声表面波传感技术及其在电力测温中的应用

文/蒋洁青 陈昱 洪云来 叶飞

1 引言

近些年“坚强智能电网”成为中国电网建设的发展方向。坚强智能电网最重要的特征之一就是信息化和自动化，实现电力系统状态信息的精确高效采集与传输。这一发展趋势促进了在线监测技术在电网中的应用，电力生产和输电设施逐步向无人值守方向发展。在这些新应用技术中，声表面波传感技术成为一个亮点。

本文将首先介绍声表面波传感器的原理，比较与其他传感技术的优缺点，然后结合工程实际讨论如何更好的解决安装问题。

2 声表面波传感器的原理

SAW器件是用半导体集成电路工艺在压电基底材料上淀积和光刻特定形状和尺寸的金属（铝等）膜制成。压电材料的选取、IDT和反射栅的指宽、叉指间隔决定了SAW传感器件的工作频率、品质因数、寄生抑制、插入损耗和敏感系数等参数。

根据器件图形结构和信号特征的不同，SAW传感器件可以分为延迟线型和谐振型两种，如图2和图3所示。延迟线型SAW器件的反射栅分布在距离IDT不同距离的位置上，不同反射栅由于位置的不同，对声波信号的反射延迟时间有所不同。反射延迟时间会受到环境因素的影响，依靠检测时延的变化就能够获得环境量的变化，实现传感功能。反射栅的位置还具有身份码功能，这也就是声表面波射频识别的原理。谐振型SAW器件的反射栅密布在IDT两侧，对声表面波信号构成一个谐振腔，因此其返回信号是一个谐振信号，而谐振频率除了与设计尺寸有关外，也受到环境因素的影响，依靠检测谐振频率的变化就能够获得环境量的变化，实现传感功能。

图1：公司的声表面波电力测温产品传感器

图2：延迟线型声表面波器件图形结构

图3：谐振型声表面波器件图形结构

图4：声表面波温度监测系统示意图

在SAW传感器件的IDT两端接上天线，就可以组成声表面波无线传感器，可以接收和反射电磁波。其工作过程是：天线接收到的电信号经IDT的逆压电效应转换成声表面波，声表面波沿基片传播并被反射栅反射回IDT，再经IDT的压电效应转换成电信号，由天线发射出去。可以看出，整个工作过程完全是被动的，无需电源提供能量，所以声表面波无线传感器又被称作无源无线传感器。

声表面波无线传感器必须配合特殊的读取器使用，因此完整意义上的声表面波无线传感器是一个包括声表面波无线传感器和读取器在内的系统，二者之间通过电磁波进行信息交换。声表面波无线读取器采用的是雷达工作原理。而且根据SAW传感器件是延迟线型还是谐振型，相应的读取器通常分别采用步进调频（FMCW）雷达模式和脉冲雷达模式。二者的区别在于，步进调频读取器发出的是扫频锯齿波信号，而脉冲读取器发出的信号是不同频率的脉冲。

与其它测温技术的优缺点比较。传统的电力测温方法是人工红外巡检，这种方式的缺点是：

表1：电力在线测温技术的特点对比

（1）测温不及时；

（2）漏检误捡概率大；

（3）受灰尘和天气影响大；

（4）无法检测遮挡部位；

（5）人力成本高。

因此在线温度监测成为趋势。目前可用于电力在线测温技术主要有4种，对这几种技术做对比可以比较其各自优缺点，如表1所示。

总结来说，相对于其他在线测温方式，声表面波无线测温技术的优势是：

（1）无线方式不影响高压绝缘，避免有线方式“爬电”的隐患，安全性极高；

（2）可靠性高。传感器完全无源，不带电池，避免了电池高温爆炸和化学泄露等隐患；

（3）安装简单。无源温度传感器体积小，与读取器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受设备结构和空间影响；

（4）测温实时性好。在线测温，可随时监测设备温度变化；

（5）维护方便。传感器完全无源，不需定期更换电池，使用寿命长。安装成功后基本免维护。

3 谐振型声表面波无线温度传感系统的设计

谐振型声表面波温度传感器的特点是其输出信号的频率随温度变化，因此每个传感器占有一定频段，不同传感器则依靠频段区分。传感系统配置的传感器越多，所需带宽就越宽。因此系统设计首先要解决的两个问题是：

