一种声表面波温度传感器测量精度的改进

2015-05-25陈俊强

电气技术 2015年4期

陈俊强

（ABB(中国)有限公司中压产品技术中心，福建厦门 361006）

在线测温可以及时地反映设备运行状态下的健康程度，在事故酝酿期发现隐患并报警，对设备的安全运行具有重要意义。基于声表面波（SAW）的无线无源温度传感器，目前在在线测温中有所使用。SAW 传感器在实际应用中，比较少有厂家对其全测量范围的测量精度进行论证。本文研究了该种温度传感器的测量原理，通过试验发现了其测量误差的规律，最后通过模拟分析和试验证明了改进方法的可行性。

1 声表面波传感器测量原理

1.1 基本原理

射频收发器[1]通过天线发射的电磁波信号被传感器天线接收后，由IDT[2]（叉指换能器）转换为声表面波，声表面波在压电基片表面传播，经过反射器反射回IDT，再重新转换成电磁波信号，传回收发器。声表面波的频率受传感器本身温度的影响而变化，所以带有温度信息，通过换算可以转换为温度。

1.2 校正原理

该传感器在使用前必须选择一个当前实际温度进行校正，目的是计算出基准频率，用于后续温度计算。计算公式[3]如下：

式中，f0为基准频率；f为传感器测量到的频率；T为传感器测量到的温度；tK1和tK2为线性温度系数，系统提供默认值，可在应用软件修改；Tref为参考温度，系统提供默认值，不可直接在应用软件修改。

图1 声表面波温度传感器原理

正常都是在常温下校正，比如常温是25℃，传感器测量到的频率是432343296Hz，使用系统默认的参数进行校验，根据上述公式得到f0基准频率，存入收发器的EEPROM 中，供正常测量计算，f0不会变化，除非再次校正。利用式（1）的换算过程如下：

图2为在应用软件中的校正过程。

图2 传感器应用软件温度校正界面

1.3 计算原理

传感器校正后，新测量的频率就可以通过公式（1）倒算为被测点的温度，计算式如下：

比如传感器测量到的频率f为432768389Hz，根据系统默认的参数和校正得到的基准频率f0，由式（2）就可以得到传感器的测量温度为86.27℃，计算过程如下：

2 测量精度验证

该传感器的规格书技术指标指出，其测量范围为-20℃～120℃，测量精度为±1℃。我们对其进行了验证。

2.1 试验环境

为了进行温度对比，在传感器测量点同时加了热电偶测温元件。热电偶测温系统事先校验过，测量值将作为标准值。两套系统的时间设置成同步，而且温度采集间隔一样，都是1min/次，这样可以保证数据对比的准确性。图3为试验环境图。

图3 传感器测量精度验证试验环境

2.2 测量结果

经过多轮测试，发现传感器随着温度的上升，传感器测量的温度会逐渐偏大，以图4为例。Difference 线为传感器与热电偶的测量温度差，呈上升趋势，传感器测量的温度在70℃的时候比实际温度高4℃，在100℃的时候则达到8℃，与规格书测量精度±1℃不符。

图4中横坐标为采样时间，总的采样3 h，每1min 采样一次；thermocouple 曲线为热电偶测量的温度值，SAW 曲线为传感器的测量值，在左纵坐标体现；signal 曲线为传感器的信号强度，用来证明信号的稳定性，Difference 曲线为传感器与热电偶的温度差，也就是传感器的测量误差。

3 测量精度改进

3.1 仿真设置

对于某个特定温度，传感器采样到的频率是不变的，所以可以通过调节式（2）中的系统参数，来解决误差问题。传感器允许调整参数，但是调整结果，要是每次都通过试验来验证，效率低下，又浪费资源。

通过前期收集的数据，根据传感器的校正和计算原理，可以先在Excel 模拟仿真各个参数对温度的影响，再通过试验验证，会比较有针对性。

如图5所示，在Excel 里头可以分以下三个步骤设置。

步骤1：设置Tref（T0），tK1，tK2三个系统参数的调整控件[4]，调整的幅度可以在控件里头设置。

步骤2：选择测试收集的某个温度值作为校正温度，这里选择第一列30.2℃和传感器测量的频率，根据步骤1 调整后的参数模拟校正过程，计算出基准频率f0，参考式（1）。

步骤3：根据修改后的参数和模拟校正得到的基准频率f0，就可以算出收集的传感器测量频率对应的新温度，参考式（2）。

图5步骤3 各列数据定义如下，Time 为收集数据的时间；Thermocouple（Th）为热电偶测量的温度，这个温度作为标准温度；SAW T1 为传感器根据系统默认参数得到的实际测量温度；Signal 为传感器的信号强度；f为传感器实际测量到的频率，这个值与系统参数无关；T0（Tref），tK1，tK2为修改后的系统参数；SAW T2 为模拟计算出来的温度；T2～T1为传感器改进前后的温度差异；T2～Th为传感器改进后与热电偶标准温度的误差。

在Excel 里头可以把需要的数据提取出来，做曲线图，调整相应参数的增减控件，就可以在曲线图直观地看出调整结果。

图5 Excel 仿真改进环境的设置

3.2 仿真结果

1）线性温度系数改进结果

tK1和tK2为线性温度系数，系统提供默认值，可在应用软件修改。试验结果如图6所示。

点击图5的tK1控件，可以发现仿真后的SAW T2 曲线会以校正点，也就是温度起始点向上或向下整体绕动，当tK1从系统默认值15420 增加到17420时，曲线刚好和热电偶实际温度曲线重合，如图6所示，T2-Th曲线代表两者误差，对应右边纵轴，可以看出误差在1℃以内。所以调节tK1可以解决误差问题。

图6 tK1 温度系数调整结果

而对于tK2的调整，可以发现仿真后的SAW T2曲线无法与热电偶实际温度曲线重合，当tK2从系统默认值-7000 增加到53000 时，曲线终点与热电偶实际温度相同，但曲线的中部拱起，误差变大，如图7所示，T2-Th 误差曲线显示tK2只能实现部分温度点的校正。

图7 tK2 温度系数调整结果

由于tK1和tK2线性温度系数是传感器测量的局部变量，需要对每个传感器进行单独校正，不太方便，这两个变量的调整适合对个别传感器进行微调。

2）参考温度改进结果

Tref（T0）为参考温度，系统提供的默认值为50℃，图8为不同参考温度下的调整结果，可以看出，参考温度小于默认值时，仿真后的温度曲线SAW 曲线上抬；参考温度大于默认值时，仿真曲线不断下压，在大约200℃时，曲线刚好和热电偶实际温度曲线重合，所以调节T0可以解决误差问题，而且由于T0参考温度是全局变量，可以对所有传感器进行改进，非常方便。