[0001] 本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度‑压力传感器及其测试方法。

[0002] 针对航空航天、能源开发及运输等领域面临的高温、高压等恶劣环境，探索恶劣环境下温度、压力等参数的无源遥测方法尤为迫切，实现高温环境下温度、压力等参数的实时原位测量将对上述领域中的装备制造和测试、发动机设计、安全事故防护等提供有效的测试手段。

[0003] 航天飞行器运行过程中往往伴随着高温、高旋等恶劣环境，尤其是高超音速飞行器表面、航空发动机以及燃气轮机等关键部位，局部温度甚至超过1500℃，因此，恶劣环境下温度、压力等参数的原位实时获取，对于航天飞行器的材料选型、结构设计以及防护措施等具有重要意义。例如，航天飞行器在高速运行时，表面蒙皮与大气层摩擦，产生大量热量，蒙皮表面的温度、气动载荷以及振动测试对于蒙皮结构设计以及防护措施至关重要；航空发动机燃烧室内的温度超过1000℃，工作压力超过1.2MPa,燃烧室内部温度以及压力参数的实时监测对材料选型以及失效分析具有重要意义；航天发动机涡轮叶片伴随着超高温、强气流以及剧烈振动的恶劣环境，极易受到损伤甚至产生裂纹，涡轮叶片的质量直接决定航天发动机的性能，因此对涡轮叶片温度、压力以及振动等各参数的实时原位监测对于航天发动机的安全运行尤为重要。

[0004] 常规的传感器已经难以满足高温等恶劣环境下的温度、压力等参数的测试需求。目前高温环境下压力参数的测试主要依赖两种方法。一种是采用长引压管+低温压力传感器的方式来进行压力测量，该方法在长时间应用时会产生严重的局限性：一方面长引压管会带来高频信号失真，另一方面引压管传热使得这种系统只能工作几十到几百秒的时间，对于长时间飞行过程进行全程监控难以实现。另一种是采用外推、间接测量或者冷却的方式，存在无法原位准确获取、信号失真、系统复杂程度高等问题。

[0005] 目前的无线微波传感器大多采用单一的贴片天线和缝隙天线进行信号的传输，存在传感器尺寸较大、集成度低等问题。

[0026] 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。

[0027] 参考图1至图3，一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度‑压力传感器，包括基底1，基底1底部设有空腔2，空腔2的正上方设有开口谐振环3，开口谐振环3与基底1表面固定连接，开口谐振环3上对称设有矩形贴片4。

[0028] 基底1的面积平面尺寸≤ 30 × 30 mm2，厚度≤ 0.3 mm，空腔2的的尺寸为10 mm × 10 mm × 0.1 mm。

[0029] 开口谐振环3的外径长度a为12 14 mm，外径宽度s为0.5 2.00 mm。~ ~

[0030] 开口谐振环3的环间距g为0.3 1.2 mm。~

[0031] 矩形贴片4的宽度t为3 7 mm。~

[0032] 基底1采用耐高温HTCC材料，开口谐振环3的材料采用铂金浆料。

[0033] 一种基于开口谐振环的薄膜型高温温度‑压力传感器的测试方法，包括读取设备，所述读取设备包括询问天线和网络分析仪，包括以下步骤：

[0034] S1：将传感器与读取设备上的询问天线耦合连接，所述询问天线与传感器上开口谐振环3正对放置；

[0035] S2：网络分析仪发出扫频信号激励传感器工作，传感器发生谐振，将回波信号发射回询问天线端；传感器的谐振频率可由公式（1）表示，
（1）
其中，LS代表传感器等效电路中的电感，CS代表传感器等效电路中的电容；
由于反射波减少了谐振频率下的电磁能量，用输入回波损耗的对数形式显示反射波幅值和入射波幅值的比值关系来获取传感器信号的变化，反射系数如公式（2）所示，
（2）
其中，Zin代表读取等效电路中的阻抗；
回波损耗与反射系数的关系如公式（3）所示，
（3）

[0036] S3：利用回波损耗曲线谐振强度的变化监测环境温度的变化，传感器的输入回波损耗强度主要由电路中等效电阻决定，即传感器的金属表面电阻，温度升高会导致等效电路的电阻增加，从而使输入阻抗变小，导致反射系数的模数增加，从而导致回波损耗的幅度减小，其原理如公式（4）所示，（4）

[0037] S4：利用回波损耗曲线谐振频率的变化监测环境压力的变化，传感器的谐振频率主要和等效电容有关，压力增大会引起等效电路中电容增加，导致传感器的谐振频率降低，其原理如公式（5）所示，。 （5）

[0038] 本发明的传感器不仅体积小，并且测量误差较小，各参数测量范围和精度为：压力，低量程0 3bar，误差0.1bar，大量程0 200bar，误差10bar；温度0 1000℃，误差5℃。~ ~ ~

[0039] 参考图4，利用HFSS仿真软件对传感器的主要参数进行了仿真优化，可以看出，当开口谐振环的尺寸参数发生变化时会引起传感器谐振频率和谐振强度发生变化，当谐振环的长度变大时，传感器的谐振频率变小，因此，我们可以通过调控谐振环的尺寸参数实现某个频段（2.4GHz、5.2GHz）的传感器的设计。

[0040] 参考图5，可以看出，电场集中分布在中间矩形贴片的开口处及开口谐振环的开口位置，因此将密封空腔置于中间贴片开口处的正下方可提高传感器的压力测试灵敏度。

[0041] 参考图6，通过改变空腔高度的大小来模拟电容的变化，改变表面金属的电阻率模拟电阻的变化。当压力增大到300 kPa时，空腔的形变大致为7μm，将空腔的高度从0.1 mm减小到0.092 mm，传感器的上下金属基板间电容从6.82 pF增加到7.69 pF，传感器的S11曲线如图5(a)所示。将不同电容值下的S11曲线中的谐振频率和幅值进行提取绘制电容‑谐振频率和电容‑幅值关系曲线，如图5(b)所示，由此可以看出，当电容从6.82 pF增加到7.69 pF时，传感器的谐振频率从1.822 GHz减小到1.701 GHz，幅值在‑34dB到‑37dB之间变动，传感器谐振频率随压力的变化几乎呈线性关系，而幅值在高压的范围内变化微小。同样地，我们将传感器的表面金属电导率从15 MS/m增加到55 MS/m，传感器对应的S11输出曲线如图5(c)所示。将不同金属电导率下的S11曲线中的谐振频率和幅值进行提取绘制电导率‑谐振频率和电导率‑幅值关系曲线，如图5 (d)所示，由此可以看出，金属电导率的变化对传感器的谐振频率几乎没有影响，而幅值随着电导率的增加呈线性的变化。基于以上仿真数据，可利用幅值的变化实现对温度信号的提取利用谐振频率实现对压力信号的获取，以此利用一个频率点实现两个参数的提取。

[0042] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。