鄭天祥，李　璐，陳　碩

(國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102200)

聲表面波溫度傳感器頻率分級(jí)掃描方法研究

鄭天祥，李璐，陳碩

(國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102200)

摘要:針對(duì)聲表面波(SAW)諧振腔體的頻率響應(yīng)單側(cè)單調(diào)特征，為提高傳感器的溫度響應(yīng)速度，提出了一種頻率分級(jí)掃描方法，將頻率掃描分為粗掃頻和精掃頻兩個(gè)階段，以不同的掃頻步長(zhǎng)依次進(jìn)行。利用粗掃頻確定中心諧振頻率所處的頻率區(qū)間，再在該頻率區(qū)間內(nèi)利用精掃頻得到腔體中心諧振頻率，可將溫度傳感器掃頻時(shí)間降為原來的1/7。利用提出的頻率掃描方法開展實(shí)驗(yàn)研究，分別研究了單個(gè)傳感器的溫度量測(cè)不確定度和多個(gè)傳感器的溫度量測(cè)一致性，并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：聲表面波；溫度傳感器；頻率掃描；分級(jí)掃描

0引言

電網(wǎng)電壓等級(jí)的升高對(duì)絕緣要求更高，電力設(shè)備的溫度在線監(jiān)測(cè)需要無線無源型溫度傳感器[1]。聲表面波(SAW)傳感技術(shù)是一種典型的無線無源傳感技術(shù)[2]，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景定制傳感芯片結(jié)構(gòu)、優(yōu)化天線設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)2 m和更遠(yuǎn)距離的無線傳輸，能滿足電網(wǎng)部分電壓等級(jí)下的絕緣距離要求[3]。

聲表面波溫度傳感器主要采用諧振型結(jié)構(gòu)，溫度信息反映在回波信號(hào)諧振頻率的變化上[4]。為提升傳感器的測(cè)溫響應(yīng)速度，需盡快檢測(cè)出聲表面波器件的諧振頻率。聲表面波溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包含多個(gè)溫度傳感器，按照一定的頻率間隔合理設(shè)計(jì)多個(gè)溫度傳感器的中心頻率，保證各個(gè)傳感器在所測(cè)溫度范圍內(nèi)中心諧振頻率無重疊，組成多設(shè)備節(jié)點(diǎn)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)[5]。提高單傳感器的測(cè)溫響應(yīng)速度有助于提升電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性水平[6]。

本文將介紹諧振型聲表面波溫度傳感器的工作原理和組網(wǎng)方法，研究傳感器諧振腔體的頻率響應(yīng)曲線，提出諧振腔體中心頻率分級(jí)掃描方法，以快速查詢傳感器中心頻率，提高傳感器的整體響應(yīng)速度。開展頻率分級(jí)掃描方法實(shí)驗(yàn)研究，分別研究單傳感器與多個(gè)傳感器的溫度測(cè)量一致性等問題。

1諧振型聲表面波傳感器工作原理與組網(wǎng)方法

聲表面波溫度傳感器主要有諧振型和延遲線型兩種結(jié)構(gòu)，諧振型結(jié)構(gòu)更適宜較遠(yuǎn)距離的無線信號(hào)收發(fā)，是常見的聲表面波溫度傳感結(jié)構(gòu)，其原理如圖1所示[7]。工作過程如下：讀寫器發(fā)送某一頻率射頻信號(hào)，經(jīng)傳感器天線進(jìn)入叉指換能器中，由于壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，在晶體表面產(chǎn)生聲表面波，該波沿晶體表面向叉指換能器兩側(cè)傳播，每遇到一條反射柵均有一部分波被反射回來，另一部分波透過反射柵繼續(xù)傳播，通過合理設(shè)計(jì)反射柵的寬度和相鄰反射柵間距，各反射柵反射的回波信號(hào)間相干疊加，經(jīng)叉指換能器的正向壓電效應(yīng)，將反射的聲表面波轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)并通過傳感器天線發(fā)射出去，由讀寫器接收并檢測(cè)出頻率信息，回波信號(hào)頻率值反映了傳感器探測(cè)點(diǎn)的溫度信息[8，9]。

