基于諧振頻率測試的特殊環境物理參數提取裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于諧振頻率測試的特殊環境物理參數提取裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著國內裝備制造業的快速發展，許多特殊設備或特殊材料的加工制備及測試均 需要在特殊環境下（如高溫、高壓等）才能完成，部分關鍵組件長期處于特殊的環境中，需 要實時準確的監測其所處特殊環境的物理參數數據。這些特殊環境下物理參數的獲取，對 裝備制造業工藝水平和產品技術指標的提高有著至關重要的作用，但是，由于受到特殊環 境的限制，這些物理參數的獲取方法卻無法在直接完成，只能借助于其他方法間接得到。
[0003] 傳統的物理參數提取方法無法實現物理參數的原位實時測試，只能借助于其他間 接方法來得到，如理論模型推導或者間接測試反推，但是，由于模型誤差和反推測試的實時 性較差，傳統測試方法存在測試結果不準確、響應速度慢等問題。此外，特殊環境下的物理 參數測試，通常包含很強的多頻、非規則背景雜波。一般來說，背景雜波強度遠超過測試設 備本身接收的信號，或者說接收的信號信噪比非常差。從頻域看，背景雜波與測試設備接收 信號的頻譜分布重疊，在頻域范圍內，很難對背景雜波信號進行有效抑制或消除，需另尋其 它方法。因此，如何降低物理參數提取設備的設計難度與材料成本、提高物理參數提取設備 的應用環境與傳輸距離，并從伴有高強度背景雜波中穩定、可靠地檢測出物理參量是急需 解決的問題。
[0004] 如圖1所示，為一種利用傳統方法實現高溫環境下壓力參數測試的裝置，此方法 環境適應性、實時性與準確度都較差，需要通過壓力傳導裝置間接測試壓力信號，不能保證 準確實時的表征要測試的物理參數。其次，壓力敏感裝置采用了有源壓力傳感器敏感元件 進行壓力信號轉換，需要進行加電處理，而在這種特殊環境下對有源器件性能要求很高，現 有的器件不能適應極端特殊環境，加大了器部件材料選擇難度和成本。因此，此方法制約著 特殊環境下物理參數的實時原位的測試。
[0005] 高溫壓力傳感器的壓力傳感器敏感元件（1-6)安裝在底部，在其頂部設置有傳壓 結構（1-1)，外部設置有保護外殼（1-5)，保護外殼底部為加電端口（1-6)，保護外殼的前端 是依次由第一層隔熱結構（1-2)、中間為具有儲熱結構的熱沉體（1-3)與底部為第二隔熱 結構（1-4)組成。高溫環境下測試壓力時，傳壓結構（1-1)首先通過隔熱結構（1-2)與儲 熱結構的熱沉體（1-3)，減少熱量向底部的傳遞，然后再通過一層隔熱結構（1-4)減緩熱沉 體（1-3)溫度傳遞到底部的壓力傳感器敏感元件（1-6)，使傳感器在高溫環境下工作時間 加長；加電端口（1-7)的底部插針為壓力傳感器敏感元件（1-6)的供電引腳。壓力傳感器 敏感元件（1-6)將感受到的壓力信號轉換為電信號，然后進過信號放大電路（1-8)進行放 大，放大后的信號經過測量控制電路（1-9)進行處理計算，最后進入記錄存儲電路（1-10)， 完成高溫環境下的壓力參數測試。
[0006] 現有的物理參數提取方法，不能適用于某些特殊環境（如高溫、高壓等）下的物理 參數測試，例如超過300°C無有效壓力原位測試手段、超過KKKTC無長時間溫度參數原位 測試手段，當下主要依賴于外推、引壓等間接測試方法，存在結果不準確、動態響應不夠等 問題，無法實現特殊環境下物理參數的實時檢測和控制。特殊環境下的物理參數測試技術 已經成為制約裝備性能提升的"瓶頸"。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的就是為了解決上述問題，提供基于諧振頻率測試的特殊環境物理參 數提取裝置及方法，它具有利用微波諧振頻率法提取特殊環境下的物理參數，它具有物理 參數提取實時性強、準確度高的優點。
[0008] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0009] 基于諧振頻率測試的特殊環境物理參數提取裝置，包括：處在特殊環境下的發射 單元和處在普通環境下的接收單元；所述發射單元和接收單元之間通過發射天線和接收天 線通信；處在特殊環境下的發射單元內部設有無源的微波諧振結構；接收單元處于常溫常 壓，遠離了特殊環境；發射單元內部的微波諧振結構通過發射天線發射信號，接收單元的接 收天線接收信號，接收單元對接收信號進行處理后得到諧振頻率回波信號；
[0010] 微波諧振結構在不同的被測物理參數指標下，其諧振頻率回波信號的頻率會有相 應的改變，同被測物理參數呈單值一一對應關系，通過檢測諧振頻率回波信號的頻率，根據 諧振頻率與被測物理參數的對應關系，完成特殊環境下的物理參數的提取。
[0011] 所述微波諧振結構與發射天線連接；所述接收單元設有射頻源，所述射頻源發射 的信號，通過電橋分為兩路，其中一路信號與本振源的信號經由參考混頻器進行混頻，混頻 后的參考中頻信號IFjt為參考信號；
[0012] 另外一路信號發射到接收天線，利用接收天線提取發射天線的反射信號，接收到 的反射信號通過耦合器進入接收混頻器，利用接收混頻器與本振源進行混頻得到本振中頻 信號ifa;
[0013] 本振中頻信號正4與參考中頻信號正1；同時進入中頻放大調理單元進行調理比較， 調理比較后的信號通過A/D轉換器進行轉換，轉換后的信號進入信號轉換與處理平臺處 理，處理后得到特殊環境下的微波諧振結構諧振頻率的回波信號；
[0014] 所述發射天線的反射信號是由發射單元的微波諧振結構發射出來的。
[0015] 所述特殊環境是300°C以上的高溫環境，lOMpa以上的高壓環境。
[0016] 所述普通環境是指遠離高溫高壓的常溫常壓測試環境。
[0017] 所述特殊環境下被測物理參數包括溫度、壓力等參數指標。
[0018] 所述信號轉換與處理平臺將信號進行傅里葉反變換，得到回波信號的時域數據；
[0019] 再根據微波