高压电力电缆接头内置式无源无线感温传感器

本发明属于电力电缆技术领域。

背景技术：

电力电缆在工作时，会产生热量，而由于多种原因每个区域温度可能就有所不同，为了保护电缆的安全，在外部会包覆多种保护，这样就只能通过外部采集电缆内部的温度，准确率较低，由于测温的不准确，就有可能造成不必要的危险。

技术实现要素：

本发明的目的是根据高压电缆结构部位的特征，直接在其内部增加一个在接头部位直接测得电缆温度的高压电力电缆接头内置式无源无线感温传感器。

本发明包括saw温度传感器和温度读取器；saw温度传感器主要由半波偶极子天线及声表谐振器组成；温度读取器包括dsp控制与数据处理模块、射频收发开关、信号发生器、发射信号处理模块、接收信号处理模块；

saw温度传感器：内置式saw温度传感器外观为成圆环形，安装时直接卡在被测电缆接头的圆形铜线芯上，传感器内侧设置有软铜片，软铜片与声表谐振器背面覆铜相连；

dsp控制与数据处理模块：dsp采用tms320f28335主控芯片，选取19.2mhz外部有源晶振为系统时钟源；

射频收发开关：由dsp控制一个单刀双掷型射频开关rf6504和两个单刀单掷射频开关adg901进行激励信号发射和回波接收路径切换rf6504是收发前端模块，tx端口为功率放大器，rx端口为直通路径，两者通过一个sp2t开关与单一天线端口相连接，发射模式：c_tx＝1，c_rx＝0；接收模式：c_tx＝0，c_rx＝1；adg901是端接分流引脚的吸收式开关，由cmos控制引脚ctrl控制路径导通和关断；

信号发生器：信号源采用集成vco+pll芯片si4112产生两路中频信号，一路用作发射激励信号，另一路用作接收本振信号，为ad608的中频输出频率，si4112内部主要是一个可编程dds系统，由n、r两个分频寄存器实现数控频率利用si4112编程工具得到寄存器值后，由dsp通过spi接口完成si4112内部寄存器配置，当引脚和pdib使能，si4112即可产生一个频谱纯净的模拟正弦波输出；vco有一个标称电容cnom与总电感并联，因此，中心频率为

发射信号处理模块：dsp通过定时器和使能端控制si4112输出正弦脉冲信号。信号先通过数字衰减器rfsa2644衰减，再经过低噪声放大器lna和rf6504内部pa两级功率放大，rfsa2644是一款6位数字步进衰减器，dsp通过spi时序配置rfsa2644内部6位增益寄存器来调节信号强度，pup接高电平；采用高性能的低噪声rf前端放大器rf2373；

接收信号处理模块：天线接收到回波信号，先经过结构简单的无源声表滤波器sjkt435进行带通滤波，带通滤波后的微弱信号经过两级lna进行放大，lna作为无线接收前端的第一级主动电路，采用lna应用电路，即rf2373应用电路；将第二路信号源输出的本振信号与放大的回波信号接入到接收器if子系统ad608，进行混频，中频低通滤波与放大等处理，输出rssi和硬件限幅的中频信号两路模拟量，最后，由dsp控制片内ad模块完成采样以及数据处理。

本发明结构简单，由于通过铜片直接与电缆内部接触，所以，更加准确的获得电缆的实际温度，从而能够更加及时掌握电缆的安全系数。

附图说明

图1是本发明saw温度传感器原理图；

图2是本发明saw温度传感器实物图；

图3是本发明温度读取器硬件框架图；

图4是本发明rf6504应用电路图；

图5是本发明ad901功能框图图；

图6是本发明if合成框图；

图7是本发明si4112应用电路图；

图8是本发明rfsa2644应用电路图；

图9是本发明rf2373应用电路图；

图10是本发明ad608功能框图；

图11是本发明ad608中频数字系统应用电路图；

图12是本发明软件流程图；

图13是激励脉冲序列图；

图14是回波信号图；

图15是全扫描方式图；

图16是局部扫频方式图；

图17是实测温度与中心频率图；

图18是温度-中心频率关系曲线图。

具体实施方式

本发明采集前端由圆环形saw温度传感器、温度读取器以及读取天线组成。其中，saw温度传感器负责实时接收读取器发出的扫频信号并将采集到的温度信号返回到读取器。温度读取器是系统工作的核心，通过它可以发射无线扫频信号以及对saw传感器返回信号进行接收、分析和识别，并通过工业总线将温度信息上传至监测上位机；读取天线是无线信号传输的通道，工作频段为433mhz。当温度超过设定阈值，上位机会通过报警灯和消息弹窗进行预警以指示运维人员及时处理安全隐患。同时根据报警信息，实时温度数据和历史温度曲线进行综合分析，确认和处理等操作。

图1和图2分别为saw温度传感器的电路原理图及实物。它主要由半波偶极子天线及声表谐振器组成。声表谐振器的中心频率为430.5mhz，频率精度为±75khz。

内置式saw温度传感器外观为成圆环形，安装时直接卡在被测电缆接头的圆形铜线芯上。传感器内侧设置有软铜片，软铜片与声表谐振器背面覆铜相连，能够保证测温点处热量快速传递到声表谐振器内部。