（1）工作频段。选择工作频段选择除了考虑技术因素外，还要考虑到国家的无线电频谱管理规则，以免以后产生不必要的麻烦。比较可行的做法是利用业余无线电频段，并将读取器的无线发射功率限制在一定范围。综合起来考虑，430～440MHz附近是比较合适的工作频段，该频段是中国和国际都认可的业余无线电频段。

（2）压电材料的选取。用于声表面波器件的压电材料有很多种，比较典型的有石英、钽酸锂、铌酸锂晶体。即使是同一种晶体，切割角度不同，性能也相差很大。理想的压电材料应该在整个温度范围内都具有一致的温度系数。同时温度系数要适中。温度系数太大，虽然会提高测温精度，但占用的频谱资源也多；温度系数太小则达不到测温精度要求。

谐振型声表面波无线温度传感系统的设计要解决的难点主要有两个方面：

（1）高品质因数、低寄生SAW谐振器的设计和加工。实验表明，要获得较好的传感信号，SAW谐振器在常温下的无载品质因数（Q值）要达到8000以上。另外寄生谐振要尽量小，寄生谐振可能会让读取器误认为是传感信号，从而导致测温错误。

（2）传感信号的接收和检测。虽然从理论上检测一个无线信号的频率比较容易，但声表面波无源无线传感信号具有持续时间短、信号幅度变化大以及与发射信号频率很接近的特点。如何快速而准确地获取传感信号频率需要做认真研究。

4 工程应用

图4是声表面波温度监测系统示意图。为了便于安装，读取天线和读取器采取分离型式，之间通过射频电缆相连。一般要求读取天线与传感器的距离在0.2～2米左右。如果需要更远的距离，有三种方式：

（1）增加读取器发射功率；

（2）换用高增益的读取器天线；

（3）换用高增益的传感器天线。

但高增益天线往往尺寸增加，受安装环境的制约。

图5和图6是测温系统在电力开关柜的现场安装图。其中图5是传感器和读取天线的现场安装图，传感器有音叉结构，通过螺栓固定在静触头后面的母排上，读取天线安装在开关柜内壁上。读取器的安装则比较随意，装在开关柜低压侧的导轨上即可，如图6所示。

图5：传感器和读取天线的现场安装图

图6：读取器的现场安装图

有的变电站希望后期加装测温系统，停电时间较短，需要装的测温点很多。有的甚至是开关柜的静触头和母排仍处于带电状态，只是动触头推车被拉出，因此必须装在动触头上。这些情况对测温系统的安装提出了挑战。有必要研究更加方便快捷的传感器安装结构。在这一点上如何设计传感器天线，即能适应安装需求又能保证良好的信号质量是技术难点。

除了用于电力开关柜测温，各类电力线接头触头以及其他以发热部位都可以用声表面波测温系统进行温度监测。这些部位往往结构差异较大，为了保证良好的效果，根据不同需求制定合理的安装方案是必要的。

另一方面，目前的电力设备在设计时并没有考虑为测温系统预留位置和空间，这是造成后期安装测温系统困难的主要原因。作为面向坚强智能电网的“智能电网设备”，在设备设计时为测温装置预留安装位置，或者直接配备测温装置，也是很有必要的。

5 结论

声表面波技术，由于无线无源的优点，该技术今后可能会成为智能电网温度监测的主流方案。关于无源无线温度传感器的设计和改良仍然在持续进行中，针对无源无线温度传感系统的瓶颈在于无线传输的距离不够远，对测温芯片和天线的研究还在改进。随着测温范围的提高和测温探头与收发天线的传输距离的提高，针对高压电力系统各种测温设备的应用会越来越多。目前应用于开关柜的测温比较多，以后会逐步在电力各个领域发展。

由于声表面波的特性，独特的特点，技术和功能的进一步的完善，为智能电网建设的安全提供有力的保证，同时在有效的提升电力系统安全运行的同时，还能最大限度的降低故障维修次数，提高电力企业的经济效益。