 mm × 0.1 mm。

4、进一步地，所述开口谐振环的外径长度a为12 ~ 14 mm，外径宽度s为0.5 ~ 2.00mm。

5、进一步地，所述开口谐振环的环间距g为0.3 ~ 1.2 mm。

6、进一步地，所述贴片的宽度t为3 ~ 7 mm。

7、进一步地，所述基底采用耐高温htcc材料，所述开口谐振环的材料采用铂金浆料。

8、一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器的测试方法，包括读取设备，所述读取设备包括询问天线和网络分析仪，包括以下步骤：

9、s1：将传感器与读出设备上的询问天线耦合连接，所述询问天线与传感器上开口谐振环正对放置；

10、s2：网络分析仪发出扫频信号激励传感器工作，传感器发生谐振，将回波信号发射回询问天线端；

11、传感器的谐振频率可由公式（1）表示，

12、 （1）

13、其中，ls代表传感器等效电路中的电感，cs代表传感器等效电路中的电容；

14、由于反射波减少了谐振频率下的电磁能量，用输入回波损耗的对数形式显示反射波幅值和入射波幅值的比值关系来获取传感器信号的变化，反射系数如公式（2）所示，

15、 （2）

16、其中，zin代表读取等效电路中的阻抗；

17、回波损耗与反射系数的关系如公式（3）所示，

18、 （3）

19、s3：利用回波损耗曲线谐振强度的变化监测环境温度的变化，传感器的输入回波损耗强度主要由电路中等效电阻决定，即传感器的金属表面电阻，温度升高会导致等效电路的电阻增加，从而使输入阻抗变小，导致反射系数的模数增加，从而导致回波损耗的幅度减小，其原理如公式（4）所示，

20、 （4）

21、s4：利用回波损耗曲线谐振频率的变化监测环境压力的变化，传感器的谐振频率主要和等效电容有关，压力增大会引起等效电路中电容增加，导致传感器的谐振频率降低，其原理如公式（5）所示，

22、 。 （5）

23、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

24、1、本发明利用谐振强度的变化实现对温度信号的提取，利用谐振频率实现对压力信号的获取，以此利用一个频率点实现两个参数的提取；

25、2、本发明的传感器不仅体积小，并且测量误差较小，各参数测量精度准确。

技术特征：

1.一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器，包括基底（1），其特征在于：所述基底（1）底部设有空腔（2），所述空腔（2）的正上方设有开口谐振环（3），所述开口谐振环（3）与基底（1）表面固定连接，所述开口谐振环（3）上对称设有矩形贴片（4）。

2.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器，其特征在于：所述基底（1）的面积平面尺寸≤ 30 × 30 mm2, 厚度≤ 0.3 mm，所述空腔（2）的尺寸为10 mm × 10 mm × 0.1 mm。

3.根据权利要求2所述的基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器，其特征在于：所述开口谐振环（3）的外径长度a为12 ~ 14 mm，外径宽度s为0.5 ~ 2.00 mm。

4.根据权利要求3所述的基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器，其特征在于：所述开口谐振环（3）的环间距g为0.3 ~ 1.2 mm。

5.根据权利要求4所述的基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器，其特征在于：所述矩形贴片（4）的宽度t为3 ~ 7 mm。

6.根据权利要求5所述的基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器，其特征在于：所述基底（1）采用耐高温htcc材料，所述开口谐振环（3）的材料采用铂金浆料。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于开口谐振环的薄膜型高温温度-压力传感器的测试方法，其特征在于：包括读取设备，所述读取设备包括询问天线和网络分析仪，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度‑压力传感器及其测试方法，包括基底，所述基底底部设有空腔，所述空腔的正上方设有开口谐振环，所述开口谐振环与基底表面固定连接，所述开口谐振环上对称设有矩形贴片。本发明利用谐振强度的变化实现对温度信号的提取，利用谐振频率实现对压力信号的获取，以此利用一个频率点实现两个参数的提取，不仅体积小，而且测量误差较小。技术研发人员：寇海荣,杨立波,张小勇,史俊冰,尚珍珍,张梁,曹胜受保护的技术使用者：太原学院技术研发日：技术公布日：2024/9/17