无线无源贴片反射式高温温度传感器研究

发布时间：2020-07-04 07:22

【摘要】：高温恶劣环境下温度的监控与测试需求在工业生产、国防科工、航空航天等诸多领域中广泛存在,如钢铁厂中加热坯料的环形炉温度的检测、石油开采过程中井下温度的测量、涡轮喷气式发动机燃烧室中温度的控制等等,此类极端恶劣环境中温度参数的获取对传统的测量方式提出了极大地挑战。鉴于有源和引线式温度传感器在高温环境下易失效问题,提出采用无线无源的测量方法实现在高温恶劣环境下温度的测试。本文以高温环境下温度测试的需求为出发点,通过比较分析不同原理和不同类型的无线无源温度传感器以及国内外研究现状,提出无线无源贴片反射式温度传感器并实现了高温环境中的温度测试。该传感器与贴片天线一体集成,实现了信号传输和温度测量一体化,具有体积小、成本低、集成度高、易与载体共形等优点。本文的主要研究工作如下:(1)根据贴片反射式传感器的辐射和无线测量原理,建立了基于电磁波频率信号的温度参数提取理论模型,全面考虑传感器的材料性能(基底介电常数)和物理参数(贴片尺寸、基底厚度),获得了更为精确的传感器工作频率～温度函数关系,优化理论计算过程,提高了理论计算的准确性,减小理论误差,所得模型与实际结果更为一致。(2)基于温度传感器理论模型和无线测温原理,设计了无线无源温度传感器的结构,并运用高频结构仿真软件在理论值的基础上优化传感器的结构参数,得出最优参数值。以PCB材料为介质基板,加工制作出无线无源贴片反射式温度传感模型实物验证器件,并通过温度测试证明了无线无源反射式温度测量原理的正确性和方案的可行性,同时也提供了一种低成本无线测温方案。(3)针对传感器件高温热冲击可靠性的要求,利用银钯浆料为导体材料前体,采用厚膜工艺烧制成型制备了 A1N陶瓷基无线无源高温温度传感器。金相显微镜观察显示A1N传感器上图形边缘整齐、尺寸变动较小;利用网络分析仪测试其常温工作特性,发现工作频率与设计频率相差很小,证实厚膜工艺可用于本高温传感器制备。设计加工了共面波导馈电与贴片加载的耐高温A1203基宽带缝隙询问天线,理论上考察了高温条件对询问天线工作带宽和增益的影响,发现即使在1050℃,该询问天线仍具有较好的工作带宽和增益,作为Tx/Rx组件可应用于高温环境。最后基于高温马弗炉搭建了高温测试系统,实现了 700℃高温测量。(4)为进一步提升高温测量能力,探索了基于镁铝尖晶石材料的高温温度传感器,实现了 1000℃的温度测试。镁铝尖晶石材料是蓝宝石基结构的重要焊接材料,耐高温性能优良;以其为基底制备能够工作在微波波段的高温传感器,不仅实现了更高的测量温度,也首次证实了镁铝尖晶石的高温温度测量应用能力和微波应用性能,同时也为后续兼容更高工作温度的蓝宝石器件提供了可能性。在测试过程中,传感器和询问天线均处在高温封闭复杂环境中,最大程度模拟了实际应用环境,实现了原位温度测量,与同类传感器的开放环境、局部加热的测量方式相比,实验结果更加真实可靠。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212
【图文】：

进气口逦压气机逦呙轮逡逑图１．２涡轮喷气式发动机结构逡逑在航空航天领域，涡轮喷气式发动机是每一个飞行器的“心脏”，作为飞行器的核逡逑心部件，其工作性能的优良直接决定了飞行器的整机性能，也代表着一个国家航天航空逡逑１逡逑

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本文编号：2740826