陳俊強(qiáng)

（ABB(中國(guó))有限公司中壓產(chǎn)品技術(shù)中心，福建 廈門 361006）

在線測(cè)溫可以及時(shí)地反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的健康程度，在事故醞釀期發(fā)現(xiàn)隱患并報(bào)警，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義?；诼暠砻娌ǎ⊿AW）的無(wú)線無(wú)源溫度傳感器，目前在在線測(cè)溫中有所使用。SAW 傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，比較少有廠家對(duì)其全測(cè)量范圍的測(cè)量精度進(jìn)行論證。本文研究了該種溫度傳感器的測(cè)量原理，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了其測(cè)量誤差的規(guī)律，最后通過(guò)模擬分析和試驗(yàn)證明了改進(jìn)方法的可行性。

1 聲表面波傳感器測(cè)量原理

1.1 基本原理

射頻收發(fā)器[1]通過(guò)天線發(fā)射的電磁波信號(hào)被傳感器天線接收后，由IDT[2]（叉指換能器）轉(zhuǎn)換為聲表面波，聲表面波在壓電基片表面?zhèn)鞑?，?jīng)過(guò)反射器反射回IDT，再重新轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)，傳回收發(fā)器。聲表面波的頻率受傳感器本身溫度的影響而變化，所以帶有溫度信息，通過(guò)換算可以轉(zhuǎn)換為溫度。

1.2 校正原理

該傳感器在使用前必須選擇一個(gè)當(dāng)前實(shí)際溫度進(jìn)行校正，目的是計(jì)算出基準(zhǔn)頻率，用于后續(xù)溫度計(jì)算。計(jì)算公式[3]如下：

式中，f0為基準(zhǔn)頻率；f為傳感器測(cè)量到的頻率；T為傳感器測(cè)量到的溫度；tK1和tK2為線性溫度系數(shù)，系統(tǒng)提供默認(rèn)值，可在應(yīng)用軟件修改；Tref為參考溫度，系統(tǒng)提供默認(rèn)值，不可直接在應(yīng)用軟件修改。

圖1 聲表面波溫度傳感器原理

正常都是在常溫下校正，比如常溫是25℃，傳感器測(cè)量到的頻率是432343296Hz，使用系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)上述公式得到f0基準(zhǔn)頻率，存入收發(fā)器的EEPROM 中，供正常測(cè)量計(jì)算，f0不會(huì)變化，除非再次校正。利用式（1）的換算過(guò)程如下：

圖2為在應(yīng)用軟件中的校正過(guò)程。

圖2 傳感器應(yīng)用軟件溫度校正界面

1.3 計(jì)算原理

傳感器校正后，新測(cè)量的頻率就可以通過(guò)公式（1）倒算為被測(cè)點(diǎn)的溫度，計(jì)算式如下：

比如傳感器測(cè)量到的頻率f為432768389Hz，根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)和校正得到的基準(zhǔn)頻率f0，由式（2）就可以得到傳感器的測(cè)量溫度為86.27℃，計(jì)算過(guò)程如下：

2 測(cè)量精度驗(yàn)證

該傳感器的規(guī)格書(shū)技術(shù)指標(biāo)指出，其測(cè)量范圍為-20℃～120℃，測(cè)量精度為±1℃。我們對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

為了進(jìn)行溫度對(duì)比，在傳感器測(cè)量點(diǎn)同時(shí)加了熱電偶測(cè)溫元件。熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)事先校驗(yàn)過(guò)，測(cè)量值將作為標(biāo)準(zhǔn)值。兩套系統(tǒng)的時(shí)間設(shè)置成同步，而且溫度采集間隔一樣，都是1min/次，這樣可以保證數(shù)據(jù)對(duì)比的準(zhǔn)確性。圖3為試驗(yàn)環(huán)境圖。

圖3 傳感器測(cè)量精度驗(yàn)證試驗(yàn)環(huán)境

2.2 測(cè)量結(jié)果

經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試，發(fā)現(xiàn)傳感器隨著溫度的上升，傳感器測(cè)量的溫度會(huì)逐漸偏大，以圖4為例。Difference 線為傳感器與熱電偶的測(cè)量溫度差，呈上升趨勢(shì)，傳感器測(cè)量的溫度在70℃的時(shí)候比實(shí)際溫度高4℃，在100℃的時(shí)候則達(dá)到8℃，與規(guī)格書(shū)測(cè)量精度±1℃不符。

圖4中橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間，總的采樣3 h，每1min 采樣一次；thermocouple 曲線為熱電偶測(cè)量的溫度值，SAW 曲線為傳感器的測(cè)量值，在左縱坐標(biāo)體現(xiàn)；signal 曲線為傳感器的信號(hào)強(qiáng)度，用來(lái)證明信號(hào)的穩(wěn)定性，Difference 曲線為傳感器與熱電偶的溫度差，也就是傳感器的測(cè)量誤差。

3 測(cè)量精度改進(jìn)

3.1 仿真設(shè)置

對(duì)于某個(gè)特定溫度，傳感器采樣到的頻率是不變的，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)式（2）中的系統(tǒng)參數(shù)，來(lái)解決誤差問(wèn)題。傳感器允許調(diào)整參數(shù)，但是調(diào)整結(jié)果，要是每次都通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，效率低下，又浪費(fèi)資源。

通過(guò)前期收集的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的校正和計(jì)算原理，可以先在Excel 模擬仿真各個(gè)參數(shù)對(duì)溫度的影響，再通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，會(huì)比較有針對(duì)性。

