應用聲表面波技術的無線無源溫度傳感系統

作者介紹了一種基於聲表面波（SAW）的無線無源溫度傳感系統，該測溫系統具有安裝方便，精度高，實時在線後臺監測等特點，已經受到了電力行業的廣泛關注，並已成功應用於高壓開關櫃測溫上，對智能電網的建設具有重要的意義。

1．背景

對於電網的安全運營及電力系統資源的最優化利用方案實施，最有效的方法是對電力設備進行監測，溫度則是需要監測的最重要數據之一。電力設備溫升主要是由流過電纜的電流引起的。

當電力設備中有節點發生短路或者絕緣老化時，表現出來的就是該處局部發熱，溫度異常升高，繼而使觸電膨脹氧化使節點電阻增大，發熱量進一步上升，溫度繼續升高，形成一個惡性循環。而對於電纜中正常電流，溫度則會保持在一定的水平。

因此，通過對電力設備溫度的監測，即可知曉電力系統運營的負荷情況。通過整合電網信息資源，可以實現電力信息和資源共享的最大化，在發生設備隱患的第一時間就能發現並處理隱患，且在保證電力系統安全運營的情況下，提高電力電網輸送電力的效率。

2. 目前電力系統測溫方案簡介

高壓電力設備由於其環境的特殊性，對其中節點的測溫有如下難點：

1） 監測點數眾多：初步統計一個220KV變電站的各種電纜接頭達數千個；

2） 監測點的位置千差萬別 ：有的在室內、有的在室外；有的在控制櫃內、有的裸露在高空；

3） 要求傳感器與外界徹底隔離：布線會帶來新的安全隱患，傳感器供電問題難以解決；

4） 電磁幹擾強：電壓高達數萬乃至幾十萬伏，電流幾十安培甚至上百安培，設備周圍分布著極強的電磁場幹擾；

5） 工作環境溫度高：要求傳感器能在120℃高溫下工作。

目前用於電力系統的測溫解決方案有如下幾種：

(1) 紅外測溫

紅外測溫儀適合人工巡查測溫，因為使用比較靈活，現在已經成為高壓電力設備溫度檢測的一個主要手段。紅外測溫儀的缺點是體積較大,成本高,精度一般（與距離有關），特別是它無法實現在線實時監測。另外紅外線無法繞射透過遮擋物、準確測量關鍵接點處溫度，限制了它在一些場合的應用。[1]

(2) 光纖測溫

光纖式溫度測溫儀採用光纖傳遞信號，其溫度傳感頭安裝在帶電物體的表面，測溫儀與溫度傳感器間用光纖連接。[2]光纖具有易折，易斷的特性,安裝比較複雜，設備造價較高，特別是積累灰塵後易使絕緣性降低，可能造成意外事故。

（3）無線測溫

現有的無線測溫方案，採用電池或者小CT取能給測溫晶片供電，再將測溫晶片得到的信號通過無線晶片無線發出。這種方案雖然實現了溫度信號的無線傳輸，但是由於該方案屬於有源方案，傳感頭需要電池供電或者小CT取能供電。

電池供電存在需要定時更換電池，而且電池在夏季抗高溫能力較差，給電力部門的運營帶來影響；而小CT取能則存在若接頭電流較小，電能無法取出，傳感頭停止工作，若接頭電流較大，則容易燒壞小CT直至燒壞傳感頭。

所謂小CT就是一個小變壓器，它可以通過感應高壓母線上的交變電流取得電能。採用CT取能，傳感頭體積較大，而且布放的位置對取能效率影響較大，缺乏普遍適應性。

3. 聲表面波溫原理

上述測溫方式在電力系統的測溫上有很大的局限性，針對這些缺點，我們在國內外率先提出將聲表面波（SAW）技術用於電力系統設備的測溫解決方案，該方案具有無線無源的特點，能夠很好的解決上述幾種測溫方式存在的困難。

聲表面波技術是上世紀七、八十年代才逐漸成熟起來的一門新興科學技術領域，它是聲學和電子學相結合的一門邊緣學科。聲表面波是沿物體表面傳播的一種彈性波。在具有壓電性的晶體上由於存在壓電性，在電聲之間存在耦合。壓電晶體本身是換能介質，在傳播聲表面波的壓電晶體表面可以製作電聲換能器，使電能和聲能互相轉換。

目前利用聲表面波測溫的工作原理主要有兩種，第一種利用基片左端的換能器通過逆壓電效應將輸入的無線轉變成聲信號，此聲信號沿基片表面傳播被位於基片右端的一個或數個周期性柵條反射，反射信號最終由同一個換能器通過壓電效應將聲信號轉變成無線應答信號輸出。如圖1所示。

當基片的溫度發生變化時，引起聲表面波的傳輸速度與反射器的間距的改變，從而引起無線應答的相位（時間延遲）改變，這種改變隨溫度的改變而呈線性變化，因此容易得到測量的溫度值。第二種如圖2所示，當壓電晶體基片上的換能器通過逆壓電效應將輸入的無線信號轉變成聲信號後，被左右兩個周期性柵條反射形成諧振。

該諧振器的諧振頻率與基片的溫度有關，而且諧振頻率的改變隨溫度的改變在一定溫度範圍內呈非常線性的關係，圖3所示的是實際測量的諧振頻率隨溫度變化的曲線。當同一個換能器通過壓電效應將聲信號轉變成無線應答信號輸出後，我們就可以通過測量頻率變化得到溫度值，故聲表面波測溫器件為純無源器件。

