陸貴榮，嵇存崗，陳樹越

(1. 常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州 213164；2. 常州市過程感知與互聯(lián)技術(shù)重點實驗室，江蘇常州 213164)

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基于TSE G144聲表面波傳感器的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

陸貴榮1,2，嵇存崗1，陳樹越1,2

(1. 常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州 213164；2. 常州市過程感知與互聯(lián)技術(shù)重點實驗室，江蘇常州 213164)

文中分析了聲表面波諧振器的工作原理，建立了基于TSE G144傳感器的諧振型無源無線溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)：包括傳感器、信號源、混頻器、放大器、收發(fā)開關(guān)、單片機等模塊；軟件系統(tǒng)：包括激勵發(fā)送、回波接收、諧振分析和頻率溫度計算等。最后，對軟硬件系統(tǒng)進行了溫度實驗測試，不僅測量精度達到了±0.8 ℃的優(yōu)良水平，靈敏度也達到了9.2 kHz的高度，顯示了測量系統(tǒng)良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

傳感器；聲表面波；溫度測量；設(shè)計

0 引言

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)向著大容量、高電壓方向迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的安全和高效運營關(guān)系到整個國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定，加強對電力設(shè)備的運行監(jiān)測就顯得尤為重要。當電力設(shè)備中有節(jié)點發(fā)生短路或者絕緣老化時，該處將會出現(xiàn)局部發(fā)熱，溫度會異常升高，極易形成火災(zāi)等安全事故，因此，通過對電力設(shè)備節(jié)點在線溫度監(jiān)測，能在第一時間發(fā)現(xiàn)并處理安全隱患，保證了電力系統(tǒng)的可靠高效運行。

有多種測溫方案應(yīng)用在現(xiàn)有電力系統(tǒng)中：(1)紅外測溫。紅外測溫由光學系統(tǒng)、光電探測器等部分構(gòu)成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量并聚焦在作為敏感元件的光電探測器上轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該信號再經(jīng)換算轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。其優(yōu)點是不干擾被測溫場，適合人工巡查測溫，使用比較靈活，缺點是精度一般，無法繞射透過遮擋物監(jiān)測[1-2]。(2)光纖測溫。該方法采用光纖敏感和傳遞信號，其技術(shù)就是基于光纖內(nèi)部散射光的溫度特性，將較高功率窄光脈沖送入光纖，背向散射光強隨光纖環(huán)境因素變化，然后利用光時域反射技術(shù)或光頻域反射技術(shù)，將返回的散射光參數(shù)探測下來，確定沿光纖分布溫度場的變化[3-4]。但在高電壓，大電流、高濕度等惡劣的條件下存在嚴重的安全隱患，如粉塵、水霧在光纖表面的積聚會使光纖的絕緣性降低，容易引發(fā)事故。(3)無線數(shù)字測溫。該方案由無線射頻模塊和數(shù)字溫度傳感器等組成，采用電池給測溫芯片供電，再將測得的信號無線發(fā)出。這種方案雖然實現(xiàn)了溫度信號的無線傳感，但是由于該方案屬于有源方案，傳感頭需要電池供電且要定時更換，從而限制了其使用范圍[5-6]。(4)聲表面波(SAW)測溫。SAW溫度傳感器主要由壓電材料、反射柵和叉指換能器(IDT)等組成。其工作原理是首先發(fā)射一束詢問信號，SAW溫度傳感器上的天線接收到該射頻信號后通過IDT轉(zhuǎn)換成瑞利波并沿壓電材料表面?zhèn)鞑?，遇反射柵被反射回IDT轉(zhuǎn)換成電磁波，通過天線發(fā)射，最后接收并解析該電磁波得到被測物體的溫度。聲表面波(SAW)溫度測溫技術(shù)同時具有無源無線特性，將會引領(lǐng)電力設(shè)備測溫技術(shù)的新趨勢[7-10]。

基于上述電力系統(tǒng)測溫方案上的優(yōu)缺點，本文設(shè)計了聲表面波(SAW)技術(shù)用于電力系統(tǒng)設(shè)備的測溫解決方案，該方案選用TSE G144聲表面波傳感器作為測溫元件，并匹配相應(yīng)的信號處理電路，不僅測量精度高，而且測量靈敏度也有了很大的提高[7，9-10]，體現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