圖1　聲表面波溫度傳感原理Fig 1　Principle of surface acoustic wave(SAW) temperature sensing

傳感器中心諧振頻率f和探測(cè)點(diǎn)溫度T間的關(guān)系為[10,11]

f(T)=f(T0)[1+b1(T-T0)+b2(T-T0)2+…]

(1)

式中b1為一階溫度系數(shù)，b2為二階溫度系數(shù)。選出一階溫度系數(shù)高而其他階溫度系數(shù)小的晶體切向，可使傳感器中心諧振頻率隨溫度線性變化。探測(cè)傳感器的中心諧振頻率，解算出當(dāng)前傳感器探測(cè)點(diǎn)的溫度值，以此實(shí)現(xiàn)溫度傳感。由于電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)所需的溫度探測(cè)點(diǎn)較多，因而需要研究溫度傳感器的組網(wǎng)特性。

2頻率掃描方法

2.1傳感器的頻率響應(yīng)曲線

采用δ函數(shù)分析方法對(duì)圖1所示的諧振腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論建模，傳感器頻率響應(yīng)與掃描頻率間的函數(shù)關(guān)系[12]為

(2)

式中N為反射柵對(duì)數(shù)，ω0為傳感器的中心諧振頻率，Δω為讀寫器發(fā)出的掃描頻率與中心諧振頻率的差值，E0,Es分別為歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度。

式(2)仿真得到理想頻率響應(yīng)曲線如圖2所示?？梢钥闯?，在頻率響應(yīng)大于-40 dB范圍內(nèi)進(jìn)行頻率掃描，1#,2#傳感器間頻率相差1.4 MHz,不會(huì)發(fā)生串?dāng)_。

同一傳感器在不同溫度下的中心諧振頻率會(huì)發(fā)生變化，如圖3所示，隨著探測(cè)點(diǎn)溫度的升高，傳感器中心諧振頻率將會(huì)逐漸增大，傳感器頻率響應(yīng)曲線將隨著溫度的升高而整體向右移動(dòng)。探測(cè)點(diǎn)的溫度在-20～120 ℃間變化時(shí)，每一個(gè)溫度對(duì)應(yīng)唯一的一條傳感器頻率響應(yīng)曲線，通過頻率掃描測(cè)量出該溫度下的中心頻率，即可解算出探測(cè)點(diǎn)的溫度。

圖2　室溫下(25 ℃)不同SAW傳感器的理想頻率響應(yīng)曲線Fig 2　Ideal frequency response curves of different SAW sensors at 25 ℃

圖3　不同溫度下同一SAW傳感器的理想頻率響應(yīng)曲線Fig 3　Frequency response curve of the same SAW sensor under different temperatures

2.2頻率分級(jí)掃描方法

對(duì)于在25 ℃時(shí)中心諧振頻率為432.3 MHz的2#傳感器來說，當(dāng)所測(cè)溫度在-20～120 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，需在431.9～433.1 MHz間進(jìn)行掃頻，根據(jù)回波信號(hào)強(qiáng)度解算中心諧振頻率。掃頻步長(zhǎng)設(shè)置越小，掃頻次數(shù)越多，傳感器的溫度響應(yīng)時(shí)間也就越長(zhǎng)，需綜合考慮測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間來確定掃頻步長(zhǎng)。為保證±1 ℃的溫度傳感器精度，一般選擇掃頻步長(zhǎng)Δf1=3 kHz，需要掃頻401次。掃描頻率點(diǎn)及其相應(yīng)頻率響應(yīng)如圖4所示。每次掃描均包含多個(gè)信號(hào)發(fā)射、響應(yīng)、解調(diào)等環(huán)節(jié)，增加一次頻率掃描將帶來較大的響應(yīng)時(shí)間延遲。

