应用声表面波技术的无线无源温度传感系统

（文章来源：电气新科技）

对于电网的安全运营及电力系统资源的最优化利用方案实施，最有效的方法是对电力设备进行监测，温度则是需要监测的最重要数据之一。电力设备温升主要是由流过电缆的电流引起的。当电力设备中有节点发生短路或者绝缘老化时，表现出来的就是该处局部发热，温度异常升高，继而使触电膨胀氧化使节点电阻增大，发热量进一步上升，温度继续升高，形成一个恶性循环。而对于电缆中正常电流，温度则会保持在一定的水平。

因此，通过对电力设备温度的监测，即可知晓电力系统运营的负荷情况。通过整合电网信息资源，可以实现电力信息和资源共享的最大化，在发生设备隐患的第一时间就能发现并处理隐患，且在保证电力系统安全运营的情况下，提高电力电网输送电力的效率。

高压电力设备由于其环境的特殊性，对其中节点的测温有如下难点：1） 监测点数众多：初步统计一个220KV变电站的各种电缆接头达数千个；2） 监测点的位置千差万别 ：有的在室内、有的在室外；有的在控制柜内、有的裸露在高空；3） 要求传感器与外界彻底隔离：布线会带来新的安全隐患，传感器供电问题难以解决；4） 电磁干扰强：电压高达数万乃至几十万伏，电流几十安培甚至上百安培，设备周围分布着极强的电磁场干扰；5） 工作环境温度高：要求传感器能在120℃高温下工作。

目前用于电力系统的测温解决方案有如下几种：红外测温，红外测温仪适合人工巡查测温，因为使用比较灵活，现在已经成为高压电力设备温度检测的一个主要手段。红外测温仪的缺点是体积较大,成本高,精度一般（与距离有关），特别是它无法实现在线实时监测。另外红外线无法绕射透过遮挡物、准确测量关键接点处温度，限制了它在一些场合的应用。[1]

光纤测温，光纤式温度测温仪采用光纤传递信号，其温度传感头安装在带电物体的表面，测温仪与温度传感器间用光纤连接。[2]光纤具有易折，易断的特性,安装比较复杂，设备造价较高，特别是积累灰尘后易使绝缘性降低，可能造成意外事故。

无线测温，现有的无线测温方案，采用电池或者小CT取能给测温芯片供电，再将测温芯片得到的信号通过无线芯片无线发出。这种方案虽然实现了温度信号的无线传输，但是由于该方案属于有源方案，传感头需要电池供电或者小CT取能供电。

电池供电存在需要定时更换电池，而且电池在夏季抗高温能力较差，给电力部门的运营带来影响；而小CT取能则存在若接头电流较小，电能无法取出，传感头停止工作，若接头电流较大，则容易烧坏小CT直至烧坏传感头。所谓小CT就是一个小变压器，它可以通过感应高压母线上的交变电流取得电能。采用CT取能，传感头体积较大，而且布放的位置对取能效率影响较大，缺乏普遍适应性。

上述测温方式在电力系统的测温上有很大的局限性，针对这些缺点，我们在国内外率先提出将声表面波（SAW）技术用于电力系统设备的测温解决方案，该方案具有无线无源的特点，能够很好的解决上述几种测温方式存在的困难。

声表面波技术是上世纪七、八十年代才逐渐成熟起来的一门新兴科学技术领域，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。在具有压电性的晶体上由于存在压电性，在电声之间存在耦合。压电晶体本身是换能介质，在传播声表面波的压电晶体表面可以制作电声换能器，使电能和声能互相转换。

目前利用声表面波测温的工作原理主要有两种，第一种利用基片左端的换能器通过逆压电效应将输入的无线转变成声信号，此声信号沿基片表面传播被位于基片右端的一个或数个周期性栅条反射，反射信号最终由同一个换能器通过压电效应将声信号转变成无线应答信号输出。如图1所示。

当基片的温度发生变化时，引起声表面波的传输速度与反射器的间距的改变，从而引起无线应答的相位（时间延迟）改变，这种改变随温度的改变而呈线性变化，因此容易得到测量的温度值。第二种如图2所示，当压电晶体基片上的换能器通过逆压电效应将输入的无线信号转变成声信号后，被左右两个周期性栅条反射形成谐振。

该谐振器的谐振频率与基片的温度有关，而且谐振频率的改变随温度的改变在一定温度范围内呈非常线性的关系，图3所示的是实际测量的谐振频率随温度变化的曲线。当同一个换能器通过压电效应将声信号转变成无线应答信号输出后，我们就可以通过测量频率变化得到温度值，故声表面波测温器件为纯无源器件。

相比之下，谐振型在灵敏度、可靠性和无线检测距离等指标方面优于延迟型，故在测温系统中我们选择了谐振型声表面波传感器。

（责任编辑：fqj）