1 單端口諧振型聲表面波測溫原理

聲表面波是能量集中于表面附近傳播的彈性波，可在壓電晶體表面?zhèn)鞑?，它通過叉指換能器在電聲之間耦合。單端口聲表面波無源傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該傳感器結(jié)構(gòu)主要由壓電基底、叉指換能器(IDT)和反射柵構(gòu)成。反射柵構(gòu)成聲學諧振腔，叉指換能器將激勵的能量引入并將諧振腔中能量經(jīng)天線發(fā)射出去。

圖1 單端口聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

在工作時，傳感器上的天線接收到激勵信號，經(jīng)叉指換能器電磁信號轉(zhuǎn)換成基片上的聲表面波，由反射柵反射回來的聲表面波經(jīng)過叉指換能器后再轉(zhuǎn)換成電磁波信號，發(fā)射給接收機。當激勵頻率等于其固有頻率時，由于傳感器的品質(zhì)因素Q值很高，該傳感器將發(fā)生諧振，諧振頻率為:

(1)

式中：vn為聲表面波在壓電材料中的傳播速度；L為換能器周期。

當外界溫度發(fā)生變化時，該傳感器基片參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致了諧振頻率的變化，即

(2)

由于溫度的變化對傳感器基片材料的影響很小，即dL/L?dvn/vn，因此有

(3)

由式(3)可知，溫度的變化引起頻率變化主要是由聲表面波傳播速度隨溫度變化產(chǎn)生的。由vn近似地得到關(guān)于溫度T的一次函數(shù)，將v(t)用泰勒級數(shù)展開，去除二次以上的高次項，得到:

(4)

式中：T為待測溫度；T0為參考溫度。

這樣可得

(5)

因此理論上溫度變化與諧振頻率變化量之間呈線性關(guān)系。將聲表面波諧振器的諧振頻率隨溫度變化關(guān)系用下面的多項式表示

f=f0[1+C1(T-T0)+C2(T-T0)2+……]

(6)

式中：f0是參考溫度為T0時的諧振頻率；C1、C2為參考溫度T0下的1階、2階溫度系數(shù)，即傳感器的溫度靈敏度。

2 聲表面波溫度傳感系統(tǒng)的硬件構(gòu)建

傳感系統(tǒng)選用了無源無線聲表面波傳感器TSE G144，它采用獨特的差動機構(gòu)，2個諧振器同時工作在不同的頻率下，從而極大地提高了測量精度和環(huán)境穩(wěn)定性，其詳細技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 TSE G144傳感器技術(shù)參數(shù)

收發(fā)電路的構(gòu)建如圖2所示，無源無線溫度傳感系統(tǒng)分為在時序上交替工作的發(fā)射和接收2部分。系統(tǒng)中的1MHz正弦激勵信號由DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生，為提高系統(tǒng)有效發(fā)射功率，采用了間歇正弦激勵方式，高頻載波信號由另一個振蕩器發(fā)出，它們的混頻信號經(jīng)濾波放大等調(diào)理后由天線發(fā)射到傳感單元，為抑制射頻和本振諧波等，一個雙平衡混頻器方案被選用，在信號接收周期，收發(fā)開關(guān)將諧振器的回波信號導(dǎo)入接收回路并經(jīng)過低噪聲放大，下變頻到解調(diào)信號，再通過放大調(diào)理后，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)采集并做分析處理。為了盡可能減少傳感器和天線頻帶特征變化時造成的失配影響，采用了寬帶匹配技術(shù)[12-15]。

圖2 溫度傳感系統(tǒng)框圖

3 聲表面波溫度傳感系統(tǒng)的軟件流程

系統(tǒng)軟件方案主要實現(xiàn)初始化、發(fā)送激勵信號、獲取SAW溫度傳感器的響應(yīng)信號、諧振與否分析、頻率溫度計算等功能。其中獲取響應(yīng)信號是軟件設(shè)計的重點，包括掃頻的頻率步進選擇、發(fā)射功率的控制、接收信號放大倍數(shù)的控制和對響應(yīng)信號的篩選等。讀寫器的軟件流程如圖3所示。

