高級(jí)射頻感測(cè)探針的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】高級(jí)射頻感測(cè)探針
[0001 ] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求提交于2013年11月7日的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/901,052的優(yōu)先權(quán)，上述申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容在此通過(guò)引用整體并入本文。
[0003]本發(fā)明是在美國(guó)能源部資助的合同號(hào)為DE-EE0005653的美國(guó)政府支持下授予的。政府對(duì)本發(fā)明具有一定的權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0004]射頻(RF)-和基于微波的感測(cè)技術(shù)，包括腔體微擾法等，用于從實(shí)驗(yàn)室和研究?jī)x器到過(guò)程控制系統(tǒng)的多種應(yīng)用中并且甚至用于車(chē)載傳感器。在許多應(yīng)用中，天線(xiàn)或探針被用于發(fā)射和/或接收無(wú)線(xiàn)電頻率或微波信號(hào)以進(jìn)行這些測(cè)量。通常情況下，需要額外的信息來(lái)準(zhǔn)確地解釋測(cè)量結(jié)果，因?yàn)橥獠恳蛩?諸如溫度或濕度，例如)可以引入影響測(cè)量的附加變量。
[0005]在許多應(yīng)用中，具有針對(duì)能夠承受高水平的振動(dòng)、大的溫度變化、惡劣或腐蝕性的環(huán)境、暴露于元件、以及類(lèi)似苛刻要求的穩(wěn)健傳感系統(tǒng)的進(jìn)一步需要。這些要求中的許多只能通過(guò)復(fù)雜、笨重、且昂貴的系統(tǒng)滿(mǎn)足，這些系統(tǒng)遭受以下限制。
[0006]第一，使用天線(xiàn)或探針發(fā)射和接收射頻或微波信號(hào)的電流感測(cè)系統(tǒng)需要額外的傳感器來(lái)測(cè)量多個(gè)參數(shù)。通常需要溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等(除天線(xiàn)或探針以夕卜)來(lái)進(jìn)行這些輔助測(cè)量，增加了額外的成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0007]其次，許多常規(guī)的天線(xiàn)和RF/微波探針不穩(wěn)健，并且不能在暴露于高溫、高振動(dòng)水平、熱沖擊、腐蝕性或臟的環(huán)境、氧化或還原條件等的擴(kuò)充操作之后存活。環(huán)境暴露，例如雨、雪、和鹽水以及暴露于化學(xué)品和溶劑諸如油、燃料、酸和類(lèi)似化學(xué)品，也不利于許多常規(guī)RF/微波探頭和天線(xiàn)。
[0008]第三，經(jīng)設(shè)計(jì)用于在惡劣的環(huán)境中操作的RF/微波探針和天線(xiàn)通常是昂貴的、大型的且笨重的，而且不適合用于低成本測(cè)量系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的費(fèi)用遏制了利用更少見(jiàn)且更高價(jià)的材料的需要，并且遏制了在制造和裝配天線(xiàn)或探針和相關(guān)聯(lián)連接器中所涉及的額外成本和復(fù)雜性。
[0009]第四，常規(guī)的天線(xiàn)系統(tǒng)受到由反射、損失和不正確的阻抗匹配所引發(fā)的可變性限制的影響。這些可變性資源中的許多與天線(xiàn)設(shè)計(jì)本身和天線(xiàn)連接到信號(hào)線(xiàn)纜的方式相關(guān)。例如，大多數(shù)天線(xiàn)需要額外的組件來(lái)將天線(xiàn)連接到所述信號(hào)線(xiàn)纜，諸如互連器和輔助組件。這些組件不僅顯示出一些固有的可變性，這些可變性也可隨時(shí)間變化(腐蝕、松動(dòng)、水分感應(yīng)等)，而且還經(jīng)受操作錯(cuò)誤，包括未對(duì)準(zhǔn)、過(guò)度擰緊、欠緊固、可靠性等。
[0010]第五，適于在微波范圍內(nèi)使用射頻連接器是昂貴的，特別是當(dāng)需要高溫操作時(shí)。穩(wěn)健的連接器諸如例如N型也是笨重的，這使它們不適用于其中需要小形狀因子的應(yīng)用程序。在某些情況下，這些連接器的尺寸可以具有與實(shí)際組件或傳感器相同的量級(jí)。
