帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器及其溫度補償算法

2023-11-01 14:15:22 2

帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器及其溫度補償算法
【專利摘要】本發明涉及無線無源高溫壓力傳感器，具體是一種帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器及其溫度補償算法。本發明解決了現有無線無源高溫壓力傳感器無法在溫度時刻變化的環境下進行壓力測量的問題。帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器，包括第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片；第一生瓷片的上表面左部布置有第一平板電容器的下極板；第一生瓷片的上表面右部布置有第二平板電容器的下極板；第一電感線圈與第一平板電容器共同構成溫度補償敏感LC環路；第二電感線圈與第二平板電容器共同構成主敏感LC環路。本發明適用於自動化、航天、航空、國防軍工領域高溫環境下的壓力測量。
【專利說明】帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器及其溫度補償算法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線無源高溫壓力傳感器，具體是一種帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器及其溫度補償算法。
【背景技術】
[0002]無線無源高溫壓力傳感器因其能夠實現數據的非接觸無線讀取以及敏感頭無源(不含有源器件)等特性，而被廣泛應用於自動化、航天、航空、國防軍工領域高溫環境下的壓力測量。在現有技術條件下，無線無源高溫壓力傳感器受自身結構所限，只能在溫度恆定的環境下進行壓力測量(當其在不同溫度的環境下進行壓力測量時，需要事先在該溫度下進行壓力標定)，而無法在溫度時刻變化的環境下進行壓力測量。因此，現有無線無源高溫壓力傳感器已經無法滿足複雜環境下的壓力測試需求。為此有必要發明一種全新的無線無源高溫壓力傳感器，以解決現有無線無源高溫壓力傳感器無法在溫度時刻變化的環境下進行壓力測量的問題。

【發明內容】

[0003]本發明為了解決現有無線無源高溫壓力傳感器無法在溫度時刻變化的環境下進行壓力測量的問題，提供了一種帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器及其溫度補償算法。
[0004]本發明是採用如下技術方案實現的:帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器，包括第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片；第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片自下而上依次層疊成一體；第一生瓷片的上表面左部布置有第一平板電容器的下極板；第一生瓷片的上表面右部布置有第二平板電容器的下極板；第一生瓷片的左後部開設有上下貫通的第一排氣孔；第一生瓷片的右後部開設有上下貫通的第二排氣孔；第二排氣孔的孔口封堵有玻璃漿料；第二生瓷片的左部開設有上下貫通的第一電容介質孔；第二生瓷片的右部開設有上下貫通的第二電容介質孔；第一電容介質孔與第一平板電容器的下極板位置正對；第二電容介質孔與第二平板電容器的下極板位置正對；第一電容介質孔的後孔壁開設有第一排氣通道；第二電容介質孔的後孔壁開設有第二排氣通道；第一排氣通道的後端與第一排氣孔對應貫通；第二排氣通道的後端與第二排氣孔對應貫通；第三生瓷片的上表面左部布置有第一平板電容器的上極板；第三生瓷片的上表面右部布置有第二平板電容器的上極板；第一平板電容器的上極板與第一電容介質孔位置正對；第二平板電容器的上極板與第二電容介質孔位置正對；第四生瓷片的上表面左部布置有第一電感線圈；第四生瓷片的上表面右部布置有第二電感線圈；第一生瓷片的下表面與第四生瓷片的上表面之間開設有上下貫通的過孔；過孔內穿設有過孔連線；第一電感線圈的外端通過過孔連線與第一平板電容器的下極板連接；第一電感線圈的內端通過過孔連線與第一平板電容器的上極板連接；第一電感線圈與第一平板電容器共同構成溫度補償敏感LC環路；第二電感線圈的外端通過過孔連線與第二平板電容器的下極板連接；第二電感線圈的內端通過過孔連線與第二平板電容器的上極板連接；第二電感線圈與第二平板電容器共同構成主敏感LC環路。
