聲表面波傳感技術(shù)及其在電力測(cè)溫中的應(yīng)用

文/蔣潔青 陳昱 洪云來 葉飛

1 引言

近些年“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”成為中國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展方向。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)最重要的特征之一就是信息化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)狀態(tài)信息的精確高效采集與傳輸。這一發(fā)展趨勢(shì)促進(jìn)了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用，電力生產(chǎn)和輸電設(shè)施逐步向無人值守方向發(fā)展。在這些新應(yīng)用技術(shù)中，聲表面波傳感技術(shù)成為一個(gè)亮點(diǎn)。

本文將首先介紹聲表面波傳感器的原理，比較與其他傳感技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，然后結(jié)合工程實(shí)際討論如何更好的解決安裝問題。

2 聲表面波傳感器的原理

SAW器件是用半導(dǎo)體集成電路工藝在壓電基底材料上淀積和光刻特定形狀和尺寸的金屬（鋁等）膜制成。壓電材料的選取、IDT和反射柵的指寬、叉指間隔決定了SAW傳感器件的工作頻率、品質(zhì)因數(shù)、寄生抑制、插入損耗和敏感系數(shù)等參數(shù)。

根據(jù)器件圖形結(jié)構(gòu)和信號(hào)特征的不同，SAW傳感器件可以分為延遲線型和諧振型兩種，如圖2和圖3所示。延遲線型SAW器件的反射柵分布在距離IDT不同距離的位置上，不同反射柵由于位置的不同，對(duì)聲波信號(hào)的反射延遲時(shí)間有所不同。反射延遲時(shí)間會(huì)受到環(huán)境因素的影響，依靠檢測(cè)時(shí)延的變化就能夠獲得環(huán)境量的變化，實(shí)現(xiàn)傳感功能。反射柵的位置還具有身份碼功能，這也就是聲表面波射頻識(shí)別的原理。諧振型SAW器件的反射柵密布在IDT兩側(cè)，對(duì)聲表面波信號(hào)構(gòu)成一個(gè)諧振腔，因此其返回信號(hào)是一個(gè)諧振信號(hào)，而諧振頻率除了與設(shè)計(jì)尺寸有關(guān)外，也受到環(huán)境因素的影響，依靠檢測(cè)諧振頻率的變化就能夠獲得環(huán)境量的變化，實(shí)現(xiàn)傳感功能。

圖1：公司的聲表面波電力測(cè)溫產(chǎn)品傳感器

圖2：延遲線型聲表面波器件圖形結(jié)構(gòu)

圖3：諧振型聲表面波器件圖形結(jié)構(gòu)

圖4：聲表面波溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

在SAW傳感器件的IDT兩端接上天線，就可以組成聲表面波無線傳感器，可以接收和反射電磁波。其工作過程是：天線接收到的電信號(hào)經(jīng)IDT的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成聲表面波，聲表面波沿基片傳播并被反射柵反射回IDT，再經(jīng)IDT的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由天線發(fā)射出去。可以看出，整個(gè)工作過程完全是被動(dòng)的，無需電源提供能量，所以聲表面波無線傳感器又被稱作無源無線傳感器。

聲表面波無線傳感器必須配合特殊的讀取器使用，因此完整意義上的聲表面波無線傳感器是一個(gè)包括聲表面波無線傳感器和讀取器在內(nèi)的系統(tǒng)，二者之間通過電磁波進(jìn)行信息交換。聲表面波無線讀取器采用的是雷達(dá)工作原理。而且根據(jù)SAW傳感器件是延遲線型還是諧振型，相應(yīng)的讀取器通常分別采用步進(jìn)調(diào)頻（FMCW）雷達(dá)模式和脈沖雷達(dá)模式。二者的區(qū)別在于，步進(jìn)調(diào)頻讀取器發(fā)出的是掃頻鋸齒波信號(hào)，而脈沖讀取器發(fā)出的信號(hào)是不同頻率的脈沖。

與其它測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較。傳統(tǒng)的電力測(cè)溫方法是人工紅外巡檢，這種方式的缺點(diǎn)是：

表1：電力在線測(cè)溫技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比

（1）測(cè)溫不及時(shí)；

（2）漏檢誤撿概率大；

（3）受灰塵和天氣影響大；

（4）無法檢測(cè)遮擋部位；

（5）人力成本高。

因此在線溫度監(jiān)測(cè)成為趨勢(shì)。目前可用于電力在線測(cè)溫技術(shù)主要有4種，對(duì)這幾種技術(shù)做對(duì)比可以比較其各自優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

總結(jié)來說，相對(duì)于其他在線測(cè)溫方式，聲表面波無線測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是：

（1）無線方式不影響高壓絕緣，避免有線方式“爬電”的隱患，安全性極高；

（2）可靠性高。傳感器完全無源，不帶電池，避免了電池高溫爆炸和化學(xué)泄露等隱患；

（3）安裝簡(jiǎn)單。無源溫度傳感器體積小，與讀取器之間數(shù)據(jù)無線傳輸，安裝方便靈活，不受設(shè)備結(jié)構(gòu)和空間影響；

（4）測(cè)溫實(shí)時(shí)性好。在線測(cè)溫，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度變化；

（5）維護(hù)方便。傳感器完全無源，不需定期更換電池，使用壽命長(zhǎng)。安裝成功后基本免維護(hù)。

3 諧振型聲表面波無線溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

諧振型聲表面波溫度傳感器的特點(diǎn)是其輸出信號(hào)的頻率隨溫度變化，因此每個(gè)傳感器占有一定頻段，不同傳感器則依靠頻段區(qū)分。傳感系統(tǒng)配置的傳感器越多，所需帶寬就越寬。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要解決的兩個(gè)問題是：