[0011]第六，在RF探針或天線(xiàn)，諸如常規(guī)的RF連接器(BNC、SMA、N型以及許多其他連接器)的端部上使用互連器允許任何類(lèi)型纜線(xiàn)通過(guò)相同類(lèi)型的匹配連接器、或者通過(guò)不同類(lèi)型的連接器通過(guò)使用合適的適配器而連接到天線(xiàn)。在其中系統(tǒng)的測(cè)量或操作需要使用具有特定特性(阻抗、長(zhǎng)度、溫度等級(jí)、或類(lèi)似性能規(guī)格)的纜線(xiàn)的應(yīng)用中，當(dāng)連接纜線(xiàn)被替換為不符合所要求的規(guī)格的另一種纜線(xiàn)時(shí)，可以容易地引入另外的錯(cuò)誤來(lái)源。因此，其中天線(xiàn)和RF探針包括互連器的測(cè)量系統(tǒng)可能容易受到由安裝錯(cuò)誤電纜引起的錯(cuò)誤。
[0012]因此，如果有RF探針或天線(xiàn)系統(tǒng)解決上述問(wèn)題，將是有益的。這樣的系統(tǒng)將有利地減少探針或天線(xiàn)性能的固有可變性并消除操作員錯(cuò)誤的來(lái)源，最終提高使用該天線(xiàn)或探針的整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能。此外，包括多個(gè)感測(cè)元件或監(jiān)視多個(gè)參數(shù)(例如RF信號(hào)和溫度，或者在另一個(gè)示例中RF信號(hào)和壓力，或者在又另一個(gè)示例中RF信號(hào)和氣體或液體組分)的能力的探針或天線(xiàn)，通過(guò)允許用同一個(gè)探針監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，而大大簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)。
[0013]本文中所描述的探針和天線(xiàn)可用于許多應(yīng)用，這些應(yīng)用為從腔體到傳輸線(xiàn)，以及甚至在自由空間中。一種應(yīng)用范圍包括系統(tǒng)，這些系統(tǒng)監(jiān)測(cè)材料或材料混合物的介電性質(zhì)的變化，以便推斷有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的某些信息。這種系統(tǒng)的一個(gè)具體示例是用于監(jiān)測(cè)各種材料中的水分含量的水分測(cè)量系統(tǒng)。另一個(gè)示例包括流體共混物傳感器，其中該共混物可以由一種或多種液體、氣體或固體材料組成，并且其中各材料的混合物的介電性質(zhì)的變化可提供關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的某些信息，諸如該混合物的組成、流速、或其它感興趣的參數(shù)。
[0014]另一個(gè)示例包括一類(lèi)用于監(jiān)測(cè)各種排放控制裝置的廢氣排放或狀態(tài)的射頻測(cè)量系統(tǒng)。用于監(jiān)測(cè)微粒過(guò)濾器的裝載狀態(tài)，諸如在柴油微粒過(guò)濾器中堆積的煙塵或灰塵的量的射頻或微波系統(tǒng)是一個(gè)示例性應(yīng)用。另一種應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)各種氣態(tài)物質(zhì)，諸如吸附到各種催化排放后處理組件(僅舉幾例，諸如三元催化轉(zhuǎn)化器、選擇性催化還原系統(tǒng)、氧化催化劑或貧NOx捕集器)上的氧或氮的氧化物(等等)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，被監(jiān)測(cè)的參數(shù)可以是材料本身的介電性質(zhì)的變化，所述材料為諸如在一個(gè)示例中在柴油微粒過(guò)濾器的情況下的過(guò)濾材料，以及在另一個(gè)示例中催化劑基材、洗滌涂料、或催化劑材料。盡管后處理過(guò)濾器和催化劑被描述并且是特別具有挑戰(zhàn)性的，但任何過(guò)濾系統(tǒng)或催化劑體系可以使用本文所描述的技術(shù)。
[0015]在許多應(yīng)用中，有必要使天線(xiàn)或測(cè)量探針適于在一系列條件(包括暴露于高溫、振動(dòng)、機(jī)械應(yīng)力、水和其它液體等)下進(jìn)行擴(kuò)充操作。此外，這種天線(xiàn)或探針可以要求定期移除以進(jìn)行檢查、維護(hù)、或更換。需要穩(wěn)健并且表現(xiàn)出很少固有可變性的天線(xiàn)或探針系統(tǒng)以確保這些系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并且也最小化當(dāng)安裝或更換這樣的天線(xiàn)或探針時(shí)由操作員引起的錯(cuò)誤。
