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恶劣环境下HTCC基无源LC传感器设计及其测试方法研究

吉耀辉  
【摘要】:在航空航天领域,高温、高压、高旋及动态测试环境下温度、压力参数的获取具有重大的意义。LC传感器通过电磁耦合实现信号无线遥测及无需供电、超强续航的特性,为恶劣环境下参数的提取提供了可能。然而,由于传感器设计结构及材料的限制,鲜有1100℃以上温度、压力测试的相关报道。另外,LC传感器的测试要求极为苛刻,受其同轴测试特性的限制,LC传感器本身难以在狭小的旋转环境中实现信号的测试。针对上述难题,优化LC传感器结构,从而实现更高温度下,压力及温度参数的获取;提出一种LC传感器信号传输机制,并对其优化验证,实现旋转环境下参数测试;同时,搭建压力传感器动态测试平台,完成动态测试环境下传感器参数获取。通过上述研究,实现高温、高压、高旋及动态环境下参数测试。本文主要研究工作概述如下:1、从简化传感器敏感元件结构的角度,设计了以电感线圈寄生电容为敏感单元的面上温度传感器,建立相关模型并进行理论分析,最终,在1400℃的超高温环境下进行温度测试,测试灵敏度达到14.3 kHz/°C。另外从保护测试天线的角度,设计了分离电感与电容式传感器,分隔温度感知与信号提取温度,最终实现1500℃超高温测试,测试灵敏度达到6.7562 kHz/°C。2、设计了一种基于HTCC陶瓷材料及Pt金属浆料的集成温度补偿单元的LC超高温压力传感器。通过合理布局敏感单元的空间结构,极大程度地减小了不同LC谐振回路之间的电磁串扰。最终传感器实现1100℃超高温环境下压力、温度参数同时提取,其中温度敏感单元测试灵敏度为11.33 kHz/°C,压力敏感单元测试最大灵敏度可以达到92.98 kHz/kPa。通过温度敏感单元,完成对压力信号的温度补偿,补偿后最大测试误差为3.1%。3、提出一种双电感谐振器(DIR),用于在任意维度传输LC传感器信号。通过优化DIR性能,研究DIR测试规律,为不同情况下谐振器的选择提供参考。搭建了旋转环境压力测试平台,实现旋转环境下LC传感器压力参数的提取。最终采用左侧信号峰值频率,完成对传感器的测试及信号提取,其测试灵敏度为常规环境下传感器测试的90%,测试频率与常规环境下传感器频率仅相差2MHz。4、在前期陶瓷封装LC传感器研究的基础上,完成了对其简单标定,得到外界压力与传感器频率的函数关系。利用LabVIEW可视化编程软件,搭建压力动态测试系统,完成对传感器的动态测试。最终传感器在0~3bar的动态压力环境中实现测试,测试时长为17min26s,测试过程中出现的最大测试误差为0.114bar,最大测试相对误差为7.4%。


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