一种基于多通道声表面波的多物理量传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于多通道声表面波的多物理量传感器，其包括：天线、信号端、接地端和传感器芯片，天线分别与设于传感器芯片上的所述信号端和接地端相连，传感器芯片包括:压电基底、信号传输通道、声表面波温度传感单元、声表面波气体传感单元和声表面波水汽传感单元；信号传输通道将并行设于压电基底上的所述声表面波温度传感单元、声表面波气体传感单元和声表面波水汽传感单元彼此相互连接。本发明采用无线方式传输多种传感物理量，有利于实现传感器组网，进一步推动电力设备监测的网络化。
【专利说明】
一种基于多通道声表面波的多物理量传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种电力装备的在线监测系统，具体讲涉及一种基于多通道声表面波的多物理量传感器。
【背景技术】
[0002]随着全球能源互联网的发展，电网规模越来越大，需要实时监测和智能感知电力装备状态，准确及时地传递设备状态信息，判断设备运行状况、对维护电网安全提供坚强保证。
[0003]对变压器、断路器和GIS等一次设备状态监测涉及的传感器种类和布置点多，可靠性参差不齐，多物理量融合型传感器的发展相对滞后，高可靠小型化传感器势在必行。
[0004]用多物理量传感器实时监测电力装备运行状态，可对故障预测、定期检修、事故定位等提供可靠、及时的数据支撑，从而进一步提高电网的安全运行水平。电网中所需的非电量传感物理量包括温度、湿度、压力和气体等，由于绝缘距离和安装空间的限制，在小型化和多物理量融合传感等方面对传感器提出了很高的要求。
[0005]需要感知的电力装备的物理量包括温度、局放、声音、湿度、压力、振动、气体、电场和磁场等，现有的传感器一般感知单一物理量，远不能满足要求。智能电网的建设和发展，提出了对变压器、换流阀和断路器等重要设备的全景式监控，以确保设备状态的可知可控。直流换流阀的本体温度、局放和振动，GIS开关设备的温度、微水、压力和气体，变压器油温和局放等关键设备的在线监测应用中，受到绝缘距离和安装空间的限制，要求提供小型化和多物理量融合感知的传感器。
[0006]本发明人经长期大量观察、深入研究、科学总结发现声表面波传感器是一种新型传感器，具有无源无线、体积小、质量轻、易于安装等特点。与现有的传感方式比，该技术具有:传感器无源、无线，易安装，易维护，抗干扰能力强；系统软、硬件设计合理规划，可以获得较高的测量精度;后端处理可扩展性强，有利于实现多种人机交互方式等优势。将声表面波传感器用于电网设备状态的监测，由于它具有无线遥测、无需供电、抗干扰能力强、精度高、成本低、用途广等优点，在电力装备的在线监测应用中展现出巨大的潜力。
[0007]此外，本发明提供的声表面波传感器，在复杂电磁环境中工作时呈现优势展现出了符合现代传感的高精度化、信号系统数字化、微机控制化的发展方向。
【发明内容】
[0008]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多通道声表面波的多物理量传感器，其包括:天线、信号端、接地端和传感器芯片，天线分别与设于传感器芯片上的信号端和接地端相连，传感器芯片包括:压电基底、信号传输通道、声表面波温度传感单元、声表面波气体传感单元和声表面波水汽传感单元;信号传输通道将并行设于压电基底上的声表面波温度传感单元、声表面波气体传感单元和声表面波水汽传感单元彼此相互连接。
[0009]信号传输通道包括:温度传感通道、气体传感通道和水汽传感通道;与接地端相连的温度传感通道和水汽传感通道设于压电基底的两端;与信号端相连的气体传感通道设于压电基底的中间。
[0010]设于温度传感通道上的声表面波温度传感单元包括:气体屏蔽腔、叉指换能器和反射栅组;气体屏蔽腔内置叉指换能器和反射栅组;两组反射栅组间设有温度敏感区;叉指换能器设于靠近接地端的反射栅组外侧。