[0005]具體工作過程如下:當測量環境中的溫度和壓力均發生變化時，第二平板電容器介質的相對介電常數隨溫度變化而發生變化。由於第二排氣孔的孔口封堵有玻璃漿料，使得第二電容介質孔和第二排氣通道共同構成氣密的空腔，第二平板電容器的極板間距(即下極板與上極板之間的距離)在壓力作用下也會發生變化。因此，第二平板電容器的電容值同時受溫度變化的影響和壓力變化的影響而發生變化，使得主敏感LC環路的諧振頻率同時受溫度變化的影響和壓力變化的影響而發生變化。與此同時，第一平板電容器介質的相對介電常數隨溫度變化而發生變化。由於第一排氣孔的孔口未被封堵，第一平板電容器的極板間距(即下極板與上極板之間的距離)在壓力作用下不會發生變化。因此，第一平板電容器的電容值僅受溫度變化的影響而發生變化，使得溫度補償敏感LC環路的諧振頻率僅受溫度變化的影響。此時，通過外部線圈天線分別實時讀取主敏感LC環路的諧振頻率和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率，並通過利用溫度補償算法，即可準確得出測量環境中的壓力值。在上述過程中，第一排氣孔、第二排氣孔、第一排氣通道、第二排氣通道的作用是保證層疊過程中的碳膜在燒結氧化後排出。第五生瓷片的作用是保證第一電感線圈和第二電感線圈不暴露於惡劣環境中(既可以有效防止第一電感線圈和第二電感線圈在高溫下氧化，又可以防止第一電感線圈和第二電感線圈在腐蝕性環境下被腐蝕)，同時提高傳感器的整體結構強度。
[0006]帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的溫度補償算法(該算法在本發明所述的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器中完成)，該算法是採用如下步驟實現的:
[0007]a.在常溫常壓環境下，分別標定出主敏感LC環路的諧振頻率&和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率；
[0008]b.當測量環境中的溫度和壓力均發生變化時，主敏感LC環路的諧振頻率同時受溫度變化的影響和壓力變`化的影響而發生變化，溫度補償敏感LC環路的諧振頻率僅受溫度變化的影響而發生變化；通過外部線圈天線分別實時讀取主敏感LC環路的諧振頻率f2和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率；
[0009]c.根據溫度補償敏感LC環路的諧振頻率4、主敏感LC環路的諧振頻率f2、溫度補償敏感LC環路的諧振頻率，計算出主敏感LC環路在僅受壓力變化的影響時的諧振頻
率fp ;計算公式為:fP ^ ;

Jl
[0010]d.將主敏感LC環路在僅受壓力變化的影響時的諧振頻率fp與主敏感LC環路在常溫環境下標定的壓力——諧振頻率表進行對照，即可得出測量環境中的壓力值。
[0011]與現有無線無源高溫壓力傳感器相比，本發明所述的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器及其溫度補償算法通過採用溫度補償敏感LC環路，並通過利用溫度補償算法，實現了在溫度時刻變化的環境下準確地進行壓力測量，由此有效解決了現有無線無源高溫壓力傳感器無法在溫度時刻變化的環境下進行壓力測量的問題。同時，本發明所述的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器具有成本低、尺寸小、能批量生產等優點，可以滿足自動化、航天、航空、國防軍工領域對高溫環境下的壓力測試需求。
[0012]本發明結構合理、設計巧妙，有效解決了現有無線無源高溫壓力傳感器無法在溫度時刻變化的環境下進行壓力測量的問題，適用於自動化、航天、航空、國防軍工領域高溫環境下的壓力測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的整體結構示意圖。
[0014]圖2是本發明的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的分體結構示意圖。
[0015]圖3是本發明的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的第一生瓷片的結構示意圖。
[0016]圖4是本發明的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的第二生瓷片的結構示意圖。
[0017]圖5是本發明的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的第三生瓷片的結構示意圖。
[0018]圖6是本發明的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的第四生瓷片的結構示意圖。
[0019]圖7是本發明的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的第五生瓷片的結構示意圖。
