一種聲表面波溫度傳感器 測量精度的改進

陳俊強

（ABB(中國)有限公司中壓產品技術中心，福建 廈門 361006）

在線測溫可以及時地反映設備運行狀態下的健康程度，在事故醞釀期發現隱患并報警，對設備的安全運行具有重要意義。基于聲表面波（SAW）的無線無源溫度傳感器，目前在在線測溫中有所使用。SAW 傳感器在實際應用中，比較少有廠家對其全測量范圍的測量精度進行論證。本文研究了該種溫度傳感器的測量原理，通過試驗發現了其測量誤差的規律，最后通過模擬分析和試驗證明了改進方法的可行性。

1 聲表面波傳感器測量原理

1.1 基本原理

射頻收發器[1]通過天線發射的電磁波信號被傳感器天線接收后，由IDT[2]（叉指換能器）轉換為聲表面波，聲表面波在壓電基片表面傳播，經過反射器反射回IDT，再重新轉換成電磁波信號，傳回收發器。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，通過換算可以轉換為溫度。

1.2 校正原理

該傳感器在使用前必須選擇一個當前實際溫度進行校正，目的是計算出基準頻率，用于后續溫度計算。計算公式[3]如下：

式中，f0為基準頻率；f為傳感器測量到的頻率；T為傳感器測量到的溫度；tK1和tK2為線性溫度系數，系統提供默認值，可在應用軟件修改；Tref為參考溫度，系統提供默認值，不可直接在應用軟件修改。

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℃，傳感器測量到的頻率是432343296Hz，使用系統默認的參數進行校驗，根據上述公式得到f0基準頻率，存入收發器的EEPROM 中，供正常測量計算，f0不會變化，除非再次校正。利用式（1）的換算過程如下：

圖2為在應用軟件中的校正過程。

圖2 傳感器應用軟件溫度校正界面

1.3 計算原理

傳感器校正后，新測量的頻率就可以通過公式（1）倒算為被測點的溫度，計算式如下：

比如傳感器測量到的頻率f為432768389Hz，根據系統默認的參數和校正得到的基準頻率f0，由式（2）就可以得到傳感器的測量溫度為86.27℃，計算過程如下：

2 測量精度驗證

該傳感器的規格書技術指標指出，其測量范圍為-20℃～120℃，測量精度為±1℃。我們對其進行了驗證。

2.1 試驗環境

為了進行溫度對比，在傳感器測量點同時加了熱電偶測溫元件。熱電偶測溫系統事先校驗過，測量值將作為標準值。兩套系統的時間設置成同步，而且溫度采集間隔一樣，都是1min/次，這樣可以保證數據對比的準確性。圖3為試驗環境圖。

圖3 傳感器測量精度驗證試驗環境

2.2 測量結果

經過多輪測試，發現傳感器隨著溫度的上升，傳感器測量的溫度會逐漸偏大，以圖4為例。Difference 線為傳感器與熱電偶的測量溫度差，呈上升趨勢，傳感器測量的溫度在70℃的時候比實際溫度高4℃，在100℃的時候則達到8℃，與規格書測量精度±1℃不符。

圖4中橫坐標為采樣時間，總的采樣3 h，每1min 采樣一次；thermocouple 曲線為熱電偶測量的溫度值，SAW 曲線為傳感器的測量值，在左縱坐標體現；signal 曲線為傳感器的信號強度，用來證明信號的穩定性，Difference 曲線為傳感器與熱電偶的溫度差，也就是傳感器的測量誤差。

3 測量精度改進

3.1 仿真設置

對于某個特定溫度，傳感器采樣到的頻率是不變的，所以可以通過調節式（2）中的系統參數，來解決誤差問題。傳感器允許調整參數，但是調整結果，要是每次都通過試驗來驗證，效率低下，又浪費資源。

通過前期收集的數據，根據傳感器的校正和計算原理，可以先在Excel 模擬仿真各個參數對溫度的影響，再通過試驗驗證，會比較有針對性。

如圖5所示，在Excel 里頭可以分以下三個步驟設置。

步驟1：設置Tref（T0），tK1，tK2三個系統參數的調整控件[4]，調整的幅度可以在控件里頭設置。

步驟2：選擇測試收集的某個溫度值作為校正溫度，這里選擇第一列30.2℃和傳感器測量的頻率，根據步驟1 調整后的參數模擬校正過程，計算出基準頻率f0，參考式（1）。

步驟3：根據修改后的參數和模擬校正得到的基準頻率f0，就可以算出收集的傳感器測量頻率對應的新溫度，參考式（2）。

圖5步驟3 各列數據定義如下，Time 為收集數據的時間；Thermocouple（Th）為熱電偶測量的溫度，這個溫度作為標準溫度；SAW T1 為傳感器根據系統默認參數得到的實際測量溫度；Signal 為傳感器的信號強度；f為傳感器實際測量到的頻率，這個值與系統參數無關；T0（Tref），tK1，tK2為修改后的系統參數；SAW T2 為模擬計算出來的溫度；T2～T1為傳感器改進前后的溫度差異；T2～Th為傳感器改進后與熱電偶標準溫度的誤差。

在Excel 里頭可以把需要的數據提取出來，做曲線圖，調整相應參數的增減控件，就可以在曲線圖直觀地看出調整結果。

圖5 Excel 仿真改進環境的設置

3.2 仿真結果

1）線性溫度系數改進結果

tK1和tK2為線性溫度系數，系統提供默認值，可在應用軟件修改。試驗結果如圖6所示。

點擊圖5的tK1控件，可以發現仿真后的SAW T2 曲線會以校正點，也就是溫度起始點向上或向下整體繞動，當tK1從系統默認值15420 增加到17420時，曲線剛好和熱電偶實際溫度曲線重合，如圖6所示，T2-Th曲線代表兩者誤差，對應右邊縱軸，可以看出誤差在1℃以內。所以調節tK1可以解決誤差問題。

圖6 tK1 溫度系數調整結果

而對于tK2的調整，可以發現仿真后的SAW T2曲線無法與熱電偶實際溫度曲線重合，當tK2從系統默認值-7000 增加到53000 時，曲線終點與熱電偶實際溫度相同，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只能實現部分溫度點的校正。

圖7 tK2 溫度系數調整結果

由于tK1和tK2線性溫度系數是傳感器測量的局部變量，需要對每個傳感器進行單獨校正，不太方便，這兩個變量的調整適合對個別傳感器進行微調。

2）參考溫度改進結果

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

3.3 試驗結果

把T0從默認的50℃修改為160℃，可以把各個傳感器的誤差可以控制在±1℃以內，與規格書測量精度相符合。以下圖為例，最大誤差為0.9℃。

圖8 T0 參考溫度調整結果

圖9 改進后測量溫度對比

所以試驗證明仿真中提高T0可以改進測量精度的推論是正確的。

4 結論

本文介紹了某種聲表面波溫度傳感器的測量精度的改進。文中仿真試驗，不需要特別的軟件，只要在Excel 做簡單設置即可完成，試驗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] 伍遠高.EXCEL VBA 開發技術大全 [M].北京: 清華大學出版社,2009.