為提高傳感器的響應(yīng)速度并兼顧精度，本文提出一種頻率分級(jí)掃描方法。該方法利用傳感器頻率響應(yīng)函數(shù)在中心諧振頻率兩側(cè)分別單調(diào)變化的特點(diǎn)，將掃頻過程分為粗精2個(gè)等級(jí)，在粗掃頻階段，選擇較大的掃頻步長(zhǎng)，快速逼近至中心諧振頻率附近，將中心諧振頻率限制在兩個(gè)粗掃描頻率間隔范圍內(nèi)；精掃頻階段在該范圍內(nèi)以更小的掃頻步長(zhǎng)掃描，實(shí)現(xiàn)中心諧振頻率的高精度測(cè)量。采用粗精分級(jí)的頻率掃描方法，可降低掃頻次數(shù)，提升傳感器的響應(yīng)速度，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中溫度傳感器輪流查詢具有重要意義。

圖4　傳感器中心諧振頻率檢測(cè)(3 kHz單一間隔頻率掃描)Fig 4　Central resonant frequency detection of SAW sensor (frequency scanning at the interval of 3 kHz)

圖5以2#傳感器為例，反映了頻率分級(jí)掃描方法的實(shí)現(xiàn)過程。在1.2 MHz范圍內(nèi)，粗掃頻階段掃頻步長(zhǎng)Δf2=50 kHz，需要掃描25次，并探測(cè)對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)強(qiáng)度，找到強(qiáng)度最高的三個(gè)頻率點(diǎn)，該頻率區(qū)間大小為兩個(gè)粗掃頻步長(zhǎng)之和100 kHz，則傳感器的中心諧振頻率處于該區(qū)間；為保證±1 ℃的溫度傳感器精度，精掃頻階段掃頻范圍為100 kHz，掃頻步長(zhǎng)Δf3=3 kHz，需要掃描34次。采用粗精分級(jí)頻率掃描方法，需要掃頻59次，與分級(jí)前的401次相比，傳感器在掃頻上所需的時(shí)間約為原來的1/7，可有效提升傳感器的響應(yīng)速度。

圖5　傳感器中心諧振頻率檢測(cè)(50 kHz和3 kHz頻率分級(jí)掃描)Fig 5　Central resonant frequency detection by frequency grading scanning of 50 kHz and 3 kHz

3頻率分級(jí)掃描方法實(shí)驗(yàn)研究

針對(duì)本文提出的頻率分級(jí)掃描方法開展聲表面波溫度傳感實(shí)驗(yàn)研究，搭建了發(fā)射頻率可靈活調(diào)節(jié)的射頻收發(fā)電路，如圖6和圖7所示。該電路可在粗掃頻階段發(fā)射不同頻率信號(hào)，探測(cè)相應(yīng)激勵(lì)下的聲表面波傳感器回波信號(hào)強(qiáng)度，并在智能判別得到精掃頻頻率區(qū)間；在精掃頻階段，該電路以更小的掃頻步長(zhǎng)精確探測(cè)傳感器的中心諧振頻率，實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能。

圖6　頻率信號(hào)收發(fā)電路Fig 6　Transceiver circuit for frequency signal

圖7　基于LabVIEW軟件的頻率信號(hào)監(jiān)測(cè)平臺(tái)Fig 7　Frequency signal monitoring platform based on LabVIEW

實(shí)驗(yàn)中,采用NI公司的PXI—5661矢量信號(hào)分析儀，監(jiān)測(cè)射頻收發(fā)電路的頻率信號(hào)發(fā)射時(shí)序，并探測(cè)2#傳感器在不同頻率激勵(lì)下的回波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。2#傳感器在25 ℃室溫下的中心諧振頻率約為432.3 MHz，在粗掃頻實(shí)驗(yàn)階段，射頻收發(fā)電路先以50 kHz的頻率間隔發(fā)射了22組頻率信號(hào)，比較不同頻率信號(hào)激勵(lì)下傳感器的回波信號(hào)強(qiáng)度，將精掃頻范圍限定在0.100 6 MHz以內(nèi)；精掃頻階段以3 kHz的頻率間隔發(fā)射信號(hào)激勵(lì)傳感器，根據(jù)回波信號(hào)強(qiáng)度解算出待測(cè)點(diǎn)溫度。為增強(qiáng)傳感器的抗干擾性能，粗掃頻和精掃頻可重復(fù)多次。

