基于谐振频率测试的特殊环境物理参数提取装置及方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及一种基于谐振频率测试的特殊环境物理参数提取装置及方法。

【背景技术】

[0002] 随着国内装备制造业的快速发展，许多特殊设备或特殊材料的加工制备及测试均 需要在特殊环境下（如高温、高压等）才能完成，部分关键组件长期处于特殊的环境中，需 要实时准确的监测其所处特殊环境的物理参数数据。这些特殊环境下物理参数的获取，对 装备制造业工艺水平和产品技术指标的提高有着至关重要的作用，但是，由于受到特殊环 境的限制，这些物理参数的获取方法却无法在直接完成，只能借助于其他方法间接得到。

[0003] 传统的物理参数提取方法无法实现物理参数的原位实时测试，只能借助于其他间 接方法来得到，如理论模型推导或者间接测试反推，但是，由于模型误差和反推测试的实时 性较差，传统测试方法存在测试结果不准确、响应速度慢等问题。此外，特殊环境下的物理 参数测试，通常包含很强的多频、非规则背景杂波。一般来说，背景杂波强度远超过测试设 备本身接收的信号，或者说接收的信号信噪比非常差。从频域看，背景杂波与测试设备接收 信号的频谱分布重叠，在频域范围内，很难对背景杂波信号进行有效抑制或消除，需另寻其 它方法。因此，如何降低物理参数提取设备的设计难度与材料成本、提高物理参数提取设备 的应用环境与传输距离，并从伴有高强度背景杂波中稳定、可靠地检测出物理参量是急需 解决的问题。

[0004] 如图1所示，为一种利用传统方法实现高温环境下压力参数测试的装置，此方法 环境适应性、实时性与准确度都较差，需要通过压力传导装置间接测试压力信号，不能保证 准确实时的表征要测试的物理参数。其次，压力敏感装置采用了有源压力传感器敏感元件 进行压力信号转换，需要进行加电处理，而在这种特殊环境下对有源器件性能要求很高，现 有的器件不能适应极端特殊环境，加大了器部件材料选择难度和成本。因此，此方法制约着 特殊环境下物理参数的实时原位的测试。

[0005] 高温压力传感器的压力传感器敏感元件（1-6)安装在底部，在其顶部设置有传压 结构（1-1)，外部设置有保护外壳（1-5)，保护外壳底部为加电端口（1-6)，保护外壳的前端 是依次由第一层隔热结构（1-2)、中间为具有储热结构的热沉体（1-3)与底部为第二隔热 结构（1-4)组成。高温环境下测试压力时，传压结构（1-1)首先通过隔热结构（1-2)与储 热结构的热沉体（1-3)，减少热量向底部的传递，然后再通过一层隔热结构（1-4)减缓热沉 体（1-3)温度传递到底部的压力传感器敏感元件（1-6)，使传感器在高温环境下工作时间 加长；加电端口（1-7)的底部插针为压力传感器敏感元件（1-6)的供电引脚。压力传感器 敏感元件（1-6)将感受到的压力信号转换为电信号，然后进过信号放大电路（1-8)进行放 大，放大后的信号经过测量控制电路（1-9)进行处理计算，最后进入记录存储电路（1-10)， 完成高温环境下的压力参数测试。

[0006] 现有的物理参数提取方法，不能适用于某些特殊环境（如高温、高压等）下的物理 参数测试，例如超过300°C无有效压力原位测试手段、超过KKKTC无长时间温度参数原位 测试手段，当下主要依赖于外推、引压等间接测试方法，存在结果不准确、动态响应不够等 问题，无法实现特殊环境下物理参数的实时检测和控制。特殊环境下的物理参数测试技术 已经成为制约装备性能提升的"瓶颈"。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供基于谐振频率测试的特殊环境物理参 数提取装置及方法，它具有利用微波谐振频率法提取特殊环境下的物理参数，它具有物理 参数提取实时性强、准确度高的优点。

[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0009] 基于谐振频率测试的特殊环境物理参数提取装置，包括：处在特殊环境下的发射 单元和处在普通环境下的接收单元；所述发射单元和接收单元之间通过发射天线和接收天 线通信；处在特殊环境下的发射单元内部设有无源的微波谐振结构；接收单元处于常温常 压，远离了特殊环境；发射单元内部的微波谐振结构通过发射天线发射信号，接收单元的接 收天线接收信号，接收单元对接收信号进行处理后得到谐振频率回波信号；

[0010] 微波谐振结构在不同的被测物理参数指标下，其谐振频率回波信号的频率会有相 应的改变，同被测物理参数呈单值一一对应关系，通过检测谐振频率回波信号的频率，根据 谐振频率与被测物理参数的对应关系，完成特殊环境下的物理参数的提取。

[0011] 所述微波谐振结构与发射天线连接；所述接收单元设有射频源，所述射频源发射 的信号，通过电桥分为两路，其中一路信号与本振源的信号经由参考混频器进行混频，混频 后的参考中频信号IFjt为参考信号；

[0012] 另外一路信号发射到接收天线，利用接收天线提取发射天线的反射信号，接收到 的反射信号通过耦合器进入接收混频器，利用接收混频器与本振源进行混频得到本振中频 信号ifa;

[0013] 本振中频信号正4与参考中频信号正1；同时进入中频放大调理单元进行调理比较， 调理比较后的信号通过A/D转换器进行转换，转换后的信号进入信号转换与处理平台处 理，处理后得到特殊环境下的微波谐振结构谐振频率的回波信号；

[0014] 所述发射天线的反射信号是由发射单元的微波谐振结构发射出来的。

[0015] 所述特殊环境是300°C以上的高温环境，lOMpa以上的高压环境。

[0016] 所述普通环境是指远离高温高压的常温常压测试环境。

[0017] 所述特殊环境下被测物理参数包括温度、压力等参数指标。

[0018] 所述信号转换与处理平台将信号进行傅里叶反变换，得到回波信号的时域数据；

[0019] 再根据微波