[0011 ]气体传感通道设置的声表面波气体传感单元包括:叉指换能器和反射栅组;两组反射栅组间设有气体吸收膜;叉指换能器设于靠近信号端的反射栅组外侧。
[0012]水汽传感通道设置的声表面波水汽传感单元包括:叉指换能器和反射栅组;反射栅组间设有水汽吸收膜;信号端反射栅组的外侧设置叉指换能器。压电基底材料为YZ切或128° YX切型的铌酸锂晶体，或ST切或YX切石英晶体。
[0013]气体屏蔽腔为聚二甲基硅氧烷PDMS材制；水汽吸收膜聚(N-异丙基丙烯酰胺)PNIPAM材料制；由需吸收的气体种类定制气体吸收膜的材料。
[0014]叉指换能器和反射栅尺寸为金属铝条或金条制得;接地线和信号线为铜箔。声表面波气体传感单元和声表面波水汽传感单元用声表面波温度传感单元的测量数据校正温度对传播速度的影响。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0016]1.本发明采用声表面波技术原理以实现多物理量的传感，具有体积小、重量轻、成本低的特点，适合工业化批量生产。
[0017]2.本发明采用射频信号无线传输、传感芯片无源工作的模式，适用于电力设备监测中的绝缘距离和供能不便应用需求。
[0018]3.本发明为单一传感器，具备温度、气体、湿度的多物理量传感功能，可有效减少电力设备监测中所需的传感器数目，实现集成化传感。
[0019]4.本发明的传感器芯片由天线接收的射频信号功能，并利用该信号完成多种物理量的传感，具有高可靠性，同时具有较长的使用寿命，并降低了维护的压力。
[0020]5.本发明采用无线方式传输多种传感物理量，有利于实现传感器组网，进一步推动电力设备监测的网络化。
【附图说明】
[0021]图1是本发明的传感器结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0023]本发明面向电力设备的在线监测，基于声表面波传感原理，在压电基底上制作了三个传感通道，三个传感通道共用同样的信号端和接地端，三个通道并行完成温度、湿度、气体等多种物理量的融合传感。
[0024]系统主要包括读写器、发射天线、传感器接收天线和传感器芯片结构等。其中，读写器具有射频信号的发射和传感器回波信号的高精度解调能力，读写器和传感器之间的信息通讯通过两个窄带天线实现，读写器需具备发射信号在一定频率范围内灵活可调的能力，如433MHz ± IMHz。发射功率根据实际需要自动或手动调节，其最大值在20dBm左右，对传感器回波小信号具有高速高精度处理能力，能够迅速解调回波信号的频率。
[0025]传感器芯片部分主要由一些制作在压电基底表面的微结构组成，压电基底可选用的典型材料包括多种切型的LiNb03和石英晶体等，微结构中包含了三个信号传输通道，三个通道以图1中的方式并联在信号端和接地端中间，从上到下的三个通道依次为温度传感通道、气体传感通道和水汽传感通道。Cl?C3为对应通道中的叉指换能器，可将射频信号转换为沿压电基底表面传播的声表面波信号。Fl?F6为六组反射栅，声表面波遇到反射栅之后将折回传播，每两组布置在同一个通道中，通过分析接收到反射栅回波信号的时间差，实现各通道物理量的测量。
[0026]图1中的S1、G1、G2、Y1、Y2为电路通路，电信号可以沿这些通路传播。因此，由SI进入的信号，既是叉指换能器Cl的信号，也是叉指换能器C2的信号，还是叉指换能器C3的信号。同样的，接地信号通过Gl和G2两条接地通路实现三个通路的共地。温度传感通道、气体传感通道和水汽传感通道三个通道分别连接至传感器收发天线的信号端和接地端，每个通道中均含有一组叉指换能器和两组反射栅，其中叉指换能器可将从天线接收到的射频信号转换成沿压电基底表面传播的声表面波，反射栅则可将沿正向传播的声表面波反射回去，反射信号经过叉指换能器的正向压电效应转换为电信号，再通过射频天线发射给远端的读写器，解调出对应的传感物理量信息。
