【摘要】：高溫惡劣環(huán)境下溫度的監(jiān)控與測試需求在工業(yè)生產(chǎn)、國防科工、航空航天等諸多領(lǐng)域中廣泛存在,如鋼鐵廠中加熱坯料的環(huán)形爐溫度的檢測、石油開采過程中井下溫度的測量、渦輪噴氣式發(fā)動機燃燒室中溫度的控制等等,此類極端惡劣環(huán)境中溫度參數(shù)的獲取對傳統(tǒng)的測量方式提出了極大地挑戰(zhàn)。鑒于有源和引線式溫度傳感器在高溫環(huán)境下易失效問題,提出采用無線無源的測量方法實現(xiàn)在高溫惡劣環(huán)境下溫度的測試。本文以高溫環(huán)境下溫度測試的需求為出發(fā)點,通過比較分析不同原理和不同類型的無線無源溫度傳感器以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出無線無源貼片反射式溫度傳感器并實現(xiàn)了高溫環(huán)境中的溫度測試。該傳感器與貼片天線一體集成,實現(xiàn)了信號傳輸和溫度測量一體化,具有體積小、成本低、集成度高、易與載體共形等優(yōu)點。本文的主要研究工作如下:(1)根據(jù)貼片反射式傳感器的輻射和無線測量原理,建立了基于電磁波頻率信號的溫度參數(shù)提取理論模型,全面考慮傳感器的材料性能(基底介電常數(shù))和物理參數(shù)(貼片尺寸、基底厚度),獲得了更為精確的傳感器工作頻率～溫度函數(shù)關(guān)系,優(yōu)化理論計算過程,提高了理論計算的準確性,減小理論誤差,所得模型與實際結(jié)果更為一致。(2)基于溫度傳感器理論模型和無線測溫原理,設(shè)計了無線無源溫度傳感器的結(jié)構(gòu),并運用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件在理論值的基礎(chǔ)上優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù),得出最優(yōu)參數(shù)值。以PCB材料為介質(zhì)基板,加工制作出無線無源貼片反射式溫度傳感模型實物驗證器件,并通過溫度測試證明了無線無源反射式溫度測量原理的正確性和方案的可行性,同時也提供了一種低成本無線測溫方案。(3)針對傳感器件高溫熱沖擊可靠性的要求,利用銀鈀漿料為導(dǎo)體材料前體,采用厚膜工藝燒制成型制備了 A1N陶瓷基無線無源高溫溫度傳感器。金相顯微鏡觀察顯示A1N傳感器上圖形邊緣整齊、尺寸變動較小;利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其常溫工作特性,發(fā)現(xiàn)工作頻率與設(shè)計頻率相差很小,證實厚膜工藝可用于本高溫傳感器制備。設(shè)計加工了共面波導(dǎo)饋電與貼片加載的耐高溫A1203基寬帶縫隙詢問天線,理論上考察了高溫條件對詢問天線工作帶寬和增益的影響,發(fā)現(xiàn)即使在1050℃,該詢問天線仍具有較好的工作帶寬和增益,作為Tx/Rx組件可應(yīng)用于高溫環(huán)境。最后基于高溫馬弗爐搭建了高溫測試系統(tǒng),實現(xiàn)了 700℃高溫測量。(4)為進一步提升高溫測量能力,探索了基于鎂鋁尖晶石材料的高溫溫度傳感器,實現(xiàn)了 1000℃的溫度測試。鎂鋁尖晶石材料是藍寶石基結(jié)構(gòu)的重要焊接材料,耐高溫性能優(yōu)良;以其為基底制備能夠工作在微波波段的高溫傳感器,不僅實現(xiàn)了更高的測量溫度,也首次證實了鎂鋁尖晶石的高溫溫度測量應(yīng)用能力和微波應(yīng)用性能,同時也為后續(xù)兼容更高工作溫度的藍寶石器件提供了可能性。在測試過程中,傳感器和詢問天線均處在高溫封閉復(fù)雜環(huán)境中,最大程度模擬了實際應(yīng)用環(huán)境,實現(xiàn)了原位溫度測量,與同類傳感器的開放環(huán)境、局部加熱的測量方式相比,實驗結(jié)果更加真實可靠。
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP212
【圖文】：

進氣口邐壓氣機邐咼輪逡逑圖１．２渦輪噴氣式發(fā)動機結(jié)構(gòu)逡逑在航空航天領(lǐng)域，渦輪噴氣式發(fā)動機是每一個飛行器的“心臟”，作為飛行器的核逡逑心部件，其工作性能的優(yōu)良直接決定了飛行器的整機性能，也代表著一個國家航天航空逡逑１逡逑

件健康狀態(tài)。逡逑

本文編號：2740826