一種基于無源無線傳感裝置實現特殊環境下物理參數提取的新方法

張文強 寧曰民 朱偉峰

摘要：本文提出了一種利用無源微波諧振結構實現復雜環境下物理參數提取的新方法。傳統的物理參數提取方法具有一定的適用性，但它們通常不能與復雜特殊環境所兼容，這些物理參數提取裝置必須要在如高溫、高壓等特殊環境下長時間工作，因此傳統的有源有線測試方法不能滿足測試需求。為了克服這些問題，本文設計了一種新型無源無線微波諧振敏感參數提取方法，無源微波諧振結構直接工作于復雜環境下，物理參數提取裝置遠距離工作于一般環境下，利用微波諧振頻率與被測環境下物理參數的一一變換關系，實現特殊復雜環境下的物理參數提取。

關鍵詞：無源;微波諧振結構;物理參數;特殊環境

Ⅰ引言

隨著國內裝備制造業的快速發展，許多特殊設備或特殊材料的加工制備及測試均需要在特殊環境下（如高溫、高壓等）才能完成，部分關鍵組件長期處于特殊的環境中，需要實時準確的監測其所處特殊環境的物理參數數據。這些特殊環境下物理參數的獲取，對裝備制造業工藝水平和產品技術指標的提高有著至關重要的作用，但是，由于受到特殊環境的限制，這些物理參數的獲取方法卻無法在直接完成，只能借助于其它方法間接得到。傳統的物理參數提取方法無法實現物理參數的原位實時測試，只能借助于其它間接方法來得到，如理論模型推導或者間接測試反推，但是，由于模型誤差和反推測試的實時性較差，傳統測試方法存在測試結果不準確、響應速度慢等問題。此外，特殊環境下的物理參數測試，通常包含很強的多頻、非規則背景雜波。一般來說，背景雜波強度遠超過測試設備本身接收的信號，或者說接收的信號信噪比非常差。從頻域看，背景雜波與測試設備接收信號的頻譜分布重疊，在頻域范圍內，很難對背景雜波信號進行有效抑制或消除，需另尋其它方法。因此，如何降低物理參數提取設備的設計難度與材料成本、提高物理參數提取設備的應用環境與傳輸距離，并從伴有高強度背景雜波中穩定、可靠地檢測出物理參量是急需解決的問題。

Ⅱ無源無線物理參數提取系統

現有的物體參數提取方法，不能適用于某些特殊環境（如高溫、高壓等）下的物理參數測試，當下主要依賴于外推、引壓等間接測試方法，存在結果不準確、動態響應不夠等問題，無法實現特殊環境下物理參數的實時檢測與控制，其特殊環境下物理參數測試技術已經成為制約裝備性能提升的“瓶頸”。

本文提出了一種基于諧振頻率測試的特殊環境下物理參數提取方法，如圖1所示，為該物理參數提取方法的方案框圖，主要由特殊環境下的發射單元和一般環境下的接收單元兩部分組成。首先，接收單元的射頻源發射的信號，通過電橋分為兩路，其中一路信號與本振源經由參考混頻器進行混頻，混頻后的參考中頻信號（IFR）作為參考信號;另一路信號發射到接收天線，利用接收天線提取經由發射天線與微波諧振結構組成發射單元的反射信號。然后，接收到的反射信號通過耦合器進入接收混頻器，利用接收混頻器與本振源進行混頻得到本振中頻信號（IFA），同之前混頻得到的參考中頻一同進入中頻放大調理單元，調理比較后的信號通過 A/D 轉換器轉換后，進入信號轉換與處理平臺，得到特殊環境下的微波諧振結構諧振頻率的回波信號，其中微波諧振結構在不同的物理參數指標下，其諧振頻率會有相應的漂移，通過檢測微波諧振結構的頻漂，由微波諧振頻率與 物理參數的對應關系得到物理參數信息，完成特殊環境下的物理參數的提取。

發射單元由發射天線和諧振器組成。諧振器對測量的物理參數很敏感。物理參數傳感器的截面如圖2所示。傳感器由四部分組成：傳感器底部是電介質，諧振器沉積在電介質內部，裝置頂部有一個敏感薄膜，薄膜用電介質密封產生了一個氣隙，即膜和諧振器之間的距離。氣隙可以充滿空氣或其它氣體。對于這里介紹的單元，物理參數的變化會引起薄膜的形變，改變諧振器上方的氣體縫隙。這種變化會影響諧振器中電磁場分布的變化，進而產生諧振頻率的改變。

Ⅲ.背景雜波抑制方法

此外，特殊環境下的物理參數測試，通常包含很強的多頻、非規則背景雜波，一般來說，背景雜波強度遠超過測試設備本身接收的信號，為了有效地抑制背景雜波，提高了微諧振頻率回波信號的接收效率和準確度，信號轉換與處理平臺將讀取的微波回波信號進行傅里葉反變換，得到回波信號的時域數據。再根據諧振結構的距離位置信息，設置適當的時間門函數，對回波信號進行加門處理，以濾除背景雜波。最后，再進行傅里葉變換，重新得到處理后回波信號的頻域數據。利用諧振頻率與物理參數的關系，即可以實現特殊 環境下的物理參數測試。該方法有效地抑制了特殊環境下提取物理參數的背景雜波，降低了特殊背景環境對參數提取的影響，提高了物理參數提取的信噪比，增加了物理參數提取的準確度。

Ⅳ.性能測試結果

為了驗證本文提出無理參數提取方法的可行性，本文設計了一個的特定諧振器。該諧振器可作為高溫環境下的壓力傳感器。當監測的壓力參數發生變化時，諧振器頂部和底部之間的間隙將發生變化。如圖所示為其仿真曲線，諧振頻率會隨著縫隙的減小而減小。

本文建立了由天線和諧振器組成的無線無源物理參數測試系統。使用本文介紹的方法，在不同溫度下的測量結果如圖4所示。隨著力的增大，諧振器的間隙減小。因此，諧振器的諧振頻率（f r）隨蓋的減小而減小。當溫度從25℃升高到700℃時，諧振頻率會發生變化。

Ⅴ.結論

綜上所述，本文提出的一種基于諧振頻率測試的特殊環境物理參數提取方法，利用發射單元與接收單元的分區設計，有效的避開了特殊環境這一約束限制，減小了設計成 本與難度，降低了特殊背景環境對參數提取的影響，提高了物理參數提取的信噪比，能夠準確并高效的實時測試特殊環境下的物理參數。

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（作者單位：中電科儀器儀表有限公司;電子測試技術重點實驗室）