[发明专利]基于微波散射原理的温度压力双参数传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温传感领域，具体为一种应用于高温环境下(>800^oC)的基于微波散射信号读取技术的基片集成波导结构的无源温度/压力双参数传感器及其制备方法。

背景技术

航空发动机以及工业燃气涡轮机的开发、设计评估和性能监控是影响航空航天工业发展的重要因素，其中发动机效率和输出功率是影响航空发动机性能的最重要参数。发动机燃烧室燃烧温度和发动机压力比两个参数是决定发动机效率和输出功率的重要因素。发动机中最重要也是最热的区域-燃烧室及高压涡轮机，温度最高能够达到2000K。温度直接影响发动机的工作效率和组件的使用周期。由于目前传感器无法放在温度最高的区域进行直接监测，其内部环境主要是通过外部测量，然后使用模型和假设进行推算收集得到。汽轮机零件和其他受热部件价格昂贵，并且由于较大的机械负载和热负荷，使用寿命短，但其正常工作对发动机可靠运行至关重要。温度参数准确的获取对于预测部件使用寿命和验证设计的性能具有重大意义。其他气动参数，比如作为动态和静态压力以及叶片间隙影响着发动机工作效率、 操作和健康状况。其中动态压力需要实时准确地测量，以确保发动机的机械完整性。

欧洲虚拟燃气涡轮仪表研究所(European Virtual Institute for Gas Turbine Instrumentation, EVI GTI)确定了三个领域缺乏足够的仪器测量能力，阻碍燃气涡轮发动机发展或导致在设计方法和组件寿命预测的不确定性增加：超高温环境下(>1000°C)气体温度、压力的测量；发动机内部温度最高区域部件温度的测量；超高温区域的部件振动测量。EVI GTI也确定了当前阻碍发动机发展的传感器技术方面的不足之处：目前传感器无法应用于超高温部件上或者无法满足规定时间内的测试需求；现有传感器无法满足燃气涡轮机内高温部件上长时间监测；现有传感器在燃气涡轮机内高温部件上测量结果准确度不够。

目前无线无源传感技术主要包含近场耦合的电容-电感(LC)传感器技术、声表面波(acoustic surface wave，SAW)传感技术，和微波反向散射（RF Backscattering）信号读取技术。采用近场磁耦合技术的电容-电感(LC)谐振式传感器具有结构简单、测试鲁棒性高，但是存在品质因子相对较低、读取距离近、不能贴附金属表面等缺点；声表面波传感器所用硅酸镓镧(LGS)基板在高温下存在相变和化学不稳定性，测试信号容易受环境干扰、LGS基板在射频频段有明显的声损耗，导致其工作频率难以达到1GHz以上，从而导致所需天线体积庞大等。

相比之下，微波反向散射信号读取技术由于具有可穿透性，受环境干扰小，抗低频干扰等特性，将其与高Q值微波器件结合，在高温恶劣环境下仍能进行正常信号读取，是一种面向发动机内部测试潜力巨大的技术。

发明内容

本发明为了解决现有传感器在高温、高压等恶劣环境下温度和压力参数测量中存在的问题，提供了一种可以对高温环境下的温度和压力参数进行准确测量的基于微波散射的温度压力双参数传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于微波散射测量原理的温度压力双参数传感器，包括基片集成波导和设置在基片集成波导上的第一缝隙天线和第二缝隙天线；所述基片集成波导包括介质基片、上表面金属层、下表面金属层、多个第一金属通孔、多个第二金属通孔和圆形空腔；所述上表面金属层和下表面金属层分别设置在介质基片的上表面和下表面上，所述第一金属通孔和所述第二金属通孔设置在所述介质基片上并贯穿其上表面和下表面；所述空腔设置在所述介质基片内部，并位于所述多个第一金属通孔围成的区域内部；所述第一缝隙天线位于基片集成波导表面上，并设置在多个所述第一金属通孔围成的区域内，所述第二缝隙天线位于基片集成波导表面上，并设置在多个所述第二金属通孔围成的区域内；所述介质基片、上表面金属层、下表面金属层、多个第一金属通孔、空腔和第一缝隙天线形成压力参数测量部分；所述介质基片、上表面金属层、下表面金属层、多个第二金属通孔、和第二缝隙天线形成温度参数测量部分。

所述上表面金属层和下表面金属层的材料为铂，所述第一金属通孔和第二金属通孔内的填充材料为铂。

所述多个第一金属通孔均匀设置在与所述空腔共心的同一个圆周上，所述多个第二金属通孔也均匀设置在另一个不相交的圆周上。

所述介质基片采用HTCC高温共烧陶瓷材料制成。

本发明还提出了所述的一种基于微波散射测量原理的温度压力双参数传感器的制备方法，包括以下步骤：