（1）工作頻段。選擇工作頻段選擇除了考慮技術(shù)因素外，還要考慮到國(guó)家的無線電頻譜管理規(guī)則，以免以后產(chǎn)生不必要的麻煩。比較可行的做法是利用業(yè)余無線電頻段，并將讀取器的無線發(fā)射功率限制在一定范圍。綜合起來考慮，430～440MHz附近是比較合適的工作頻段，該頻段是中國(guó)和國(guó)際都認(rèn)可的業(yè)余無線電頻段。

（2）壓電材料的選取。用于聲表面波器件的壓電材料有很多種，比較典型的有石英、鉭酸鋰、鈮酸鋰晶體。即使是同一種晶體，切割角度不同，性能也相差很大。理想的壓電材料應(yīng)該在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都具有一致的溫度系數(shù)。同時(shí)溫度系數(shù)要適中。溫度系數(shù)太大，雖然會(huì)提高測(cè)溫精度，但占用的頻譜資源也多；溫度系數(shù)太小則達(dá)不到測(cè)溫精度要求。

諧振型聲表面波無線溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要解決的難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：

（1）高品質(zhì)因數(shù)、低寄生SAW諧振器的設(shè)計(jì)和加工。實(shí)驗(yàn)表明，要獲得較好的傳感信號(hào)，SAW諧振器在常溫下的無載品質(zhì)因數(shù)（Q值）要達(dá)到8000以上。另外寄生諧振要盡量小，寄生諧振可能會(huì)讓讀取器誤認(rèn)為是傳感信號(hào)，從而導(dǎo)致測(cè)溫錯(cuò)誤。

（2）傳感信號(hào)的接收和檢測(cè)。雖然從理論上檢測(cè)一個(gè)無線信號(hào)的頻率比較容易，但聲表面波無源無線傳感信號(hào)具有持續(xù)時(shí)間短、信號(hào)幅度變化大以及與發(fā)射信號(hào)頻率很接近的特點(diǎn)。如何快速而準(zhǔn)確地獲取傳感信號(hào)頻率需要做認(rèn)真研究。

4 工程應(yīng)用

圖4是聲表面波溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。為了便于安裝，讀取天線和讀取器采取分離型式，之間通過射頻電纜相連。一般要求讀取天線與傳感器的距離在0.2～2米左右。如果需要更遠(yuǎn)的距離，有三種方式：

（1）增加讀取器發(fā)射功率；

（2）換用高增益的讀取器天線；

（3）換用高增益的傳感器天線。

但高增益天線往往尺寸增加，受安裝環(huán)境的制約。

圖5和圖6是測(cè)溫系統(tǒng)在電力開關(guān)柜的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖。其中圖5是傳感器和讀取天線的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖，傳感器有音叉結(jié)構(gòu)，通過螺栓固定在靜觸頭后面的母排上，讀取天線安裝在開關(guān)柜內(nèi)壁上。讀取器的安裝則比較隨意，裝在開關(guān)柜低壓側(cè)的導(dǎo)軌上即可，如圖6所示。

圖5：傳感器和讀取天線的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

圖6：讀取器的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

有的變電站希望后期加裝測(cè)溫系統(tǒng)，停電時(shí)間較短，需要裝的測(cè)溫點(diǎn)很多。有的甚至是開關(guān)柜的靜觸頭和母排仍處于帶電狀態(tài)，只是動(dòng)觸頭推車被拉出，因此必須裝在動(dòng)觸頭上。這些情況對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的安裝提出了挑戰(zhàn)。有必要研究更加方便快捷的傳感器安裝結(jié)構(gòu)。在這一點(diǎn)上如何設(shè)計(jì)傳感器天線，即能適應(yīng)安裝需求又能保證良好的信號(hào)質(zhì)量是技術(shù)難點(diǎn)。

除了用于電力開關(guān)柜測(cè)溫，各類電力線接頭觸頭以及其他以發(fā)熱部位都可以用聲表面波測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。這些部位往往結(jié)構(gòu)差異較大，為了保證良好的效果，根據(jù)不同需求制定合理的安裝方案是必要的。

另一方面，目前的電力設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮為測(cè)溫系統(tǒng)預(yù)留位置和空間，這是造成后期安裝測(cè)溫系統(tǒng)困難的主要原因。作為面向堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的“智能電網(wǎng)設(shè)備”，在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)為測(cè)溫裝置預(yù)留安裝位置，或者直接配備測(cè)溫裝置，也是很有必要的。

5 結(jié)論

聲表面波技術(shù)，由于無線無源的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)今后可能會(huì)成為智能電網(wǎng)溫度監(jiān)測(cè)的主流方案。關(guān)于無源無線溫度傳感器的設(shè)計(jì)和改良仍然在持續(xù)進(jìn)行中，針對(duì)無源無線溫度傳感系統(tǒng)的瓶頸在于無線傳輸?shù)木嚯x不夠遠(yuǎn)，對(duì)測(cè)溫芯片和天線的研究還在改進(jìn)。隨著測(cè)溫范圍的提高和測(cè)溫探頭與收發(fā)天線的傳輸距離的提高，針對(duì)高壓電力系統(tǒng)各種測(cè)溫設(shè)備的應(yīng)用會(huì)越來越多。目前應(yīng)用于開關(guān)柜的測(cè)溫比較多，以后會(huì)逐步在電力各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展。

由于聲表面波的特性，獨(dú)特的特點(diǎn)，技術(shù)和功能的進(jìn)一步的完善，為智能電網(wǎng)建設(shè)的安全提供有力的保證，同時(shí)在有效的提升電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的同時(shí)，還能最大限度的降低故障維修次數(shù)，提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。