陆贵荣，嵇存岗，陈树越

(1. 常州大学信息科学与工程学院，江苏常州 213164；2. 常州市过程感知与互联技术重点实验室，江苏常州 213164)



基于TSE G144声表面波传感器的温度测量系统设计

陆贵荣1,2，嵇存岗1，陈树越1,2

(1. 常州大学信息科学与工程学院，江苏常州 213164；2. 常州市过程感知与互联技术重点实验室，江苏常州 213164)

文中分析了声表面波谐振器的工作原理，建立了基于TSE G144传感器的谐振型无源无线温度测量系统。该系统可分为硬件系统：包括传感器、信号源、混频器、放大器、收发开关、单片机等模块；软件系统：包括激励发送、回波接收、谐振分析和频率温度计算等。最后，对软硬件系统进行了温度实验测试，不仅测量精度达到了±0.8 ℃的优良水平，灵敏度也达到了9.2 kHz的高度，显示了测量系统良好的应用和发展前景。

传感器；声表面波；温度测量；设计

0 引言

随着现代电力系统向着大容量、高电压方向迅速发展，电力系统的安全和高效运营关系到整个国民经济的发展和人民生活的稳定，加强对电力设备的运行监测就显得尤为重要。当电力设备中有节点发生短路或者绝缘老化时，该处将会出现局部发热，温度会异常升高，极易形成火灾等安全事故，因此，通过对电力设备节点在线温度监测，能在第一时间发现并处理安全隐患，保证了电力系统的可靠高效运行。

有多种测温方案应用在现有电力系统中：(1)红外测温。红外测温由光学系统、光电探测器等部分构成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量并聚焦在作为敏感元件的光电探测器上转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。其优点是不干扰被测温场，适合人工巡查测温，使用比较灵活，缺点是精度一般，无法绕射透过遮挡物监测[1-2]。(2)光纤测温。该方法采用光纤敏感和传递信号，其技术就是基于光纤内部散射光的温度特性，将较高功率窄光脉冲送入光纤，背向散射光强随光纤环境因素变化，然后利用光时域反射技术或光频域反射技术，将返回的散射光参数探测下来，确定沿光纤分布温度场的变化[3-4]。但在高电压，大电流、高湿度等恶劣的条件下存在严重的安全隐患，如粉尘、水雾在光纤表面的积聚会使光纤的绝缘性降低，容易引发事故。(3)无线数字测温。该方案由无线射频模块和数字温度传感器等组成，采用电池给测温芯片供电，再将测得的信号无线发出。这种方案虽然实现了温度信号的无线传感，但是由于该方案属于有源方案，传感头需要电池供电且要定时更换，从而限制了其使用范围[5-6]。(4)声表面波(SAW)测温。SAW温度传感器主要由压电材料、反射栅和叉指换能器(IDT)等组成。其工作原理是首先发射一束询问信号，SAW温度传感器上的天线接收到该射频信号后通过IDT转换成瑞利波并沿压电材料表面传播，遇反射栅被反射回IDT转换成电磁波，通过天线发射，最后接收并解析该电磁波得到被测物体的温度。声表面波(SAW)温度测温技术同时具有无源无线特性，将会引领电力设备测温技术的新趋势[7-10]。

基于上述电力系统测温方案上的优缺点，本文设计了声表面波(SAW)技术用于电力系统设备的测温解决方案，该方案选用TSE G144声表面波传感器作为测温元件，并匹配相应的信号处理电路，不仅测量精度高，而且测量灵敏度也有了很大的提高[7，9-10]，体现了良好的应用前景。

1 单端口谐振型声表面波测温原理

声表面波是能量集中于表面附近传播的弹性波，可在压电晶体表面传播，它通过叉指换能器在电声之间耦合。单端口声表面波无源传感器结构如图1所示。该传感器结构主要由压电基底、叉指换能器(IDT)和反射栅构成。反射栅构成声学谐振腔，叉指换能器将激励的能量引入并将谐振腔中能量经天线发射出去。

