聲表面波傳感技術及其在電力測溫中的應用

文/蔣潔青 陳昱 洪云來 葉飛

1 引言

近些年“堅強智能電網”成為中國電網建設的發展方向。堅強智能電網最重要的特征之一就是信息化和自動化，實現電力系統狀態信息的精確高效采集與傳輸。這一發展趨勢促進了在線監測技術在電網中的應用，電力生產和輸電設施逐步向無人值守方向發展。在這些新應用技術中，聲表面波傳感技術成為一個亮點。

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的優缺點，然后結合工程實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、品質因數、寄生抑制、插入損耗和敏感系數等參數。

根據器件圖形結構和信號特征的不同，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，對聲波信號的反射延遲時間有所不同。反射延遲時間會受到環境因素的影響，依靠檢測時延的變化就能夠獲得環境量的變化，實現傳感功能。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別的原理。諧振型SAW器件的反射柵密布在IDT兩側，對聲表面波信號構成一個諧振腔，因此其返回信號是一個諧振信號，而諧振頻率除了與設計尺寸有關外，也受到環境因素的影響，依靠檢測諧振頻率的變化就能夠獲得環境量的變化，實現傳感功能。

圖1：公司的聲表面波電力測溫產品傳感器

圖2：延遲線型聲表面波器件圖形結構

圖3：諧振型聲表面波器件圖形結構

圖4：聲表面波溫度監測系統示意圖

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經IDT的逆壓電效應轉換成聲表面波，聲表面波沿基片傳播并被反射柵反射回IDT，再經IDT的壓電效應轉換成電信號，由天線發射出去。可以看出，整個工作過程完全是被動的，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包括聲表面波無線傳感器和讀取器在內的系統，二者之間通過電磁波進行信息交換。聲表面波無線讀取器采用的是雷達工作原理。而且根據SAW傳感器件是延遲線型還是諧振型，相應的讀取器通常分別采用步進調頻（FMCW）雷達模式和脈沖雷達模式。二者的區別在于，步進調頻讀取器發出的是掃頻鋸齒波信號，而脈沖讀取器發出的信號是不同頻率的脈沖。

與其它測溫技術的優缺點比較。傳統的電力測溫方法是人工紅外巡檢，這種方式的缺點是：

表1：電力在線測溫技術的特點對比

（1）測溫不及時；

（2）漏檢誤撿概率大；

（3）受灰塵和天氣影響大；

（4）無法檢測遮擋部位；

（5）人力成本高。

因此在線溫度監測成為趨勢。目前可用于電力在線測溫技術主要有4種，對這幾種技術做對比可以比較其各自優缺點，如表1所示。

總結來說，相對于其他在線測溫方式，聲表面波無線測溫技術的優勢是：

（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泄露等隱患；

（3）安裝簡單。無源溫度傳感器體積小，與讀取器之間數據無線傳輸，安裝方便靈活，不受設備結構和空間影響；

（4）測溫實時性好。在線測溫，可隨時監測設備溫度變化；

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

3 諧振型聲表面波無線溫度傳感系統的設計

諧振型聲表面波溫度傳感器的特點是其輸出信號的頻率隨溫度變化，因此每個傳感器占有一定頻段，不同傳感器則依靠頻段區分。傳感系統配置的傳感器越多，所需帶寬就越寬。因此系統設計首先要解決的兩個問題是：

（1）工作頻段。選擇工作頻段選擇除了考慮技術因素外，還要考慮到國家的無線電頻譜管理規則，以免以后產生不必要的麻煩。比較可行的做法是利用業余無線電頻段，并將讀取器的無線發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，該頻段是中國和國際都認可的業余無線電頻段。

（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。理想的壓電材料應該在整個溫度范圍內都具有一致的溫度系數。同時溫度系數要適中。溫度系數太大，雖然會提高測溫精度，但占用的頻譜資源也多；溫度系數太小則達不到測溫精度要求。

諧振型聲表面波無線溫度傳感系統的設計要解決的難點主要有兩個方面：

（1）高品質因數、低寄生SAW諧振器的設計和加工。實驗表明，要獲得較好的傳感信號，SAW諧振器在常溫下的無載品質因數（Q值）要達到8000以上。另外寄生諧振要盡量小，寄生諧振可能會讓讀取器誤認為是傳感信號，從而導致測溫錯誤。

（2）傳感信號的接收和檢測。雖然從理論上檢測一個無線信號的頻率比較容易，但聲表面波無源無線傳感信號具有持續時間短、信號幅度變化大以及與發射信號頻率很接近的特點。如何快速而準確地獲取傳感信號頻率需要做認真研究。

4 工程應用

圖4是聲表面波溫度監測系統示意圖。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。如果需要更遠的距離，有三種方式：

（1）增加讀取器發射功率；

（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，受安裝環境的制約。

圖5和圖6是測溫系統在電力開關柜的現場安裝圖。其中圖5是傳感器和讀取天線的現場安裝圖，傳感器有音叉結構，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柜內壁上。讀取器的安裝則比較隨意，裝在開關柜低壓側的導軌上即可，如圖6所示。

圖5：傳感器和讀取天線的現場安裝圖

圖6：讀取器的現場安裝圖

有的變電站希望后期加裝測溫系統，停電時間較短，需要裝的測溫點很多。有的甚至是開關柜的靜觸頭和母排仍處于帶電狀態，只是動觸頭推車被拉出，因此必須裝在動觸頭上。這些情況對測溫系統的安裝提出了挑戰。有必要研究更加方便快捷的傳感器安裝結構。在這一點上如何設計傳感器天線，即能適應安裝需求又能保證良好的信號質量是技術難點。

除了用于電力開關柜測溫，各類電力線接頭觸頭以及其他以發熱部位都可以用聲表面波測溫系統進行溫度監測。這些部位往往結構差異較大，為了保證良好的效果，根據不同需求制定合理的安裝方案是必要的。

另一方面，目前的電力設備在設計時并沒有考慮為測溫系統預留位置和空間，這是造成后期安裝測溫系統困難的主要原因。作為面向堅強智能電網的“智能電網設備”，在設備設計時為測溫裝置預留安裝位置，或者直接配備測溫裝置，也是很有必要的。

5 結論

聲表面波技術，由于無線無源的優點，該技術今后可能會成為智能電網溫度監測的主流方案。關于無源無線溫度傳感器的設計和改良仍然在持續進行中，針對無源無線溫度傳感系統的瓶頸在于無線傳輸的距離不夠遠，對測溫芯片和天線的研究還在改進。隨著測溫范圍的提高和測溫探頭與收發天線的傳輸距離的提高，針對高壓電力系統各種測溫設備的應用會越來越多。目前應用于開關柜的測溫比較多，以后會逐步在電力各個領域發展。

由于聲表面波的特性，獨特的特點，技術和功能的進一步的完善，為智能電網建設的安全提供有力的保證，同時在有效的提升電力系統安全運行的同時，還能最大限度的降低故障維修次數，提高電力企業的經濟效益。