[发明专利]恶劣环境化学参量提取装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温传感领域，涉及射频、微波高温环境化学参量传感器件， 具体涉及一种恶劣环境化学参量提取装置及方法。

背景技术

高温环境测试技术是监控、探测及维护发动机系统、核电堆、深海采油平 台及其工作过程所迫切需要的信息技术和监控能力之一。发动机是燃烧高能燃 料并将其转换为工作动力的装置，发动机内燃料燃烧行为紧密关联动力设备工 作能力、时间和效率。实时、准确获取发动机内化学参量是实现系统状态监控 和预测依据之一，也是提高燃料燃烧效率和研究燃烧机理的必然前提。然而， 发动机内部工作时温度极高，一般在500℃以上，有些场合甚至高达2000 ℃。因此，迫切需要仪器与测试技术行业提供相应的耐高温的化学参量提取方 法与装置。

在高温环境中，现有基于电子信号的有源器件无法工作。硅等半导体在温 度超过400℃时即失效，甚至器件本身在极高温度下被氧化、烧焦而失效； 同时数据读取端与参量敏感端连接线在高温下性能退化，因此其信号的传输成 为高温传感器工作的关键问题之一。另外高温环境下电源耐高温能力、电源更 换及维护将是一件极为艰难的任务。因此目前在高温等恶劣环境中多采用无线 无源传感技术。目前无线无源传感技术已在恶劣环境的物理参数(如温度和压 力)探测方面有较多的研究，如采用基于LC谐振互感耦合的无线无源耐高温 传感器探测压力，据报道已经具有800℃的工作能力(ZhangH，HongY，Liang T，ZhangH，TanQ，XueC，LiuJ，ZhangW，XiongJ.PhaseInterrogation UsedforaWirelessPassivePressureSensorinan800℃ High-TemperatureEnvironment.Sensors，2015，15(2)：2548-2564.)；而 基于微波散射理论的无线无源温度传感器已经有1050℃的研究成果报道 (ChengH，EbadiS，RenX，GongX.Wirelesspassivehigh-temperature sensorbasedonmultifunctionalreflectivepatchantennaupto1050 degreescentigrade.SensorsandActuatorsA：Physical，2015，222： 204-211.)，也有基于声表面波的无线无源物理参量传感系统报道。在化学参 量传感方面，有研究者开发了基于LC谐振的无线无源的耐高温化学传感器， 但LC谐振式无线无源传感器品质因数Q低，其存在传输距离短、高温无信号 问题，无法实现高温下的化学参量传感，因此本发明提出基于微波散射的恶劣 环境化学参量提取方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恶劣环境化学参量提取装置及方法，以避免 LC谐振式无线无源传感器品质因数Q低、传输距离短、高温无信号问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

恶劣环境化学参量提取装置，包括

处在恶劣环境下的化学参量敏感单元，具有射频或者微波微带天线结构， 用于将恶劣环境中的化学参量转换为射频或者微波信号谐振频率；

处在普通环境中的信号读取单元，包括发射天线、信号放大电路、测控电 路、记录存储电路和一加电端口，具有射频或者微波源，用于发射宽频射频或 者微波信号，读取宽频或者微波信号；

所述信号读取单元通过微波无线通讯读取处在恶劣环境中的化学参量敏 感单元的信号；

所述恶劣环境为温度大于150℃以上的高温环境；所述普通环境即我们生 活的常温常压环境；所述化学参量包括二氧化碳、氮氧化物等燃烧尾气化合物 类型和浓度。

其中，所述射频或者微波微带天线结构包括从下往上依次连接的高电导金 属薄片、高介电常数层、敏感层和贴片层。

其中，所述敏感层采用金属氧化物或者金属氧化物的混合物，或者金属氧 化物和非金属氧化物材料的混合物。

其中，所述贴片层采用金属材质。

上述一种恶劣环境化学参量的有线提取装置的提取方法，包括如下步骤：

S1、信号读取单元的射频或微波源发射信号，经由发射/接收天线无线传 输到恶劣环境中的化学参量敏感单元的微带天线结构；