一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试系统及方法与流程

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试系统，还涉及一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试方法。

背景技术：

在军用测试方面，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高温高压中才能完成，部分关键组件长期处于这种高温高压的环境中，需要实时准确监测其所处环境中的压力参数数据。在民用测试方面，如飞机与汽车制造行业的快速变化和要求，为了保证行使安全，同样需要实时测试如发动机与轮胎内高温高压下的压力参数信息。但是，由于受到高温高压环境的限制，有源压力参数测试系统无法适应更高环境温度的要求，而传统间接测试压力参数的方法更是无法实时准确的提取参数信息。

传统间接式参数提取方法无法实现压力参数的实时测试，只能借助于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。

而直接压力参数测试，如在汽车轮胎气压监测系统(tpms)中，数据传输虽然也采用了蓝牙传输等无线的传输方式，但其压力敏感单元依然采取了有源测试方法，利用有源芯片提取压力参数信息，需要采用电池进行供电，存在使用期限的难题，同时，有源电路也大大限制了压力测试系统的使用环境温度，通常高于100℃将无法使用，因此，传统直接式压力测试系统同样有很大的局限性。

如图1所示为基于磁耦合共振的无线供电式压力传感系统原理图，系统主要包括：无线供电单元1-1、主控接收单元1-2、传感器监测单元1-3与蓄电池供电电源1-4。基于磁耦合共振的无线供电技术是将电能转换为磁场能量传输，根据无线供电的原理，无线供电电路主要包括高频信号发生电路、功率放大电路、能量耦合器和交/直流转换电路，其中能量耦合器包括能量发射端和能量接收端两部分，能量发射端连接功率放大电路的输出端，能量接收端连接至交/直流转换电路的输入端；交/直流转换电路主要包括整流电路、滤波电路和稳压电路。

直接压力参数测试方法所采用的有源电路大大限制了压力测试系统的使用环境温度，通常高于100℃将无法使用，因此，传统直接式压力测试系统同样有很大的局限性。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试系统及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试系统，包括两部分，一是置于高温高压环境中的压力参数实时提取与发射装置，二是工作于常温常压下的信号提取与处理装置；

压力参数实时提取与发射装置由微波式双谐振腔压力测试结构与发射天线组成，双谐振压力腔的工作频率相同，一个腔体受压力和温度的影响，另一个只受温度的影响，工作时，利用压力传输孔将被测环境的压力气体引入到其中一个谐振腔内部，不同压力与温度下，谐振腔内部将产生膨胀形变，而谐振频率也会随形变产生变化；另一个谐振腔，谐振频率变换只受到温度的影响，利用两个谐振腔的谐振频率变化差实现微波校准；

信号提取与处理装置由接收天线与处理模块组成，获取包含压力参数的微波谐振频率，由微波谐振频率与压力参数的关系解算出压力参数信息。

可选地，所述微波式双谐振腔压力测试结构包括：压力参数提取装置空腔、温度单敏感式微波谐振腔、压力与温度双敏感式微波谐振腔、压力传输矩形孔、微波信号耦合传输探针、调谐螺钉；

温度单敏感式微波谐振腔同压力与温度双敏感式微波谐振腔的工作频率相同，压力与温度双敏感式微波谐振腔受压力和温度的影响，温度单敏感式微波谐振腔只受温度的影响；工作时，首先利用调谐螺钉对温度单敏感式微波谐振腔进行校准调节，使其工作频率与压力与温度双敏感式微波谐振腔完全相同；频率校准后，利用压力传输矩形孔将被测环境的压力气体引入到压力与温度双敏感式微波谐振腔内部，在不同压力与温度的作用下，谐振腔内部将产生膨胀形变，而谐振频率也会随形变变化为f0；而在温度单敏感式微波谐振腔中，谐振频率变换只受到温度变换带来的形变影响，谐振频率会随之变化为f1；利用两个谐振腔的谐振频率变化差f0-f1实现微波校准。

本发明还提出了一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试方法，包括两部分，一是置于高温高压环境中的压力参数实时提取与发射装置，二是工作于常温常压下的信号提取与处理装置；

压力参数实时提取与发射装置由微波式双谐振腔压力测试结构与发射天线组成，双谐振压力腔的工作频率相同，一个腔体受压力和温度的影响，另一个只受温度的影响，工作时，利用压力传输孔将被测环境的压力气体引入到其中一个谐振腔内部，不同压力与温度下，谐振腔内部将产生膨胀形变，而谐振频率也会随形变产生变化；另一个谐振腔，谐振频率变换只受到温度的影响，利用两个谐振腔的谐振频率变化差实现微波校准；

信号提取与处理装置由接收天线与处理模块组成，获取包含压力参数的微波谐振频率，由微波谐振频率与压力参数的关系解算出压力参数信息。

可选地，所述微波式双谐振腔压力测试结构包括：压力参数提取装置空腔、温度单敏感式微波谐振腔、压力与温度双敏感式微波谐振腔、压力传输矩形孔、微波信号耦合传输探针、调谐螺钉；

温度单敏感式微波谐振腔同压力与温度双敏感式微波谐振腔的工作频率相同，压力与温度双敏感式微波谐振腔受压力和温度的影响，温度单敏感式微波谐振腔只受温度的影响；工作时，首先利用调谐螺钉对温度单敏感式微波谐振腔进行校准调节，使其工作频率与压力与温度双敏感式微波谐振腔完全相同；频率校准后，利用压力传输矩形孔将被测环境的压力气体引入到压力与温度双敏感式微波谐振腔内部，在不同压力与温度的作用下，谐振腔内部将产生膨胀形变，而谐振频率也会随形变变化为f0；而在温度单敏感式微波谐振腔中，谐振频率变换只受到温度变换带来的形变影响，谐振频率会随之变化为f1；利用两个谐振腔的谐振频率变化差f0-f1实现微波校准。