[0020]圖中:1_第一生瓷片，2-第二生瓷片，3-第三生瓷片，4-第四生瓷片，5-第五生瓷片，6-第一平板電容器的下極板，7-第二平板電容器的下極板，8-第一排氣孔，9-第二排氣孔，10-第一電容介質孔,11-第二電容介質孔,12-第一排氣通道,13-第二排氣通道,14-第一平板電容器的上極板，15-第二平板電容器的上極板，16-第一電感線圈，17-第二電感線圈，18-過孔，19-過孔連線，20-玻璃漿料，21-印刷連接線。
【具體實施方式】
[0021]帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器，包括第一生瓷片1、第二生瓷片2、第三生瓷片3、第四生瓷片4、第五生瓷片5 ；
[0022]第一生瓷片1、第二生瓷片2、第三生瓷片3、第四生瓷片4、第五生瓷片5自下而上依次層疊成一體；
[0023]第一生瓷片I的上表面左部布置有第一平板電容器的下極板6 ;第一生瓷片I的上表面右部布置有第二平板電容器的下極板7 ;第一生瓷片I的左後部開設有上下貫通的第一排氣孔8 ;第一生瓷片I的右後部開設有上下貫通的第二排氣孔9 ;第二排氣孔9的孔口封堵有玻璃漿料20 ；
[0024]第二生瓷片2的左部開設有上下貫通的第一電容介質孔10 ;第二生瓷片2的右部開設有上下貫通的第二電容介質孔11 ;第一電容介質孔10與第一平板電容器的下極板6位置正對；第二電容介質孔11與第二平板電容器的下極板7位置正對；
[0025]第一電容介質孔10的後孔壁開設有第一排氣通道12 ;第二電容介質孔11的後孔壁開設有第二排氣通道13 ;第一排氣通道12的後端與第一排氣孔8對應貫通；第二排氣通道13的後端與第二排氣孔9對應貫通；
[0026]第三生瓷片3的上表面左部布置有第一平板電容器的上極板14 ;第三生瓷片3的上表面右部布置有第二平板電容器的上極板15 ;第一平板電容器的上極板14與第一電容介質孔10位置正對；第二平板電容器的上極板15與第二電容介質孔11位置正對；
[0027]第四生瓷片4的上表面左部布置有第一電感線圈16 ;第四生瓷片4的上表面右部布置有第二電感線圈17 ；
[0028]第一生瓷片I的下表面與第四生瓷片4的上表面之間開設有上下貫通的過孔18 ；過孔18內穿設有過孔連線19 ；
[0029]第一電感線 圈16的外端通過過孔連線19與第一平板電容器的下極板6連接；第一電感線圈16的內端通過過孔連線19與第一平板電容器的上極板14連接；第一電感線圈16與第一平板電容器共同構成溫度補償敏感LC環路；
[0030]第二電感線圈17的外端通過過孔連線19與第二平板電容器的下極板7連接；第二電感線圈17的內端通過過孔連線19與第二平板電容器的上極板15連接；第二電感線圈17與第二平板電容器共同構成主敏感LC環路。
[0031]主敏感LC環路、溫度補償敏感LC環路共同與一個外部線圈天線耦合。
[0032]帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的溫度補償算法(該算法在本發明所述的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器中完成)，該算法是採用如下步驟實現的:
[0033]a.在常溫常壓環境下，分別標定出主敏感LC環路的諧振頻率&和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率；
[0034]b.當測量環境中的溫度和壓力均發生變化時，主敏感LC環路的諧振頻率同時受溫度變化的影響和壓力變化的影響而發生變化，溫度補償敏感LC環路的諧振頻率僅受溫度變化的影響而發生變化；通過外部線圈天線分別實時讀取主敏感LC環路的諧振頻率f2和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率；
[0035]c.根據溫度補償敏感LC環路的諧振頻率4、主敏感LC環路的諧振頻率f2、溫度補償敏感LC環路的諧振頻率，計算出主敏感LC環路在僅受壓力變化的影響時的諧振頻
率fp ;計算公式為:fp;

Jl
[0036]d.將主敏感LC環路在僅受壓力變化的影響時的諧振頻率fp與主敏感LC環路在常溫環境下標定的壓力——諧振頻率表進行對照，即可得出測量環境中的壓力值。
[0037]具體實施時，第一生瓷片I的上表面、第三生瓷片3的上表面均布置有印刷連接線21。第一平板電容器的下極板6、第二平板電容器的下極板7、第一平板電容器的上極板14、第二平板電容器的上極板15均依次通過印刷連接線21、過孔18與過孔連線19連接。第一電感線圈16與第二電感線圈17並行布置，二者沒有重疊部分，使得第一電感線圈與第二電感線圈之間的互感可以忽略不計。第一電感線圈16的電感值小於第二電感線圈17的電感值，第一平板電容器在常溫常壓環境下的電容值等於第二平板電容器在常溫常壓環境下的電容值，由此保證了當測量環境中的溫度和壓力均發生變化時，主敏感LC環路的諧振頻率始終小於溫度補償敏感LC環路的諧振頻率。當通過外部線圈天線分別實時讀取主敏感LC環路的諧振頻率和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率時，外部線圈天線的阻抗相位角會出現兩個相位波谷點，兩個相位波谷點分別對應主敏感LC環路的諧振頻率和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率(相位波谷點處頻率小的對應主敏感LC環路的諧振頻率，相位波谷點處頻率大的對應溫度補償敏感LC環路的諧振頻率)。