[0016]此外，許多測(cè)量系統(tǒng)受到由感興趣測(cè)量參數(shù)之外的其他參數(shù)的變化所引起的可變性的影響。例如，包括濕氣、流量、溫度、壓力、組成、或引入污染物等的外部變量也可影響射頻或微波測(cè)量系統(tǒng)的性能。一個(gè)具體示例是確定微粒過(guò)濾器上的煙塵積累，在這種情況下，煙塵的介電性質(zhì)也隨溫度而變化。另一示例是催化劑材料或所吸附的或吸附在催化劑上的氣相物質(zhì)、或聚集在過(guò)濾器上的液體或固相物質(zhì)的介電狀態(tài)。許多其他測(cè)量系統(tǒng)表現(xiàn)出類(lèi)似的對(duì)溫度和其他參數(shù)的交叉敏感性。因此，希望監(jiān)測(cè)各種參數(shù)，這些參數(shù)可影響使用單個(gè)探針而不是使用一個(gè)或多個(gè)傳感器的測(cè)量，其中每個(gè)傳感器僅測(cè)量一個(gè)特定參數(shù)。
[0017]本文所描述的天線(xiàn)探針系統(tǒng)可應(yīng)用于任何數(shù)量的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，為改善信號(hào)而減少天線(xiàn)的可變性是很重要的。其它應(yīng)用包括其中可通過(guò)使用包括一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件的單個(gè)天線(xiàn)探針而降低附加感測(cè)元件的數(shù)量的那些應(yīng)用。
[0018]發(fā)明概述
[0019]本公開(kāi)涉及一種帶有集成到纜線(xiàn)組件中的發(fā)射或接收元件的高級(jí)射頻探針系統(tǒng)。在一些實(shí)施方案中，一種配置可包含集成到發(fā)射或接收元件中的一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件。在另一個(gè)實(shí)施方案中，射頻探針包括固定到同軸纜線(xiàn)的天線(xiàn)主體，其中同軸纜線(xiàn)的中心導(dǎo)體用作發(fā)射或接收元件。也公開(kāi)了一種使用單個(gè)射頻探針來(lái)監(jiān)測(cè)、發(fā)射或檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的方法。另一個(gè)實(shí)施方案包括用于在天線(xiàn)組件中產(chǎn)生信號(hào)或者直接安裝在天線(xiàn)組件上的電子設(shè)備，其消除了天線(xiàn)組件與RF發(fā)生器或RF檢測(cè)器之間的高頻連接器或纜線(xiàn)的需要。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1示出射頻測(cè)量系統(tǒng)。
[0021]圖2A示出帶有集成天線(xiàn)的同軸纜線(xiàn)。
[0022]圖2B為與同軸纜線(xiàn)集成在一起的天線(xiàn)的剖視圖。
[0023]圖2C為帶有集成天線(xiàn)的同軸纜線(xiàn)與單件式外部套筒的裝配中的預(yù)備步驟的剖視圖。
[0024]圖2D為帶有集成天線(xiàn)的同軸纜線(xiàn)與單件式外部套筒的裝配中的后續(xù)步驟的剖視圖。
[0025]圖3A示出用天線(xiàn)探針對(duì)常規(guī)的同軸纜線(xiàn)封端中的初始步驟。
[0026]圖3B示出用天線(xiàn)探針對(duì)常規(guī)的同軸纜線(xiàn)封端中的第二步驟。
[0027]圖3C示出用天線(xiàn)探針進(jìn)行封端的完整同軸纜線(xiàn)。
[0028]圖4A為與同軸纜線(xiàn)集成在一起的天線(xiàn)的剖視圖，其示出系統(tǒng)的附加細(xì)節(jié)，包括一種類(lèi)型的連接。
[0029]圖4B為與同軸纜線(xiàn)集成在一起的天線(xiàn)的剖視圖，其示出系統(tǒng)的附加細(xì)節(jié)，包括另一種類(lèi)型的連接。
[0030]圖5A為帶有集成的第二感測(cè)元件的射頻探針。
[0031 ]圖5B為帶有單個(gè)感測(cè)元件的射頻探針。
[0032]圖6A為與包含第二感測(cè)元件的同軸纜線(xiàn)集成在一起的天線(xiàn)探針的剖視圖。
[0033]圖6B為與包含第二感測(cè)元件的同軸纜線(xiàn)集成在一起的天線(xiàn)探針的剖視圖，其中第二感測(cè)元件從天線(xiàn)的端部延伸。
[0034]圖6C為與包含第二感測(cè)元件的同軸纜線(xiàn)集成在一起的天線(xiàn)探針的剖視圖，其中第二感測(cè)元件從天線(xiàn)的端部延伸。
[0035]圖7為用于裝配集成到同軸纜線(xiàn)端部的天線(xiàn)探針的組件的分解視圖，其中組件具有第二感測(cè)元件。