温度读取器主要由信号发生器，发射信号处理模块，接收信号处理模块，射频收发开关、dsp控制与数据处理模块构成，如图3所示。信号发生器产生两路中频信号源，作为激励信号和回波信号的本振。温度读取器主要工作模式为发射和接收模式。发射模式下，由发射信号处理模块发射特定的射频信号，激励saw传感器产生谐振。接收模式下，由接收信号处理模块处理saw传感器传回的回波信号。dsp控制与数据处理模块主要产生控制信号，与测量回波信号的rssi与频率。

(1)dsp控制与数据处理模块

dsp采用tms320f28335主控芯片，选取19.2mhz外部有源晶振为系统时钟源。dsp完成检测系统的主控制与信号处理计算工作，具体任务包括：配置射频电路的频率合成器；对射频信号发射、回波接收进行时序控制；通过片内ad采集回波信号及其rssi，根据扫频范围内回波信号强度来确定谐振频率，然后计算出传感器的温度值，并传输至上位机软件显示。

(2)射频收发开关

射频收发电路共用一个天线，由dsp控制一个单刀双掷型射频开关(rf6504)和两个单刀单掷射频开关(adg901)进行激励信号发射和回波接收路径切换。

rf6504是一款用于433mhz至470mhz的50ω收发前端模块。tx端口提供了一个额定输出功率30dbm和增益15db的功率放大器，其最大输入功率不超过20dbm。rx端口为直通路径。两者通过一个sp2t开关与单一天线端口相连接。发射模式：c_tx＝1，c_rx＝0；接收模式：c_tx＝0，c_rx＝1。通过控制vreg直流偏置控制引脚实现pa掉电，降低功耗。rf6504应用电路见图4。

adg901是一款具有50ω端接分流引脚的吸收式(匹配)开关，具有高隔离和低插入损耗特点并且频率达1ghz的宽带。其最大输入功率不超过16dbm。由cmos控制引脚ctrl控制路径导通和关断。adg901功能框图见图5。

(3)信号发生器

信号源采用集成vco+pll芯片si4112产生两路中频信号，一路用作发射激励信号，另一路用作接收本振信号。两路信号的频率差为10.7mhz，该频率为ad608的中频输出频率。si4112内部主要是一个可编程dds系统，系统输入时钟为19.2mhz，由n、r两个分频寄存器实现数控频率频率步长为25khz，见图6。利用si4112编程工具得到寄存器值后，由dsp通过spi接口完成si4112内部寄存器配置。当引脚和pdib使能，si4112即可产生一个频谱纯净的模拟正弦波输出。

si4112的应用电路见图7。si4112的pll可在vco中心频率±5％范围内调节if输出频率。中心频率取决于与vco相连的振荡回路总电感ltot。ltot为nh数量级，它等于外部电感lext(图7中为引脚19ifla、20iflb之间外接电感以及pcb引线电感)与封装电感lpak之和。虽然外部电感值有±10％的偏差，但si4112可通过自调节算法补偿电感的误差。vco有一个标称电容(cnom)与总电感并联，因此，中心频率为

cnom＝6.5pf，lpak＝2.1nh，fcen＝434mhz代入式(3-1)，计算出

if输出频率低于500mhz，可以直接驱动≥200ω电阻负载。

(4)发射信号处理模块

在发射模式下，dsp通过定时器和使能端控制si4112输出正弦脉冲信号。信号先通过数字衰减器(rfsa2644)衰减，用于实现信号的强度控制。再经过低噪声放大器(lna)和rf6504内部pa两级功率放大。第一级放大输出10dbm；第二级放大输出30dbm。

rfsa2644是一款6位数字步进衰减器，在整个31.5db增益控制范围内具有高线性度，步进精度为0.5db。rfsa2644的应用电路见图8。dsp通过spi时序配置rfsa2644内部6位增益寄存器来调节信号强度。pup接高电平，上电初始化衰减增益为0db。

lna用于rf弱信号放大，为了保证输出信号一定的信噪比以及抑制后级电路对系统噪声性能的影响，低噪声放大器要求低噪声和高增益。lna还应具备较高的线性度，降低带外干扰信号对接收机的影响。本系统采用高性能的低噪声rf前端放大器rf2373。工作带宽为0.4ghz～4ghz。当工作频率为880hhz，工作在高增益(21.5db)下，噪声系数(nf)为1.1db。rf2373的应用电路如图9所示。其中，rc反馈支路起到扩展带宽，提高增益稳定性的作用。