如圖5所示，在Excel 里頭可以分以下三個(gè)步驟設(shè)置。

步驟1：設(shè)置Tref（T0），tK1，tK2三個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整控件[4]，調(diào)整的幅度可以在控件里頭設(shè)置。

步驟2：選擇測(cè)試收集的某個(gè)溫度值作為校正溫度，這里選擇第一列30.2℃和傳感器測(cè)量的頻率，根據(jù)步驟1 調(diào)整后的參數(shù)模擬校正過(guò)程，計(jì)算出基準(zhǔn)頻率f0，參考式（1）。

步驟3：根據(jù)修改后的參數(shù)和模擬校正得到的基準(zhǔn)頻率f0，就可以算出收集的傳感器測(cè)量頻率對(duì)應(yīng)的新溫度，參考式（2）。

圖5步驟3 各列數(shù)據(jù)定義如下，Time 為收集數(shù)據(jù)的時(shí)間；Thermocouple（Th）為熱電偶測(cè)量的溫度，這個(gè)溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度；SAW T1 為傳感器根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)得到的實(shí)際測(cè)量溫度；Signal 為傳感器的信號(hào)強(qiáng)度；f為傳感器實(shí)際測(cè)量到的頻率，這個(gè)值與系統(tǒng)參數(shù)無(wú)關(guān)；T0（Tref），tK1，tK2為修改后的系統(tǒng)參數(shù)；SAW T2 為模擬計(jì)算出來(lái)的溫度；T2～T1為傳感器改進(jìn)前后的溫度差異；T2～Th為傳感器改進(jìn)后與熱電偶標(biāo)準(zhǔn)溫度的誤差。

在Excel 里頭可以把需要的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，做曲線圖，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)的增減控件，就可以在曲線圖直觀地看出調(diào)整結(jié)果。

圖5 Excel 仿真改進(jìn)環(huán)境的設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果

1）線性溫度系數(shù)改進(jìn)結(jié)果

tK1和tK2為線性溫度系數(shù)，系統(tǒng)提供默認(rèn)值，可在應(yīng)用軟件修改。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

點(diǎn)擊圖5的tK1控件，可以發(fā)現(xiàn)仿真后的SAW T2 曲線會(huì)以校正點(diǎn)，也就是溫度起始點(diǎn)向上或向下整體繞動(dòng)，當(dāng)tK1從系統(tǒng)默認(rèn)值15420 增加到17420時(shí)，曲線剛好和熱電偶實(shí)際溫度曲線重合，如圖6所示，T2-Th曲線代表兩者誤差，對(duì)應(yīng)右邊縱軸，可以看出誤差在1℃以內(nèi)。所以調(diào)節(jié)tK1可以解決誤差問(wèn)題。

圖6 tK1 溫度系數(shù)調(diào)整結(jié)果

而對(duì)于tK2的調(diào)整，可以發(fā)現(xiàn)仿真后的SAW T2曲線無(wú)法與熱電偶實(shí)際溫度曲線重合，當(dāng)tK2從系統(tǒng)默認(rèn)值-7000 增加到53000 時(shí)，曲線終點(diǎn)與熱電偶實(shí)際溫度相同，但曲線的中部拱起，誤差變大，如圖7所示，T2-Th 誤差曲線顯示tK2只能實(shí)現(xiàn)部分溫度點(diǎn)的校正。

圖7 tK2 溫度系數(shù)調(diào)整結(jié)果

由于tK1和tK2線性溫度系數(shù)是傳感器測(cè)量的局部變量，需要對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行單獨(dú)校正，不太方便，這兩個(gè)變量的調(diào)整適合對(duì)個(gè)別傳感器進(jìn)行微調(diào)。

2）參考溫度改進(jìn)結(jié)果

Tref（T0）為參考溫度，系統(tǒng)提供的默認(rèn)值為50℃，圖8為不同參考溫度下的調(diào)整結(jié)果，可以看出，參考溫度小于默認(rèn)值時(shí)，仿真后的溫度曲線SAW 曲線上抬；參考溫度大于默認(rèn)值時(shí)，仿真曲線不斷下壓，在大約200℃時(shí)，曲線剛好和熱電偶實(shí)際溫度曲線重合，所以調(diào)節(jié)T0可以解決誤差問(wèn)題，而且由于T0參考溫度是全局變量，可以對(duì)所有傳感器進(jìn)行改進(jìn)，非常方便。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

把T0從默認(rèn)的50℃修改為160℃，可以把各個(gè)傳感器的誤差可以控制在±1℃以內(nèi)，與規(guī)格書(shū)測(cè)量精度相符合。以下圖為例，最大誤差為0.9℃。

圖8 T0 參考溫度調(diào)整結(jié)果

圖9 改進(jìn)后測(cè)量溫度對(duì)比

所以試驗(yàn)證明仿真中提高T0可以改進(jìn)測(cè)量精度的推論是正確的。

4 結(jié)論

本文介紹了某種聲表面波溫度傳感器的測(cè)量精度的改進(jìn)。文中仿真試驗(yàn)，不需要特別的軟件，只要在Excel 做簡(jiǎn)單設(shè)置即可完成，試驗(yàn)的原理和方法同樣適用于其他類型的傳感器。

[1] Scominfo Company.Temperature monitoring system introduction [EB/OL].http: //en.scominfo.com/index.html.

[2] SENSeOR Company.SAW Sensors introduction [EB/OL].http://www.senseor.com/saw-temperature-sensors.html.

[3] SENGENUITY Company.Wireless Sensor System Introduction [EB/OL].http://www.sengenuity.com/.

[4] 伍遠(yuǎn)高.EXCEL VBA 開(kāi)發(fā)技術(shù)大全 [M].北京: 清華大學(xué)出版社,2009.