[0038]所述計算公式的具體推導過程如下:[0039]根據平板電容器的計算公式:
[0040]
【權利要求】
1.一種帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器，其特徵在於:包括第一生瓷片(I)、第二生瓷片(2)、第三生瓷片(3)、第四生瓷片(4)、第五生瓷片(5)； 第一生瓷片(I)、第二生瓷片(2)、第三生瓷片(3)、第四生瓷片(4)、第五生瓷片(5)自下而上依次層疊成一體； 第一生瓷片(I)的上表面左部布置有第一平板電容器的下極板(6);第一生瓷片(I)的上表面右部布置有第二平板電容器的下極板(7);第一生瓷片(I)的左後部開設有上下貫通的第一排氣孔(8);第一生瓷片(I)的右後部開設有上下貫通的第二排氣孔(9);第二排氣孔(9)的孔口封堵有玻璃漿料(20)； 第二生瓷片(2)的左部開設有上下貫通的第一電容介質孔(10);第二生瓷片(2)的右部開設有上下貫通的第二電容介質孔(11);第一電容介質孔(10)與第一平板電容器的下極板(6)位置正對；第二電容介質孔(11)與第二平板電容器的下極板(7)位置正對； 第一電容介質孔(10)的後孔壁開設有第一排氣通道(12);第二電容介質孔(11)的後孔壁開設有第二排氣通道(13);第一排氣通道(12)的後端與第一排氣孔(8)對應貫通；第二排氣通道(13)的後端與第二排氣孔(9)對應貫通； 第三生瓷片(3)的上表面左部布置有第一平板電容器的上極板(14);第三生瓷片(3)的上表面右部布置有第二平板電容器的上極板(15);第一平板電容器的上極板(14)與第一電容介質孔(10 )位置正對；第二平板電容器的上極板(15 )與第二電容介質孔(11)位置正對； 第四生瓷片(4)的上表面左部布置有第一電感線圈(16);第四生瓷片(4)的上表面右部布置有第二電感線圈(17)； 第一生瓷片(I)的下表面與第四生瓷片(4)的上表面之間開設有上下貫通的過孔(18);過孔(18)內穿設有過孔連線(19)； 第一電感線圈(16)的外端通過過孔連線(19)與第一平板電容器的下極板(6)連接；第一電感線圈(16)的內端通過過孔連線(19)與第一平板電容器的上極板(14)連接；第一電感線圈(16)與第一平板電容器共同構成溫度補償敏感LC環路； 第二電感線圈(17)的外端通過過孔連線(19)與第二平板電容器的下極板(7)連接；第二電感線圈(17)的內端通過過孔連線(19)與第二平板電容器的上極板(15)連接；第二電感線圈(17)與第二平板電容器共同構成主敏感LC環路。
2.根據權利要求1所述的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器，其特徵在於:主敏感LC環路、溫度補償敏感LC環路共同與一個外部線圈天線耦合。
3.—種帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器的溫度補償算法，該算法在如權利要求1所述的帶溫度補償的無線無源高溫壓力傳感器中完成，其特徵在於:該算法是採用如下步驟實現的: a.在常溫常壓環境下，分別標定出主敏感LC環路的諧振頻率&和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率fca ; b.當測量環境中的溫度和壓力均發生變化時，主敏感LC環路的諧振頻率同時受溫度變化的影響和壓力變化的影響而發生變化，溫度補償敏感LC環路的諧振頻率僅受溫度變化的影響而發生變化；通過外部線圈天線分別實時讀取主敏感LC環路的諧振頻率f2和溫度補償敏感LC環路的諧振頻率；C.根據溫度補償敏感LC環路的諧振頻率4、主敏感LC環路的諧振頻率f2、溫度補償敏感LC環路的諧振頻率f1;計算出主敏感LC環路在僅受壓力變化的影響時的諧振頻率fp ；計算公式為:fP; d.將主敏感LC環路在僅受壓力變化的影響時的諧振頻率fp與主敏感LC環路在常溫環境下標定的壓力——諧振頻率表 進行對照，即可得出測量環境中的壓力值。
【文檔編號】G01L19/04GK103698060SQ201310726851
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】譚秋林, 熊繼軍, 羅濤, 張文棟, 梁庭, 劉俊, 薛晨陽, 康昊, 李晨, 任重, 楊明亮, 王曉龍 申請人:中北大學