[发明专利]用于测量高温环境中的应变的无线遥测电子电路

说明书

关于联邦政府资助研发的声明

对本发明的研发部分得到由国家标准和技术研究所颁发的合同号70NANB4H3042的支持。因而，美国政府可以具有本发明的某些权利。

技术领域

本发明一般地涉及用于测量部件应变的无线遥测电子电路并且特别地涉及能够在超过300℃的高温环境中操作且能够承受高达至少1000g’s的力的电子电路。

背景技术

在操作的燃气涡轮发动机内部的温度极其高，往往处于超过450℃的水平。当期望监视涡轮机的部件（诸如涡轮机叶片）的内部温度或者监视在操作期间施加于此类部件上的应力时，要求特殊的感测、放大和发送电路。针对这个问题的有效解决方案是使用无线遥测，诸如在公开的题为SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENT的美国专利申请公开号US 2005/0198967 A1、或者题为INSTRUMENTED COMPONENT FOR COMBUSTION TURBINE ENGINE的美国申请号11/936,936以及题为INSTRUMENTED COMPONENT FOR WIRELESS TELEMETRY的申请号11/521,193中揭示的无线遥测。

在这些上面引用的专利申请中，揭示了使用无线遥测的一般概念。本专利申请应对在实施这种技术中遇到的具体问题。

可以承受高温的无线遥测电路板和其上的部件可以实现在诸如在内燃式燃气涡轮发动机中经历的那些之类的高温环境中从固定和运动部件中提取数据。电子电路提供了在涡轮发动机（诸如工业燃气涡轮机、航空发动机以及在石油与天然气工业中使用的涡轮机）的操作期间实时监视部件状况的可能性。知道涡轮机中的部件的状态提供许多益处，包括基于内部发动机参数来优化涡轮机操作以及实现基于状况的维护。通过使用监视设备，可以实现先进涡轮发动机的操作成本的显著降低。对涡轮机部件仪表化的当前实践涉及把传感器安装到部件、把引线铺到路由器并且把大捆引线在涡轮机之外长距离地带到监视位置。该过程是缓慢的、劳动密集型的、昂贵的，并且要求修改涡轮机的许多部件以便允许包括所有引线。

为了实现从这种传感器系统提取数据的优点，可能要求把数据发送机（transmitter）放置在热部件的最冷区域上。这可能导致需要将诸如在涡轮发动机的流道中的叶片根部处在超过300℃的温度下运行的无线遥测系统。使用硅或绝缘体上硅（silicon-on-insulator，SOI）有源部件的目前工艺水平的电路不能够在此类高温下操作。这种无线遥测电路板将要求能够在超过300℃的温度下操作的封装、板、路线（run）、无源设备、有源设备以及连接。

发明内容

本发明涉及在用于内燃式发动机的遥测系统中，一种电路结构，固定到所述发动机的运动部件以用于放大关于所述运动部件的状况所感测的信息，所述电路结构适于所述发动机的高温环境且包括：差动放大器，具有用于从设置在所述部件上的传感器接收信号的输入，所述信号表示所述部件的状况；以及所述差动放大器包括具有栅极偏置网络的晶体管，其中第一电阻元件具有正的电阻温度系数、耦合在正电压源和所述晶体管的栅极端子之间而第二电阻元件具有零电阻温度系数、耦合在所述晶体管的所述栅极端子和地电位之间，由此随着温度提高，在所述晶体管的栅极端子处的偏置电压下降。

附图说明

鉴于附图，在以下的描述中解释本发明，所述附图示出：

图1是示出包括遥测电路板的电子器件的附着的示例性涡轮机叶片的部分透视图。

图2是示出图1的发送机组件的元件的分解透视图。

图3是示出包含在图2的发送机组件外壳中的高温电子器件封装（electronics package）内的元件的分解图。

图4A示出用于在组装操作期间固定电路板的转移板（transfer plate）的平面图和侧视图。

图4B示出待与图4A的转移板一起用于在组装操作期间把部件固定在适当位置的对准板的平面图。

图5A、5B和5C是使用图4A和4B的转移板和对准板的组装过程的透视图。

图6A和6B是在半导体技术中通常使用的导线接合技术的视图。

图7是示出典型导线接合的g力分析的透视图。

图8示出在模拟g力应力下的导线接合的各种状况。

图9A是示出对本文使用的放大器电路偏置（bias）的独特电路的示例性示意图。

图9B是示出在变化的温度下图9A的放大器的AC输出电压相对于偏置电压的图表。

图10是应变计电路的框图。