圖8　溫度傳感過程中的頻率分級(jí)掃描時(shí)間曲線Fig 8　Frequency hierarchical scanning time curve during temperature sensing process

隨后研究聲表面波傳感器的溫度測(cè)量不確定度和不同傳感器的測(cè)量一致性。將傳感器置于溫箱中，在30 ℃時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)；將溫度降低到-10 ℃，以10 ℃為間隔分段升溫到120 ℃，各溫度均恒溫20 min。將傳感器在每段恒溫的溫度測(cè)量值與實(shí)際溫度對(duì)比，2#傳感器的溫度傳感不確定度溫度誤差為-5～4 ℃，與電網(wǎng)中需要的±1 ℃精度需求還有較大差距。可對(duì)溫度傳感結(jié)果進(jìn)行多次測(cè)量取溫度均值等后處理，有望得到電網(wǎng)所需的精度。

將6只傳感器均放入溫箱中，在30 ℃時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，采用上段相同的溫度循環(huán)方法，觀察各個(gè)傳感器的溫度傳感結(jié)果，如圖9，1#～6#傳感器的溫度測(cè)量一致性所示。因在30 ℃進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，它們?cè)?0 ℃時(shí)測(cè)量值基本一致；隨著溫度的升高，各傳感器間的溫度測(cè)量值差異增大，最大差異約為10 ℃。盡管每個(gè)傳感器的溫度曲線線性度較好，但在溫度傳感一致性方面仍需繼續(xù)提升。由于溫度傳感器在電力系統(tǒng)中一般用于高溫預(yù)警，在使用中可在高溫區(qū)進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，以獲得更好的電力應(yīng)用適應(yīng)性。

圖9　1#～6#傳感器的溫度測(cè)量一致性Fig 9　Inconsistency of 1#～6# sensors in temperature measurement

4結(jié)論

本文介紹了聲表面波溫度傳感器的原理和組網(wǎng)方法，針對(duì)電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)需求中的實(shí)時(shí)性要求，為了提高單個(gè)溫度傳感器的響應(yīng)速度，有效降低傳感器組網(wǎng)后的溫度輪流查詢時(shí)間，提出了頻率分級(jí)掃描方法。該方法通過設(shè)置粗掃頻和精掃頻2個(gè)階段，在保證中心諧振頻率檢測(cè)精度的前提下，將掃描時(shí)間縮短為原來的1/7。對(duì)聲表面波溫度傳感器開展了實(shí)驗(yàn)研究，研究了單傳感器與多傳感器的溫度測(cè)量一致性問題，討論了實(shí)驗(yàn)結(jié)果并指明了繼續(xù)提高傳感器性能的方向。聲表面波溫度傳感器具有無源無線的工作特征，尤其適合電力等具有復(fù)雜電磁環(huán)境的應(yīng)用場(chǎng)合，優(yōu)異的抗干擾性能和絕緣性能將使其在未來電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。

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Research on frequency grading scanning method for surface acoustic wave temperature sensor

ZHENG Tian-xiang,LI Lu,CHEN Shuo

(Smart Grid Research Institute,State Grid,Beijing 102200,China)

Abstract:Frequency responses of surface acoustic wave(SAW)resonators are monotonous in single side around resonant frequency,a grading scanning method is proposed to enhance response speed of SAW sensor for temperature sensing.The scanning method contains two frequency scanning levels,named as the coarse-level and the fine-level.With the method,scanning time of the SAW sensor for temperature is reduced to 1/7.The experiments are performed to testify the effectiveness of the method.The uncertainty with a single SAW sensor and the inconsistency of multi-SAW sensors on temperature measurement are extracted by the experiments,experimental results are analyzed.

Key words:surface acoustic wave(SAW);temperature sensor;frequency scanning;grading scanning

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0028—04

收稿日期：2015—09—28

中圖分類號(hào)：TM 932

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)05—0028—04

作者簡(jiǎn)介:

鄭天祥(1987-)，男，黑龍江七臺(tái)河人，博士，主要研究方向?yàn)殡娏鞲衅髋c系統(tǒng)。