图1 单端口声表面波传感器结构示意图

在工作时，传感器上的天线接收到激励信号，经叉指换能器电磁信号转换成基片上的声表面波，由反射栅反射回来的声表面波经过叉指换能器后再转换成电磁波信号，发射给接收机。当激励频率等于其固有频率时，由于传感器的品质因素Q值很高，该传感器将发生谐振，谐振频率为:

(1)

式中：vn为声表面波在压电材料中的传播速度；L为换能器周期。

当外界温度发生变化时，该传感器基片参数发生变化，导致了谐振频率的变化，即

(2)

由于温度的变化对传感器基片材料的影响很小，即dL/L≪dvn/vn，因此有

(3)

由式(3)可知，温度的变化引起频率变化主要是由声表面波传播速度随温度变化产生的。由vn近似地得到关于温度T的一次函数，将v(t)用泰勒级数展开，去除二次以上的高次项，得到:

(4)

式中：T为待测温度；T0为参考温度。

这样可得

(5)

因此理论上温度变化与谐振频率变化量之间呈线性关系。将声表面波谐振器的谐振频率随温度变化关系用下面的多项式表示

f=f0[1+C1(T-T0)+C2(T-T0)2+……]

(6)

式中：f0是参考温度为T0时的谐振频率；C1、C2为参考温度T0下的1阶、2阶温度系数，即传感器的温度灵敏度。

2 声表面波温度传感系统的硬件构建

传感系统选用了无源无线声表面波传感器TSE G144，它采用独特的差动机构，2个谐振器同时工作在不同的频率下，从而极大地提高了测量精度和环境稳定性，其详细技术参数如表1所示。

表1 TSE G144传感器技术参数

收发电路的构建如图2所示，无源无线温度传感系统分为在时序上交替工作的发射和接收2部分。系统中的1MHz正弦激励信号由DDS信号发生器产生，为提高系统有效发射功率，采用了间歇正弦激励方式，高频载波信号由另一个振荡器发出，它们的混频信号经滤波放大等调理后由天线发射到传感单元，为抑制射频和本振谐波等，一个双平衡混频器方案被选用，在信号接收周期，收发开关将谐振器的回波信号导入接收回路并经过低噪声放大，下变频到解调信号，再通过放大调理后，经计算机数据采集并做分析处理。为了尽可能减少传感器和天线频带特征变化时造成的失配影响，采用了宽带匹配技术[12-15]。

图2 温度传感系统框图

3 声表面波温度传感系统的软件流程

系统软件方案主要实现初始化、发送激励信号、获取SAW温度传感器的响应信号、谐振与否分析、频率温度计算等功能。其中获取响应信号是软件设计的重点，包括扫频的频率步进选择、发射功率的控制、接收信号放大倍数的控制和对响应信号的筛选等。读写器的软件流程如图3所示。

图3 读写器软件流程图

4 实验及结果分析

为了验证设计的可行性，搭建了软硬件温度测量系统并测试。传感器和读写器之间的距离设定在0.8 m，如图4所示，实验测量了该温度传感系统在0～100 ℃范围内的频率随温度的变化响应，图中纵轴的频率差为传感器中谐振器2的响应频率减去谐振器1的值。图4显示了传感系统优良的频率差-温度特性线性度和较高的温度灵敏度9.2 kHz/ ℃。利用图4的拟合公式及未知温度对应的频率差值评价的未知温度如表2所示，和设定值相比，评价值的最大误差为0.78 ℃，显示了较高的测量精度。

虽然所建立的测量系统在灵敏度及精度方面均取得了良好的结果，但对照TSE G144传感器的技术参数可看出还有潜力可挖，距离±0.5 ℃的传感器精度还有0.3 ℃的研究空间，结合图2所示的系统框图及图3显示的软件流程图可以看出，选择高质量的信号源、混频器、滤波器、放大器、天线等，设计高效的匹配网络及控制软件均可以减小误差，提高测量精度；另外，实验过程中设定温度的准确度及数据处理误差等也是必须考虑的方面。

图4 谐振频率差随温度变化的曲线

温度设定值/℃频率差/MHz温度测量值/℃误差/℃40.4154.350.35160.52316.090.09240.60324.780.78450.78544.57-0.43580.91258.370.37781.09177.83-0.17921.22792.610.61

