一種基于無源無線傳感裝置實現(xiàn)特殊環(huán)境下物理參數(shù)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下物理參數(shù)提取的新方法。傳統(tǒng)的物理參數(shù)提取方法具有一定的適用性，但它們通常不能與復(fù)雜特殊環(huán)境所兼容，這些物理參數(shù)提取裝置必須要在如高溫、高壓等特殊環(huán)境下長時間工作，因此傳統(tǒng)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(shè)計了一種新型無源無線微波諧振敏感參數(shù)提取方法，無源微波諧振結(jié)構(gòu)直接工作于復(fù)雜環(huán)境下，物理參數(shù)提取裝置遠(yuǎn)距離工作于一般環(huán)境下，利用微波諧振頻率與被測環(huán)境下物理參數(shù)的一一變換關(guān)系，實現(xiàn)特殊復(fù)雜環(huán)境下的物理參數(shù)提取。

關(guān)鍵詞：無源;微波諧振結(jié)構(gòu);物理參數(shù);特殊環(huán)境

Ⅰ引言

隨著國內(nèi)裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，許多特殊設(shè)備或特殊材料的加工制備及測試均需要在特殊環(huán)境下（如高溫、高壓等）才能完成，部分關(guān)鍵組件長期處于特殊的環(huán)境中，需要實時準(zhǔn)確的監(jiān)測其所處特殊環(huán)境的物理參數(shù)數(shù)據(jù)。這些特殊環(huán)境下物理參數(shù)的獲取，對裝備制造業(yè)工藝水平和產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的提高有著至關(guān)重要的作用，但是，由于受到特殊環(huán)境的限制，這些物理參數(shù)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(tǒng)的物理參數(shù)提取方法無法實現(xiàn)物理參數(shù)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(dǎo)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(tǒng)測試方法存在測試結(jié)果不準(zhǔn)確、響應(yīng)速度慢等問題。此外，特殊環(huán)境下的物理參數(shù)測試，通常包含很強的多頻、非規(guī)則背景雜波。一般來說，背景雜波強度遠(yuǎn)超過測試設(shè)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(shè)備接收信號的頻譜分布重疊，在頻域范圍內(nèi)，很難對背景雜波信號進(jìn)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(shù)提取設(shè)備的設(shè)計難度與材料成本、提高物理參數(shù)提取設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境與傳輸距離，并從伴有高強度背景雜波中穩(wěn)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(shù)提取系統(tǒng)

現(xiàn)有的物體參數(shù)提取方法，不能適用于某些特殊環(huán)境（如高溫、高壓等）下的物理參數(shù)測試，當(dāng)下主要依賴于外推、引壓等間接測試方法，存在結(jié)果不準(zhǔn)確、動態(tài)響應(yīng)不夠等問題，無法實現(xiàn)特殊環(huán)境下物理參數(shù)的實時檢測與控制，其特殊環(huán)境下物理參數(shù)測試技術(shù)已經(jīng)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(huán)境下物理參數(shù)提取方法，如圖1所示，為該物理參數(shù)提取方法的方案框圖，主要由特殊環(huán)境下的發(fā)射單元和一般環(huán)境下的接收單元兩部分組成。首先，接收單元的射頻源發(fā)射的信號，通過電橋分為兩路，其中一路信號與本振源經(jīng)由參考混頻器進(jìn)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(fā)射到接收天線，利用接收天線提取經(jīng)由發(fā)射天線與微波諧振結(jié)構(gòu)組成發(fā)射單元的反射信號。然后，接收到的反射信號通過耦合器進(jìn)入接收混頻器，利用接收混頻器與本振源進(jìn)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(jìn)入中頻放大調(diào)理單元，調(diào)理比較后的信號通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入信號轉(zhuǎn)換與處理平臺，得到特殊環(huán)境下的微波諧振結(jié)構(gòu)諧振頻率的回波信號，其中微波諧振結(jié)構(gòu)在不同的物理參數(shù)指標(biāo)下，其諧振頻率會有相應(yīng)的漂移，通過檢測微波諧振結(jié)構(gòu)的頻漂，由微波諧振頻率與 物理參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系得到物理參數(shù)信息，完成特殊環(huán)境下的物理參數(shù)的提取。

發(fā)射單元由發(fā)射天線和諧振器組成。諧振器對測量的物理參數(shù)很敏感。物理參數(shù)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(zhì)，諧振器沉積在電介質(zhì)內(nèi)部，裝置頂部有一個敏感薄膜，薄膜用電介質(zhì)密封產(chǎn)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(shù)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(jìn)而產(chǎn)生諧振頻率的改變。

Ⅲ.背景雜波抑制方法

此外，特殊環(huán)境下的物理參數(shù)測試，通常包含很強的多頻、非規(guī)則背景雜波，一般來說，背景雜波強度遠(yuǎn)超過測試設(shè)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(zhǔn)確度，信號轉(zhuǎn)換與處理平臺將讀取的微波回波信號進(jìn)行傅里葉反變換，得到回波信號的時域數(shù)據(jù)。再根據(jù)諧振結(jié)構(gòu)的距離位置信息，設(shè)置適當(dāng)?shù)臅r間門函數(shù)，對回波信號進(jìn)行加門處理，以濾除背景雜波。最后，再進(jìn)行傅里葉變換，重新得到處理后回波信號的頻域數(shù)據(jù)。利用諧振頻率與物理參數(shù)的關(guān)系，即可以實現(xiàn)特殊 環(huán)境下的物理參數(shù)測試。該方法有效地抑制了特殊環(huán)境下提取物理參數(shù)的背景雜波，降低了特殊背景環(huán)境對參數(shù)提取的影響，提高了物理參數(shù)提取的信噪比，增加了物理參數(shù)提取的準(zhǔn)確度。

Ⅳ.性能測試結(jié)果

為了驗證本文提出無理參數(shù)提取方法的可行性，本文設(shè)計了一個的特定諧振器。該諧振器可作為高溫環(huán)境下的壓力傳感器。當(dāng)監(jiān)測的壓力參數(shù)發(fā)生變化時，諧振器頂部和底部之間的間隙將發(fā)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(shù)測試系統(tǒng)。使用本文介紹的方法，在不同溫度下的測量結(jié)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(dāng)溫度從25℃升高到700℃時，諧振頻率會發(fā)生變化。

Ⅴ.結(jié)論

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

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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(shù)重點實驗室）