一種非接觸式超高溫環境下溫度參數提取裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電子通信技術領域，具體涉及一種非接觸式超高溫環境下溫度參數提 取裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著我國航空航天及民用飛行技術的快速發展，發動機關鍵組件長期處于由燃料 以及與大氣高速摩擦導致的超高溫（>1000°C)環境中。在高速運轉的發動機艙內或者大氣 中快速飛行的飛行器渦輪表面，都存在著這種由高溫形成的特殊環境，而實時監測高溫環 境下的溫度參數，對提高發動機及飛行器的可靠性、壽命以及材料選取都有著重要的意義。 同時，也是其動力系統研究必不可少的環節。因此，為了使這些組件能夠工作在最佳的環境 狀態，減小溫度對組件的影響和損壞，需要長時間、實時監測高溫環境下的溫度參數。
[0003] 目前，國內高溫環境下溫度參數測試方法主要有兩種:一是利用有源、有線敏感探 頭直接測試;二是依賴于外推、引溫等方法間接測試。第一種方法只適用于溫度低于600°C 的環境下，在超過600°C高溫環境下，有源測試裝置就會失效或者損壞，無法對參數進行實 時監測。第二種方法適用的溫度范圍一般低于800°C，同時存在測試結果不準確、動態響應 不夠等問題，同樣不能滿足實時監測要求。高于l〇〇〇°C的超高溫環境下溫度參數測試是急 需攻克的技術難題。
[0004] 基于有源電路方案的溫度敏感裝置具有敏感范圍寬的優點，隨著SiC與GaN襯底工 藝的發展，該類型溫度的敏感裝置的峰值工作溫度已經達到了600°C。但是，當工作溫度高 于600°C時，往往需要增加復雜的隔熱與加電設計，隨著溫度的升高，并會燒毀有源裝置;基 于低溫共燒陶瓷(LTCC)與高溫共燒陶瓷(HTCC)的LC諧振式溫度敏感裝置，分別可以工作于 800°C與600°C的環境中，受限于其線圈的尺寸、線圈方向及耦合距離的限制，該方案同樣無 法工作于超過l〇〇〇°C的超高溫環境中。
[0005] 如圖1所示為一種利用表面工藝制備的壓阻式復合梁溫度傳感器，當溫度變化時， 復合懸臂梁的雙層材料因熱膨脹系數的失配產生彎曲而形成熱應力，復合懸臂梁在熱應力 作用下彎曲，在鋁膜和硅膜的接觸面上產生剪切應力，使得位于硅懸臂梁根部表面的壓阻 的阻值發生變化。壓阻的變化通過惠斯登電橋讀出，利用應力的變化表征溫度的變化。該溫 度傳感器制備較為復雜，其中懸臂梁結構是通過外延單晶硅表面微加工工藝(MEMS)制備而 得，而惠斯登電橋輸入需要采用脈沖式電流供電，因此該傳統溫度敏感方案加工工藝復雜， 峰值工作溫度遠低于500°C，不能滿足超高溫環境的測試要求。
[0006] 目前，國內尚無可工作于1000°C以上的超高溫環境下的實時監測裝置。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種非接觸式超高溫環境下溫度參數提取裝置，能夠適用 于超高溫環境的無源非接觸式溫度參數敏感提取裝置，該裝置具有較小的結構尺寸，可直 接將溫度敏提取裝置置于超高溫環境中，能夠長時間、實時監測超高溫環境下的溫度參數。 該敏感提取裝置主要由兩部分組成:一是對溫度參數敏感的諧振結構，二是攜帶溫度參數 信息的諧振頻率提取傳輸天線。其中諧振結構與提取傳輸天線為一體化設計，微波諧振結 構既作為參數敏感單元又作為提取傳輸天線。該諧振結構工作時，不同溫度環境下材料介 電常數會隨之改變，根據諧振頻率與材料介電常數的反比例關系，通過測試不同環境下諧 振結構的諧振頻率解算出待測的溫度參數，實現超高溫環境下溫度參數的提取。綜上所述， 本發明提出的溫度參數測試裝置，具有簡單的結構形式，敏感結構全部由無源單元組成，避 免了有源測試裝置在超高溫環境下失效或損壞的風險，更便于采用特制的耐高溫材料，以 達到提高該裝置工作穩定性、可靠性及環境適應性能力的目的。
[0008] 本發明的非接觸式超高溫環境下溫度參數提取裝置，包括接收處理單元、連接線 纜、寬帶接收天線、矩形介質諧振與發射天線復合結構；
[0009] 接收與處理單元通過連接線纜連接寬帶接收天線，其置于普通溫度環境內，向矩 形介質諧振與發射天線復合結構發送和接收寬帶信號；
[0010] 矩形介質諧振與發射天線復合結構置于超高溫環境中，包括參考地和安裝在參考 地上的喇叭形輻射源和介質層;介質層的介電常數隨溫度變化，并發生諧振，喇叭形輻射源 采集介質層的諧振波并發送到寬帶接收天線。
[0011] 作為完善，矩形介質諧振與發射天線復合結構上還安裝用以調節喇叭形輻射源的 調配矩形塊。
[0012] 進一步地，喇叭輻射源與調配矩形塊鍍涂一層耐超高溫金屬。
[0013] 本發明提出的溫度參數提取裝置，采用了微波諧振非接觸式測試方法，利用諧振 器所選的材料介電常數與諧振頻率關系，通過不同溫度下介電常數的變化，測試不同溫度 環境下諧振頻率解算出待測的溫度參數信息；參數敏感單元與傳輸天線一體化設計，作為 參數敏感單元的介質諧振器同時為一種介質天線，利用天線非接觸式傳輸攜帶溫度信息的 諧振頻率，使信號接收單元避開高溫工作于常溫環境下，降低了對其有源電路的高溫環境 適應性要求，而工作于超高溫環境下的溫度敏感提取結構皆由無源單元組成，更便于采用 特制的耐高溫材料，以達到提高該裝置工作穩定性、可靠性及環境適應性能力的目的。
[0014] 對于上述的矩形貼片諧振器的工作主模為TM10模，其諧振頻率fr可近似表達為以 下關系式：
[0017] 其中，C0為真空中的光速，Leff為矩形貼片諧振器的有效長度，|eff表示為材料的有 效介電常數，I為介質的相對介電常數，h表示介質層厚度，W表示微帶貼片諧振器的寬度。
[0018] 接收與處理單元通過寬帶接收天線向置于高溫環境中的諧振器發出寬帶信號，使 其產生諧振，并通過寬帶接收天線接收該諧振信號，接收與處理單元處理得到其諧振頻率 fr；
[0019] 根據介質材料的相對介電常數|1與溫度的對應關系，得到高溫環境的溫度值。
[0020] 選取兩種耐高溫介質材料，經測試介電常數|1在不同溫度環境下的關 系如下表所示：
[0021]
[0022] 工作時，接收單元通過寬帶接收天線向溫度測試單元發射一組寬帶信號，作為測 試單元的矩形介質諧振與天線復合結構接收到該信號，并表現出諧振現象，將反射的諧振 頻率信息反向傳輸到接收單元，接收單元測試到諧振頻率的 Sll信息，根據理論分析可知，