本发明的有益效果是：

(1)在高温高压环境中的无源微波式双谐振结构可以适应更高的温度环境，降低了研发与使用难度；

(2)而工作在常温常压下的信号接收与处理装置，远距离处理、提取出无源结构的微波谐振频率信号，由微波谐振频率与压力参数的关系解算出压力参数信息，这种方法避开了高温高压环境这一约束条件，可大幅降低接收与处理装置研制难度；

(3)有效去除温度对测试结果的影响，提高了接收到的谐振回波信号的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于磁耦合共振的无线供电式压力传感系统原理图；

图2为本发明的微波式双谐振腔压力测试结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统间接式参数提取方法无法实现压力参数的实时测试，只能借助于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。同时，由于受到高温高压环境的限制，有源压力参数测试系统无法适应更高环境温度的要求。因此，为了克服传统压力测试方法的局限性，为了提取高温高压环境下的压力参数信息，本发明提出的一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试系统及方法，在高温高压环境中的无源微波式双谐振结构可以适应更高的温度环境，降低了研发与使用难度；而工作在常温常压下的信号接收与处理装置，远距离处理、提取出无源结构的微波谐振频率信号，由微波谐振频率与压力参数的关系解算出压力参数信息，这种方法避开了高温高压环境这一约束条件，可大幅降低接收与处理装置研制难度；此外，高温环境复杂多变，高温环境中温度对测试结果的影响不可忽略，为了提高微谐振频率回波信号的接收效率和准确度，必须要解决的关键技术就是去除温度对谐振频率回波信号的影响，而本发明提出的微波校准方法能够有效去除温度对测试结果的影响，提高了接收到的谐振回波信号的信噪比。

本发明提出了一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试系统，该系统主要分为两部分，一是置于高温高压环境中的压力参数实时提取与处理装置，二是工作于常温常压下的信号提取与处理装置。

上述压力参数提取与发射装置由微波式双谐振腔压力测试结构与发射天线组成，双谐振压力腔的工作频率相同，一个腔体受压力和温度的影响，另一个只受温度的影响，工作时，利用压力传输孔将被测环境的压力气体引入到其中一个谐振腔内部，不同压力与温度下，谐振腔内部将产生膨胀形变，而谐振频率也会随形变产生变化；另一个谐振腔，谐振频率变换只受到温度的影响，利用两个谐振腔的谐振频率变化差实现微波校准，既完成了压力参数的提取，又去除了温度对压力测试准确度的影响，因此实现了高精度与高准确度的压力参数提取。

信号提取与处理装置由接收天线与处理模块组成，非接触、远距离获取包含压力参数的微波谐振频率。信号处理模块虽然也是有源电路，但是处在常温常压下，避开了高温高压这一条件限制，大大降低了接收与处理装置研制难度，不同于有源结构，置于高温高压环境下的无源谐振结构便于采用耐高温材料实现，进而实现了高温高压下的压力参数的提取，降低了研发与加工难度，实现了压力参数的长时间高可靠性的实时提取。

微波式双谐振腔压力测试结构如图2所示，包括：压力参数提取装置空腔2-1、温度单敏感式微波谐振腔2-2、压力与温度双敏感式微波谐振腔2-3、压力传输矩形孔2-4、微波信号耦合传输探针2-5、调谐螺钉2-6。

温度单敏感式微波谐振腔2-2同压力与温度双敏感式微波谐振腔2-3的工作频率理论上相同，一个腔体受压力和温度的影响，另一个只受温度的影响。工作时，首先利用调谐螺钉2-6对温度单敏感式微波谐振腔2-2进行校准调节，使其工作频率与压力与温度双敏感式微波谐振腔2-3完全相同。频率校准后，利用压力传输矩形孔2-4将被测环境的压力气体引入到压力与温度双敏感式微波谐振腔2-3内部，在不同压力与温度的作用下，谐振腔内部将产生膨胀形变，而谐振频率也会随形变产生变化f0；而在温度单敏感式微波谐振腔2-2中，谐振频率变换只受到温度变换带来的形变影响，谐振频率会随之变化为f1。利用两个谐振腔的谐振频率变化差f0-f1实现微波校准，既完成了压力参数的提取，又去除了温度对压力测试准确度的影响，因此实现了高精度与高准确度的压力参数提取。

本发明采用了双谐振腔的结构方案，两个谐振腔工作频率相同，一个谐振腔对压力和温度敏感，另一个谐振腔只对温度信息敏感。

本发明利用谐振腔的压力传输孔将被测环境的压力气体引入到谐振腔内部，利用不同压力下弹性形变产生的谐振频率变化来表征压力参数信息，利用微波天线无线传输到压力参数接收与处理装置中。

非接触、远距离获取无源结构的微波谐振频率回波信号，可应用到高温环境下，增强了发射装置与接收装置的独立性，提高了回波信号的传输距离。

本发明采用的微波谐振结构具有较高的品质因数，提高了信号的接收精度；同时，双谐振结构的测试方法，利用微波校准技术，有效地去除了温度对测试结果的影响，提高了信号的提取纯度与准确度。

本发明采用了高温环境下设置无源压力敏感结构的方法，不同于有源结构，无源结构可以降低温度的限制，便于采用耐高温材料实现；在常温区设置接收与处理装置，可避开高温环境这一约束条件，降低研制难度与成本。

本发明还提出了一种基于微波校准技术的双谐振腔压力测试方法，其工作原理与上述测试系统相同，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。