5 结论

文中检索了现有电力系统中多种测温方案的应用，分析了声表面波谐振器的工作原理，建立并测试了基于TSE G144传感器的谐振型无源无线温度测量系统。由于传感器的独特差动机构，采用两个谐振器同时工作在不同的频率下，从而尽可能的补偿了其它环境因素的干扰，极大地提高了测量精度。通过收发等软硬件模块的合理匹配，测量灵敏度也得到了有效提高。另外，由于该声表面波传感系统的无源无线特点，将具有良好的应用和发展前景。

[1] 经冀渊，旅琳.红外测温技术在表面温升快速检测中的应用.自动化仪表，2011,32(5):83-86.

[2] 杨明，袁辉建. 远程电力设备在线红外测温系统. 测控技术，2013, 32(11): 55-58.

[3] 于海鹰,李琪.分布式光纤测温技术综述.光学仪器, 2013,35(5): 90-94.

[4] 张文平，冯军，胡文贵，等.分布式光纤测温技术在高压电缆中的应用.光通信技术，2014,38(7):29-31.

[5] 张振国,胡或.高压带电体温度无线监测系统的设计.仪表技术与传感器,2013(4):53-55.

[6] 林海军,滕召胜，杨圣洁，等.数字温度传感器自适应动态补偿方法.仪器仪表学报,2009,30(1): 138-142.

[7] 胡建学,赵俊. 基于声表面波技术的高压开关柜温度检测系统.压电与声光，2014,36(2):214-216.

[8] 袁晓东.高压开关柜的无源无线温度监测系统的研究与设计：[学位论文]. 上海：东华大学，2013.

[9] 鄢芬，崔新友.声表面波温度传感器的信号检测方法与实现.测控技术，2013,32(6):9-12.

[10] 龚贻文.声表面波无线无源温度传感系统.电气技术,2010(11):101-104.

[11] YE X S，FANG L．Studies of a high sensitive surface acoustic wave sensor for passive wireless blood pressure measurement. Sensors and Actuators: A physical, 2011, 169:74-82.

[12] 王学俊.无线声表面波传感检测系统的设计研究：[学位论文]. 杭州：浙江大学，2011.

[13] FACHBERGERA R. ERLACHER A. Monitoring of the temperature inside a lining of a metallurgical vessel using a SAW temperature sensor. Procedia Chemistry, 2009(1):1239-1242.

[14] 夏前亮.声表面波传感器测试电路研究：[学位论文].南京：南京航空航天大学,2013.

[15] 钱战一. 基于声表面波谐振器的无源无线测试技术研究：[学位论文].成都：电子科技大学，2013.

Design of Temperature Measurement System Based on Surface Acoustic Wave Sensor of TSE G144

LU Gui-rong1, 2, JI Cun-gang1, CHEN Shu-yue1, 2

(1.School of Information Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China;2. Key Laboratory for Process Perception and Interconnected Technology, Changzhou 213164, China)

The working principle of surface acoustic wave resonator was analyzed in this paper and resonance-type passive wireless temperature measurement system based on TSE G144 sensor was established. The system was composed of hardware system including sensor, signal sources, mixers, amplifiers, transceiver switches, and microcontrollers, and software system including incentive sending, echo receiving, resonance analysis, frequency temperature calculation, etc.. Finally, temperature experiment was carried out to test the software and hardware system. The accuracy of measurement is ± 0.8 ℃ and the sensitivity is 9.2 kHz, thus showing good application and development prospect of the measurement system.

sensor; surface acoustic wave; temperature measurement; design

国家自然科学基金项目(51176016)

2014-11-02 收修改稿日期：2015-06-10

P212

A

1002-1841(2015)09-0084-03

陆贵荣(1968—)，副教授，博士，主要研究方向为传感器技术及仪器仪表。E-mail：379958241@qq.com。 嵇存岗(1989—)，硕士研究生，主要研究方向为声表面波传感系统。E-mail：jcg446@qq.com。