[0036]圖8為包含在各種位置處的各種感測(cè)元件的射頻探針。
[0037]圖9為相比于安裝在柴油燃燒系統(tǒng)上的常規(guī)熱電偶，帶有集成溫度傳感器的兩個(gè)射頻探針的溫度測(cè)量的曲線(xiàn)圖。
[0038]圖10為兩個(gè)探針的兩個(gè)射頻共振曲線(xiàn)，其中一個(gè)探針具有集成溫度傳感器而另一個(gè)探針不具有集成溫度傳感器，其示出兩信號(hào)之間小于0.35%的變化。
[0039]圖11示出與RF發(fā)生器或檢測(cè)器集成在一起的天線(xiàn)。
[0040]圖12A為其中天線(xiàn)和RF電子設(shè)備被放置在板上的天線(xiàn)組件。
[0041]圖12B為其中中空管用作天線(xiàn)的第二元件的替代天線(xiàn)組件。
[0042]圖13為與同軸纜線(xiàn)集成在一起的天線(xiàn)探針的剖視圖，其中同軸纜線(xiàn)包含集成在天線(xiàn)中的第二感測(cè)元件。
【具體實(shí)施方式】
[0043]本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識(shí):常規(guī)的同軸纜線(xiàn)可以用天線(xiàn)或探針端部進(jìn)行封端，而不需要輔助互連件及相關(guān)組件。本公開(kāi)解決對(duì)于表現(xiàn)出低的固有可變性的穩(wěn)健射頻天線(xiàn)或探針的需要，并且通過(guò)它們的設(shè)計(jì)減少了在安裝、移除、或更換探針時(shí)由操作員引起的錯(cuò)誤。還公開(kāi)了具有增強(qiáng)功能的探針設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)允許從單個(gè)天線(xiàn)測(cè)量一個(gè)以上的參數(shù)。
[0044]貫穿本公開(kāi)內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)注意的是，術(shù)語(yǔ)射頻“探針”或“天線(xiàn)”可互換使用，并且意在描述在同一個(gè)系統(tǒng)，即至少能夠發(fā)射或接收射頻信號(hào)的裝置。頻率范圍旨在從KHz跨越到THz，這取決于應(yīng)用，其中在MHz至GHz范圍內(nèi)的優(yōu)選頻率用于某些應(yīng)用。類(lèi)似地，在本公開(kāi)中互換使用術(shù)語(yǔ)“射頻”和“微波”描述具有從KHz到THz的頻率的信號(hào)。
[0045]—種應(yīng)用具體包括用于監(jiān)測(cè)排放控制裝置的狀態(tài)的射頻或微波系統(tǒng)。柴油和汽油微粒過(guò)濾器代表一種類(lèi)別的排放控制裝置，射頻感測(cè)應(yīng)用于該類(lèi)別的排放控制裝置以監(jiān)測(cè)過(guò)濾器中的煙塵和灰塵水平。催化排放控制裝置，諸如三元催化轉(zhuǎn)化器、氧化催化劑、選擇性的催化還原系統(tǒng)、以及貧NOx捕集器等表示另一種類(lèi)別的排放控制裝置，射頻感測(cè)可應(yīng)用于這種類(lèi)別的排放控制裝置以監(jiān)測(cè)與裝置的狀態(tài)或功能相關(guān)的參數(shù)，諸如各種吸附氣體組分(氧、氮氧化物、氨、及其它)的量。
[0046]其它應(yīng)用包括任何類(lèi)型的腔體測(cè)量系統(tǒng)，諸如共振腔微擾測(cè)量系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，天線(xiàn)可以在自由空間中進(jìn)行操作，而不需要腔體。另一個(gè)實(shí)施方案可以是天線(xiàn)在傳輸線(xiàn)中的集成。
[0047]在這些應(yīng)用中的一些中使用的天線(xiàn)必須能夠經(jīng)受高的排氣溫度，經(jīng)常超過(guò)600°C，必須密封以阻止廢氣逃逸到環(huán)境中必須經(jīng)受高的振動(dòng)水平，暴露于元件，惡劣的化學(xué)環(huán)境，以及許多附加的苛刻要求。此外，天線(xiàn)必須容易在工廠(chǎng)裝配過(guò)程期間安裝，并且還易于現(xiàn)場(chǎng)可維修且可更換，并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的性能造成最小的影響。
[0048]與這些苛刻要求相關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)有許多，尤其當(dāng)考慮組件尺寸和成本限制時(shí)。在諸如使用射頻系統(tǒng)監(jiān)測(cè)排放控制裝置的狀態(tài)的應(yīng)用中，其中排放控制裝置的金屬外殼用作微波共振腔體，測(cè)量對(duì)于天線(xiàn)的設(shè)計(jì)、