(5)接收信号处理模块

在接收模式下，天线接收到回波信号，先经过结构简单的无源声表滤波器(sjkt435)进行带通滤波，保留433mhz频段信号，过滤其他频段杂讯。

带通滤波后的微弱信号经过两级lna进行放大。lna作为无线接收前端的第一级主动电路，噪声和增益直接影响整体系统的灵敏度和噪声系数。因此，同样采用图9所示的lna应用电路。若对放大的主频为433mhz附近的回波信号直接采样，无疑增大了ad硬件电路设计难度和提高成本，所以进一步对回波信号做差频处理。将第二路信号源输出的本振信号与放大的回波信号接入到接收器if子系统(ad608)，进行混频，中频低通滤波与放大等处理，输出rssi(带宽2mhz)和硬件限幅的中频信号两路模拟量。最后，由dsp控制片内ad模块完成采样以及数据处理。

ad608是ad公司推出的一款3.3v接收机if子系统芯片，其功能框图见图10所示。它集成了低功耗、低失真、低噪声的混频器和完整的集成对数/限幅放大器，并带有硬件限幅输出和rssi功能。

图10中，混频器实现了本振信号(频率fc)与回波信号(频率fsaw)混频，可以分解成fsaw+fc和fsaw-fc两个分量，经过低通滤波和10.7mhz陶瓷滤波器(带宽180khz)即可获得10.7mhz中频信号。混频器在射频输入-95dbm～-15dbm范围内均可线性工作。混频器电流输出可驱动一个连接在反向端的10.7mhz的330ω陶瓷滤波器，该滤波器符合工业标准。

由于对数放大器是直流耦合的，它具有大于110db的增益，这样，在其输入端即使存在几μv的偏移也会使输出饱和。因此，ad608使用低频反馈回路来消除输入的偏移。该回路由一个限幅器驱动的电流源组成，该电流源可向fdbk端发送50μa的电流脉冲。这些脉冲经过由c1，r4，c5组成的π型网络进行低通滤波。经过平滑后的直流电压从中频放大器的输入端iflo减掉。由于该放大器是一个带反馈回路的高增益放大器，因此必须注意布局设计和元件值的选择，以防止发生振荡。

ad608工作在10.7mhz中频数字系统的应用电路如图11所示。ad608的硬件限幅输出为±200mv(400mvpp)。在频率为10.7mhz，对应-75dbm～+5dbm的输入范围，其相位稳定度在±3°。限幅输出信号由轨到轨运放ad8601运放构成的同向加法器进行放大和直流抬升，之后连接到ad输入通道。ad608还提供了一个高速rssi输出，输出电压范围为0.2～1.8v(20mv/db)，对应输入信号功率范围为-75dbm～+5dbm。rssi直接连接到ad输入通道。

软件设计要实现系统初始化，输出激励信号，激励信号处理，设置扫描频率区间，接收来自saw温度传感器的响应信息，谐振频率与温度之间的数据转换，与上位机串口通信等一系列功能。

为确保在发射信号穿过电缆接头绝缘和屏蔽层衰减后，saw温度传感器能够收集足够强的激励信号，处于最佳工作状态。首先由dsp控制vco+pll、发射增益和射频开关输出一定强度的激励信号。传感器功率在10dbm～20dbm之间信号最好，可利用上位机的功率扫描功能进行测试。

检测算法是通过发射频率不同、强度相同的信号，然后在扫频范围内搜索回波信号强度相对最高对应的频率位置。对于温度t0时中心频率为f0的传感器，当测量温度在[tmin，tmax]变化，需在[fmin，fmax]范围按步长δf进行扫频。其软件实现流程如图12所示。

扫频步长设置越小，扫频次数越多，扫频时间越长，功耗也越大。为提高扫频效率和降低功耗，本系统设置扫步长δf＝25khz，并采用下述扫频方法：第一次扫频时，对传感器频率[fmin，fmax]范围内进行全扫频，获得当前温度的传感器中心频率f0；以后扫频时，以f0为基准频率，按δf对频率[f0-5δf，f0+5δf]范围内进行局部扫频。

系统测试

声表面波传感器与温度读取器的测试平台。采用泰克示波器mso5024，采样率最高可达10gs/s。示波器电压探头tpp0500b带宽为500mhz，可以满足对433mhz信号的观测与分析。

(1)激励信号测试

频率合成器si4112输出信号频段为433mhz，观测发射信号的波形及其fft分析结果，设置fft的中心频率433mhz，扫描范围80mhz。放大窗口中波形和fft分析结果表明si4112产生的正弦信号频率纯净度良好，且接近设定值。

如图13所示，①号曲线为发射使能控制信号，高电平有效。②号曲线表示一组扫频激励脉冲序列，其中脉冲周期为13.5ms，脉宽为36μs。

(2)回波信号测试

如图14所示，接收使能信号、接收通道信号、rssi信号、逐渐衰减的回波信号及其rssi。信号强度衰减时间约45μs，与2.3.1节利用声表谐振器等效电路估算的时间接近。

(3)频率扫描方式与测温结果

被试的saw温度传感器在25℃时中心频率约为428.55mhz，温度在-25℃～120℃范围内变化时，对应的扫频区间为427.95mhz～429.525hz，根据回波强度解算中心频率f0。δf＝25khz，所以第一次全扫频次数为64次，见图15所示。f0确定后，切换到局部扫频模式，扫频次数为11次，见图16所示。

利用上位机软件工具从温度读取器中读回不同温度下的实测数据如图17所示。将数据导入excel表格中进行曲线绘制与趋势拟合，如图18所示，可见被试saw温度传感器的线性度良好，频率分辨率为10khz/℃。