一种基于无源无线传感装置实现特殊环境下物理参数提取的新方法

张文强 宁曰民 朱伟峰

摘要：本文提出了一种利用无源微波谐振结构实现复杂环境下物理参数提取的新方法。传统的物理参数提取方法具有一定的适用性，但它们通常不能与复杂特殊环境所兼容，这些物理参数提取装置必须要在如高温、高压等特殊环境下长时间工作，因此传统的有源有线测试方法不能满足测试需求。为了克服这些问题，本文设计了一种新型无源无线微波谐振敏感参数提取方法，无源微波谐振结构直接工作于复杂环境下，物理参数提取装置远距离工作于一般环境下，利用微波谐振频率与被测环境下物理参数的一一变换关系，实现特殊复杂环境下的物理参数提取。

关键词：无源;微波谐振结构;物理参数;特殊环境

Ⅰ引言

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特殊环境下（如高温、高压等）才能完成，部分关键组件长期处于特殊的环境中，需要实时准确的监测其所处特殊环境的物理参数数据。这些特殊环境下物理参数的获取，对装备制造业工艺水平和产品技术指标的提高有着至关重要的作用，但是，由于受到特殊环境的限制，这些物理参数的获取方法却无法在直接完成，只能借助于其它方法间接得到。传统的物理参数提取方法无法实现物理参数的原位实时测试，只能借助于其它间接方法来得到，如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準确、响应速度慢等问题。此外，特殊环境下的物理参数测试，通常包含很强的多频、非规则背景杂波。一般来说，背景杂波强度远超过测试设备本身接收的信号，或者说接收的信号信噪比非常差。从频域看，背景杂波与测试设备接收信号的频谱分布重叠，在频域范围内，很难对背景杂波信号进行有效抑制或消除，需另寻其它方法。因此，如何降低物理参数提取设备的设计难度与材料成本、提高物理参数提取设备的应用环境与传输距离，并从伴有高强度背景杂波中稳定、可靠地检测出物理参量是急需解决的问题。

Ⅱ无源无线物理参数提取系统

现有的物体参数提取方法，不能适用于某些特殊环境（如高温、高压等）下的物理参数测试，当下主要依赖于外推、引压等间接测试方法，存在结果不准确、动态响应不够等问题，无法实现特殊环境下物理参数的实时检测与控制，其特殊环境下物理参数测试技术已经成为制约装备性能提升的“瓶颈”。

本文提出了一种基于谐振频率测试的特殊环境下物理参数提取方法，如图1所示，为该物理参数提取方法的方案框图，主要由特殊环境下的发射单元和一般环境下的接收单元两部分组成。首先，接收单元的射频源发射的信号，通过电桥分为两路，其中一路信号与本振源经由参考混频器进行混频，混频后的参考中频信号（IFR）作为参考信号;另一路信号发射到接收天线，利用接收天线提取经由发射天线与微波谐振结构组成发射单元的反射信号。然后，接收到的反射信号通过耦合器进入接收混频器，利用接收混频器与本振源进行混频得到本振中频信号（IFA），同之前混频得到的参考中频一同进入中频放大调理单元，调理比较后的信号通过 A/D 转换器转换后，进入信号转换与处理平台，得到特殊环境下的微波谐振结构谐振频率的回波信号，其中微波谐振结构在不同的物理参数指标下，其谐振频率会有相应的漂移，通过检测微波谐振结构的频漂，由微波谐振频率与 物理参数的对应关系得到物理参数信息，完成特殊环境下的物理参数的提取。

发射单元由发射天线和谐振器组成。谐振器对测量的物理参数很敏感。物理参数传感器的截面如图2所示。传感器由四部分组成：传感器底部是电介质，谐振器沉积在电介质内部，装置顶部有一个敏感薄膜，薄膜用电介质密封产生了一个气隙，即膜和谐振器之间的距离。气隙可以充满空气或其它气体。对于这里介绍的单元，物理参数的变化会引起薄膜的形变，改变谐振器上方的气体缝隙。这种变化会影响谐振器中电磁场分布的变化，进而产生谐振频率的改变。

Ⅲ.背景杂波抑制方法

此外，特殊环境下的物理参数测试，通常包含很强的多频、非规则背景杂波，一般来说，背景杂波强度远超过测试设备本身接收的信号，为了有效地抑制背景杂波，提高了微谐振频率回波信号的接收效率和准确度，信号转换与处理平台将读取的微波回波信号进行傅里叶反变换，得到回波信号的时域数据。再根据谐振结构的距离位置信息，设置适当的时间门函数，对回波信号进行加门处理，以滤除背景杂波。最后，再进行傅里叶变换，重新得到处理后回波信号的频域数据。利用谐振频率与物理参数的关系，即可以实现特殊 环境下的物理参数测试。该方法有效地抑制了特殊环境下提取物理参数的背景杂波，降低了特殊背景环境对参数提取的影响，提高了物理参数提取的信噪比，增加了物理参数提取的准确度。

Ⅳ.性能测试结果

为了验证本文提出无理参数提取方法的可行性，本文设计了一个的特定谐振器。该谐振器可作为高温环境下的压力传感器。当监测的压力参数发生变化时，谐振器顶部和底部之间的间隙将发生变化。如图所示为其仿真曲线，谐振频率会随着缝隙的减小而减小。

本文建立了由天线和谐振器组成的无线无源物理参数测试系统。使用本文介绍的方法，在不同温度下的测量结果如图4所示。随着力的增大，谐振器的间隙减小。因此，谐振器的谐振频率（f r）随盖的减小而减小。当温度从25℃升高到700℃时，谐振频率会发生变化。

Ⅴ.结论

综上所述，本文提出的一种基于谐振频率测试的特殊环境物理参数提取方法，利用发射单元与接收单元的分区设计，有效的避开了特殊环境这一约束限制，减小了设计成 本与难度，降低了特殊背景环境对参数提取的影响，提高了物理参数提取的信噪比，能够准确并高效的实时测试特殊环境下的物理参数。

参考文献：

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（作者单位：中电科仪器仪表有限公司;电子测试技术重点实验室）