相比之下，諧振型在靈敏度、可靠性和無線檢測距離等指標方面優於延遲型，故在測溫系統中我們選擇了諧振型聲表面波傳感器。

圖1 延遲線型聲表面波溫度傳感器結構

圖2 諧振器型聲表面波溫度傳感器結構

圖3 SAW諧振頻率隨溫度的變化關係

4. 無線無源溫度傳感系統組成及其特點

無源無線溫度監控系統由測溫傳感頭、信號讀寫器與無線中繼、後臺監控系統三部分組成。前端的傳感頭無需供電，可以方便安裝在高壓帶電體被測點上，準確的跟蹤發熱點的溫度變化。

測溫傳感頭上的天線和與信號讀寫器相連的接收天線之間無線通信，純絕緣系統，安全性能好，且每個信號讀寫裝置可對應多個探測點，即插即用，便於擴大規模和系統升級；信號讀寫器將溫度信號處理成數位訊號通過光纖傳輸至後臺監控系統，可實現長距離無中繼傳輸。

後臺監控器採用時分復用或頻分復用等方式同時控制1-100個信號讀寫器，而每個信號讀寫器可同時對應多個聲表面溫度傳感器，因此，整個系統可同時在線監測幾百、上千個電體被測點的溫度。以開關櫃內的節點為例，測溫系統示意圖4。

圖4 無源無線溫度傳感系統示意圖

1） 傳感頭

無源無線傳感頭具有純無源、免維護、體積小，安裝靈活，可以方便的安裝在被測點上，準確的跟蹤發熱點的溫度變化，並以無線方式將數據傳到採集器上，實現對被測點溫度信息進行實時採集，實現非接觸溫度測量。傳感頭見圖5。

圖5 無線無源傳感頭

2） 信號讀寫器與無線中繼

信號讀寫器器用來收集傳感頭的溫度信號，將其重新打包，通過有線或無線方式發送至後臺監控系統，安裝在測溫現場。信號讀寫器帶有液晶顯示屏，顯示監測點的實時溫度，方便用戶在測溫現場監測被測點的溫度。

一個信號讀寫器對應有3個收發數據埠，每個數據收發埠連接一個收發天線用於與測溫傳感頭通信。由於各個傳感探頭的諧振中心頻率不同，每個收發天線可以同時和6個傳感探頭通信，即一個信號讀寫器可對應18個溫度傳感探頭。

3）後臺監控系統

後臺監控系統將傳感器採集的溫度信息進行數位化分析處理。後臺監控系統通過時分復用可同時監控多個信號讀寫器，每個信號讀寫器可與18個傳感探頭通信，即一個後臺監控系統可同時監控成百上千個傳感探頭處的溫度，實現實時在線多點測溫，並可以存儲歷史數據。系統根據歷史數據和實時數據可及時判斷被測點溫度是否正常，並對可能發生故障的被測點進行預測和提前報警。

5. 無線無源溫度傳感系統應用實例

圖6 無源無線傳感頭在開關櫃中的應用

圖7 實時監測數據

無源無線傳感頭在開關櫃中的應用實例見圖6，圖7為後臺監控系統記錄的測溫傳感頭測得的實時溫度數據。圖6中，傳感頭用絕緣膠帶固定在被測點處，通過右下方的收發天線與信號讀寫器通信並反饋實時的溫度信號。

與收發天線相連的信號讀寫器將溫度信號打包並發送至後臺監控系統並顯示，見圖7。對所有的歷史數據，我們的系統都會記錄下來，方便用戶隨時查看。對發生異常的溫度信號，系統會發出警報通知用戶及時排除故障，以避免重大事故。

6. 小結及展望

過去幾十年，聲表面波器件主要應用於通信系統，各國的科學家對聲表面波的特性和應用價值已經進行了大量深入細緻的研究。利用聲表面波測溫早有學者提出，但因為基於聲表面波原理的溫度傳感器在一般情況下傳播距離較短，而且其他傳統的測溫方式的相對成熟。這方面的有關研究一直停留在理論探索上，工業應用開發很少。

劉文教授於2008年底首先提出了將聲表面波溫度傳感器應用於高壓電力設備測溫，目前實用化成套設備已經開發成功，並且已經批量應用在 「廣西供電公司河池供電局變電站開關櫃測溫項目」，「廣西欽州果子山變電站開關櫃測溫項目」 「廣西欽州港口變電站開關櫃測溫項目」，「湖北黃石電力集團變電站開關櫃測溫項目」等。已經引起了國內外電力行業的廣泛關注。

由於其無源無線的優點，該技術今後可能會成為智能電網溫度監測的一個主流方案。關於無源無線溫度傳感方案的設計和改良仍然在持續進行中，針對基於SAW的無線無源溫度傳感系統的瓶頸在於無線傳輸距離不夠遠，我們已經制定了從SAW測溫晶片到通信天線的進一步改進計劃。

隨著測溫範圍的提高和測溫探頭與收發器天線傳輸距離的提高，針對高壓電力系統各種設備測溫的應用會越來越多。目前可以應用的場景是開關櫃組測溫，電抗器組測溫，以後將逐步應用在電容器組測溫，地埋電纜節點測溫以及架空電纜的測溫等。可以預計，隨著我們研究開發的深入，SAW無線無源溫度傳感系統功能會越來越完善，為智能電網建設的安全穩定運行提供有力的保障。

（編自《電氣技術》，原文標題為「 聲表面波無線無源溫度傳感系統」，作者為龔貽文、譚冰 等。）