圖3 讀寫器軟件流程圖

4 實驗及結(jié)果分析

為了驗證設(shè)計的可行性，搭建了軟硬件溫度測量系統(tǒng)并測試。傳感器和讀寫器之間的距離設(shè)定在0.8 m，如圖4所示，實驗測量了該溫度傳感系統(tǒng)在0～100 ℃范圍內(nèi)的頻率隨溫度的變化響應(yīng)，圖中縱軸的頻率差為傳感器中諧振器2的響應(yīng)頻率減去諧振器1的值。圖4顯示了傳感系統(tǒng)優(yōu)良的頻率差-溫度特性線性度和較高的溫度靈敏度9.2 kHz/ ℃。利用圖4的擬合公式及未知溫度對應(yīng)的頻率差值評價的未知溫度如表2所示，和設(shè)定值相比，評價值的最大誤差為0.78 ℃，顯示了較高的測量精度。

雖然所建立的測量系統(tǒng)在靈敏度及精度方面均取得了良好的結(jié)果，但對照TSE G144傳感器的技術(shù)參數(shù)可看出還有潛力可挖，距離±0.5 ℃的傳感器精度還有0.3 ℃的研究空間，結(jié)合圖2所示的系統(tǒng)框圖及圖3顯示的軟件流程圖可以看出，選擇高質(zhì)量的信號源、混頻器、濾波器、放大器、天線等，設(shè)計高效的匹配網(wǎng)絡(luò)及控制軟件均可以減小誤差，提高測量精度；另外，實驗過程中設(shè)定溫度的準確度及數(shù)據(jù)處理誤差等也是必須考慮的方面。

圖4 諧振頻率差隨溫度變化的曲線

溫度設(shè)定值/℃頻率差/MHz溫度測量值/℃誤差/℃40.4154.350.35160.52316.090.09240.60324.780.78450.78544.57-0.43580.91258.370.37781.09177.83-0.17921.22792.610.61

5 結(jié)論

文中檢索了現(xiàn)有電力系統(tǒng)中多種測溫方案的應(yīng)用，分析了聲表面波諧振器的工作原理，建立并測試了基于TSE G144傳感器的諧振型無源無線溫度測量系統(tǒng)。由于傳感器的獨特差動機構(gòu)，采用兩個諧振器同時工作在不同的頻率下，從而盡可能的補償了其它環(huán)境因素的干擾，極大地提高了測量精度。通過收發(fā)等軟硬件模塊的合理匹配，測量靈敏度也得到了有效提高。另外，由于該聲表面波傳感系統(tǒng)的無源無線特點，將具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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Design of Temperature Measurement System Based on Surface Acoustic Wave Sensor of TSE G144

LU Gui-rong1, 2, JI Cun-gang1, CHEN Shu-yue1, 2

(1.School of Information Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China;2. Key Laboratory for Process Perception and Interconnected Technology, Changzhou 213164, China)

The working principle of surface acoustic wave resonator was analyzed in this paper and resonance-type passive wireless temperature measurement system based on TSE G144 sensor was established. The system was composed of hardware system including sensor, signal sources, mixers, amplifiers, transceiver switches, and microcontrollers, and software system including incentive sending, echo receiving, resonance analysis, frequency temperature calculation, etc.. Finally, temperature experiment was carried out to test the software and hardware system. The accuracy of measurement is ± 0.8 ℃ and the sensitivity is 9.2 kHz, thus showing good application and development prospect of the measurement system.

sensor; surface acoustic wave; temperature measurement; design

國家自然科學基金項目(51176016)

2014-11-02 收修改稿日期：2015-06-10

P212

A

1002-1841(2015)09-0084-03

陸貴榮(1968—)，副教授，博士，主要研究方向為傳感器技術(shù)及儀器儀表。E-mail：379958241@qq.com。 嵇存崗(1989—)，碩士研究生，主要研究方向為聲表面波傳感系統(tǒng)。E-mail：jcg446@qq.com。