惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置，該裝置包括處在惡劣環(huán)境下的化學(xué)參量敏感單元，具有射頻或者微波微帶天線結(jié)構(gòu)，用于將惡劣環(huán)境中的化學(xué)參量轉(zhuǎn)換為射頻或者微波信號(hào)諧振頻率；處在普通環(huán)境中的信號(hào)讀取單元，包括發(fā)射天線、信號(hào)放大電路、測(cè)控電路、記錄存儲(chǔ)電路和一加電端口，具有射頻或者微波源，用于發(fā)射寬頻射頻或者微波信號(hào)，讀取寬頻或者微波信號(hào)；所述信號(hào)讀取單元通過微波無線通訊讀取處在惡劣環(huán)境中的化學(xué)參量敏感單元的信號(hào)。本實(shí)用新型徹底摒棄了LC諧振式無線無源化學(xué)傳感器因品質(zhì)因數(shù)Q低導(dǎo)致的傳輸距離短、高溫?zé)o信號(hào)問題，能有效的實(shí)現(xiàn)高溫的化學(xué)參量傳感。
【專利說明】
惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及高溫傳感領(lǐng)域，涉及射頻、微波高溫環(huán)境化學(xué)參量傳感器件，具體涉及一種惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫環(huán)境測(cè)試技術(shù)是監(jiān)控、探測(cè)及維護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、核電堆、深海采油平臺(tái)及其工作過程所迫切需要的信息技術(shù)和監(jiān)控能力之一。發(fā)動(dòng)機(jī)是燃燒高能燃料并將其轉(zhuǎn)換為工作動(dòng)力的裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃料燃燒行為緊密關(guān)聯(lián)動(dòng)力設(shè)備工作能力、時(shí)間和效率。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)化學(xué)參量是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測(cè)依據(jù)之一，也是提高燃料燃燒效率和研究燃燒機(jī)理的必然前提。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作時(shí)溫度極高，一般在500 °C以上，有些場(chǎng)合甚至高達(dá)2000°C。因此，迫切需要儀器與測(cè)試技術(shù)行業(yè)提供相應(yīng)的耐高溫的化學(xué)參量提取裝置。
[0003]在高溫環(huán)境中，現(xiàn)有基于電子信號(hào)的有源器件無法工作。硅等半導(dǎo)體在溫度超過400°C時(shí)即失效，甚至器件本身在極高溫度下被氧化、燒焦而失效；同時(shí)數(shù)據(jù)讀取端與參量敏感端連接線在高溫下性能退化，因此其信號(hào)的傳輸成為高溫傳感器工作的關(guān)鍵問題之一。另外高溫環(huán)境下電源耐高溫能力、電源更換及維護(hù)將是一件極為艱難的任務(wù)。因此目前在高溫等惡劣環(huán)境中多采用無線無源傳感技術(shù)。目前無線無源傳感技術(shù)已在惡劣環(huán)境的物理參數(shù)(如溫度和壓力)探測(cè)方面有較多的研究，如采用基于LC諧振互感耦合的無線無源耐高溫傳感器探測(cè)壓力，據(jù)報(bào)道已經(jīng)具有800°C的工作能力(Zhang H,Hong Y,Liang T,Zhang
H,Tan Q，Xue C，Liu J,Zhang ff,X1ng J.Phase Interrogat1n Used for a Wire lessPassive Pressure Sensor in an 8000CHigh-Temperature Environment.Sensors,2015,15(2):2548-2564.);而基于微波散射理論的無線無源溫度傳感器已經(jīng)有1050°C的研究成果報(bào)道(Cheng H,Ebadi S，Ren X，Gong X.Wireless passive high-temperature sensorbased on multifunct1nal reflective patch antenna up to 1050 degreescentigrade.Sensors and Actuators A:Physical，2015，222:204_211.)，也有基于聲表面波的無線無源物理參量傳感系統(tǒng)報(bào)道。在化學(xué)參量傳感方面，有研究者開發(fā)了基于LC諧振的無線無源的耐高溫化學(xué)傳感器，但LC諧振式無線無源傳感器品質(zhì)因數(shù)Q低，其存在傳輸距離短、高溫?zé)o信號(hào)問題，無法實(shí)現(xiàn)高溫下的化學(xué)參量傳感，因此本實(shí)用新型提出惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置，以避免LC諧振式無線無源傳感器品質(zhì)因數(shù)Q低、傳輸距離短、高溫?zé)o信號(hào)問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:
[0006]惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置，包括
[0007]處在惡劣環(huán)境下的化學(xué)參量敏感單元，具有射頻或者微波微帶天線結(jié)構(gòu)，用于將惡劣環(huán)境中的化學(xué)參量轉(zhuǎn)換為射頻或者微波信號(hào)諧振頻率；
[0008]處在普通環(huán)境中的信號(hào)讀取單元，包括發(fā)射天線、信號(hào)放大電路、測(cè)控電路、記錄存儲(chǔ)電路和一加電端口，具有射頻或者微波源，用于發(fā)射寬頻射頻或者微波信號(hào)，讀取寬頻或者微波信號(hào)；
[0009]所述信號(hào)讀取單元通過微波無線通訊讀取處在惡劣環(huán)境中的化學(xué)參量敏感單元的信號(hào)；
[0010]所述惡劣環(huán)境為溫度大于150°C以上的高溫環(huán)境;所述普通環(huán)境即我們生活的常溫常壓環(huán)境;所述化學(xué)參量包括二氧化碳、氮氧化物等燃燒尾氣化合物類型和濃度。
[0011]作為優(yōu)選，所述射頻或者微波微帶天線結(jié)構(gòu)包括從下往上依次連接的高電導(dǎo)金屬薄片、高介電常數(shù)層、敏感層和貼片層。
[0012]作為優(yōu)選，所述敏感層采用金屬氧化物或者金屬氧化物的混合物，或者金屬氧化物和非金屬氧化物材料的混合物。
[0013]作為優(yōu)選，所述貼片層采用金屬材質(zhì)。
[0014]本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0015]徹底摒棄了LC諧振式無線無源化學(xué)傳感器因品質(zhì)因數(shù)Q低導(dǎo)致的傳輸距離短、高溫?zé)o信號(hào)問題，能有效的實(shí)現(xiàn)高溫的化學(xué)參量傳感。
【附圖說明】
[0016]圖1本實(shí)用新型實(shí)施例惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置的工作原理圖。
[0017]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中射頻或者微波微帶天線結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中，11-惡劣環(huán)境中的微帶天線結(jié)構(gòu)、12-射頻或者微波源、13-混頻器、14-信號(hào)放大電路、15-信號(hào)轉(zhuǎn)換/處理電路、16-信號(hào)存儲(chǔ)電路、17-示波電路、18-電橋、111-貼片層、112-敏感層、113-高介電常數(shù)層、114-高電導(dǎo)金屬薄片、22-為信號(hào)傳輸單元、23-加電端口、24-信號(hào)放大電路、25-測(cè)控電路、26-記錄存儲(chǔ)電路。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本實(shí)用新型的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0021]如圖1-圖2所示，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置，包括
[0022]處在惡劣環(huán)境下的化學(xué)參量敏感單元，具有射頻或者微波微帶天線結(jié)構(gòu)11，用于將惡劣環(huán)境中的化學(xué)參量轉(zhuǎn)換為射頻或者微波信號(hào)諧振頻率;如圖3所述，所述射頻或者微波微帶天線結(jié)構(gòu)11由4層構(gòu)成:最底下層為高電導(dǎo)金屬薄片114，稱為接地片;在接地片上是高介電常數(shù)層113，稱之為基底，基底在接地片和敏感層中間；在基底上附有一層敏感層112，用于敏感化學(xué)參量，敏感層112在基底和貼片層中間；最上面層也就是敏感層的上層是貼片層111，金屬材質(zhì)。所述敏感層112是金屬氧化物或者金屬氧化物的混合物，或者金屬氧化物和非金屬氧化物材料的混合物。
[0023]處在普通環(huán)境中的信號(hào)讀取單元，包括發(fā)射/接收天線、信號(hào)放大電路24、測(cè)控電路25、記錄存儲(chǔ)電路26和一加電端口 23，具有射頻或者微波源，用于發(fā)射寬頻射頻或者微波信號(hào)，讀取寬頻或者微波信號(hào)；
[0024]所述信號(hào)讀取單元通過微波無線通訊讀取處在惡劣環(huán)境中的化學(xué)參量敏感單元的信號(hào)；
[0025]所述惡劣環(huán)境為溫度大于150°C以上的高溫環(huán)境;所述普通環(huán)境即我們生活的常溫常壓環(huán)境;所述化學(xué)參量包括二氧化碳、氮氧化物等燃燒尾氣化合物類型和濃度。
[0026]本具體實(shí)施的工作原理為:信號(hào)讀取單元的射頻或微波源12發(fā)射信號(hào)，經(jīng)由發(fā)射/接收天線傳輸?shù)綈毫迎h(huán)境中的微帶天線結(jié)構(gòu)11，微帶天線結(jié)構(gòu)11必然反射信號(hào)，反射信號(hào)經(jīng)由發(fā)射/接收天線接收進(jìn)入混頻器13，同信號(hào)讀取單元的射頻或微波源12的發(fā)射信號(hào)也進(jìn)入混頻器13，然后一同進(jìn)入信號(hào)放大電路單元14，然后進(jìn)入信號(hào)轉(zhuǎn)換/處理電路15，得到惡劣環(huán)境下的微帶天線結(jié)構(gòu)11的回波信號(hào)，其中微帶天線結(jié)構(gòu)11在不同化學(xué)參量時(shí)，化學(xué)敏感層與化學(xué)參量會(huì)發(fā)生相互反應(yīng)，導(dǎo)致介電常數(shù)和電導(dǎo)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個(gè)敏感單元的中心工作頻率發(fā)生改變，進(jìn)而其反射特性相應(yīng)變化，通過檢測(cè)該變化，再由物理參量與反射特性的映射關(guān)系可以完成惡劣環(huán)境下化學(xué)參量的提取。其中，示波電路通過數(shù)據(jù)傳輸線與信號(hào)轉(zhuǎn)換/處理模塊連接，電橋通過微波傳輸線與射頻或者微波源連接，并通過微波傳輸線同發(fā)射/接收天線連接。
[0027]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置，其特征在于，包括 處在惡劣環(huán)境下的化學(xué)參量敏感單元，具有射頻或者微波微帶天線結(jié)構(gòu)，用于將惡劣環(huán)境中的化學(xué)參量轉(zhuǎn)換為射頻或者微波信號(hào)諧振頻率； 處在普通環(huán)境中的信號(hào)讀取單元，包括發(fā)射天線、信號(hào)放大電路、測(cè)控電路、記錄存儲(chǔ)電路和一加電端口，具有射頻或者微波源，用于發(fā)射寬頻射頻或者微波信號(hào)，讀取寬頻或者微波信號(hào)； 所述信號(hào)讀取單元通過微波無線通訊讀取處在惡劣環(huán)境中的化學(xué)參量敏感單元的信號(hào)； 所述惡劣環(huán)境為溫度大于150°c以上的高溫環(huán)境;所述普通環(huán)境即我們生活的常溫常壓環(huán)境;所述化學(xué)參量為燃燒尾氣化合物類型和濃度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置，其特征在于，所述射頻或者微波微帶天線結(jié)構(gòu)包括從下往上依次連接的高電導(dǎo)金屬薄片、高介電常數(shù)層、敏感層和貼片層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的惡劣環(huán)境化學(xué)參量提取裝置，其特征在于，所述貼片層采用金屬材質(zhì)。
【文檔編號(hào)】G01N22/00GK205643196SQ201620340652
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】賈平崗, 陳曉勇, 洪應(yīng)平, 梁庭, 譚秋林
【申請(qǐng)人】中北大學(xué)