[0027]下面对各物理量传感通道的工作方式进行具体阐述:
[0028]声表面波温度传感结构如图1中Yl?Y2之间部分所示，其主要原理为:当温度发生变化时，声表面波在压电基底表面的传播速度将发生变化，且当选择合适的压电基底时，波传播速度和温度的变化具有线性关系。接收天线获取读写器发射的射频信号之后，由左上方的叉指换能器Cl将射频信号转换为声表面波信号，该信号沿压电基底表面传播。温度敏感区域由有机物壳体屏蔽起来，以减小水汽和其他气体引起的串扰，增强该部分温度传感的灵敏度和准确性。当声表面波信号从叉指换能器发出后，在tl时刻传播至Fl反射栅，在t2时刻传播至F2反射栅接，并分别返回给叉指换能器Cl。通过高精度的信号解调装置，可以得到tl和t2之间的时间差，由于叉指换能器和反射栅间的距离固定，可解算出该温度下声表面波在压电基底中的传播速度，继而得到被测温度值。
[0029]声表面波气体传感结构如图1中Y2右下侧所示，将对特定气体敏感的气体吸收膜制作在压电基底的反射栅F3和反射栅F4区域表面，当待测量空间出现相应气体时，气体吸收膜吸收相应气体而变重，由于质量效应，导致声表面波的传播速度减慢，在F3和F4之间传播时间变长，通过高精度的信号解调装置，获取t3和t4之间的时间差异，由于该部分叉指换能器C2和反射栅F3、F4之间的距离固定，可解算出该气体含量下声表面波在压电基底中的传播速度，继而得到气体含量值。值得一提的是，由于不同膜对不同气体吸收的特异性，通过选择不同的膜组分，使用上述结构可以实现不同气体含量的检测，如一般采用ZnO薄膜来实现SF6气体的检测。气体吸收膜的选择依据是该膜主要吸收特定组分气体，即对气体的吸收具有特异性。同时，由于气体含量和声表面波传播速度之间往往难以保持线性关系，一般需要在解调电路后端继续进行非线性校正，以利于用户直观得到气体含量的检测。由于温度也会影响声表面波沿压电基底的传播速度，因此在进行气体含量传感解调过程中，需要利用上述第一个温度传感结构中的温度测量结果，校正掉温度带来的传播速度影响后，才能准确得到由于气体吸收导致的声表面波传播速度变化。
[0030]如图1中SI和G2之间所示的声表面波水汽传感结构，将对水汽敏感的水汽吸收膜制作在压电基底的部分区域表面，如反射栅F5和反射栅F6之间的区域所示，当待测环境中含有水汽时，水汽吸收膜吸收水汽而变重，由于质量效应，导致声表面波的传播速度减慢，在F5和F6之间传播时间变长，通过高精度的信号解调装置，获取t5和t6之间的时间差异，由于该部分叉指换能器和反射栅之间的距离固定，可解算出该水汽条件下声表面波在压电基底中的传播速度，继而得到水汽含量值。同时，由于水汽含量和声表面波传播速度之间往往难以保持线性关系，一般需要在解调电路后端继续进行非线性校正，以利于用户直观得到水汽含量的检测。由于温度也会影响声表面波沿压电基底的传播速度，因此在进行水汽含量传感解调过程中，需要利用上述第一个温度传感结构中的温度测量结果，校正掉温度带来的传播速度影响后，才能准确得到由于水汽吸收导致的声表面波传播速度变化。
[0031]传感器的压电基底是声表面波传输的载体，不同切向的晶体所具有的传播速度和各向异性特性不同，因此需要仔细选择，一般选择特定切型的铌酸锂(YZ切、128° YX切)晶体或石英(ST切、YX切)晶体;为降低水汽和多种气体对于温度传感精度的影响，一般在温度传感通道中制作一个具有气体屏蔽功能的腔体，其典型材料为TOMS(聚二甲基硅氧烷)；水汽吸收膜材料需具备水汽吸收功能，同时对其他气体具有低敏感性，典型材料有PNIPAM(聚(N-异丙基丙烯酰胺))；气体吸收膜根据所需敏感的气体种类定制，典型如SF6气体传感，一般选择ZnO薄膜作为吸收材料;三组叉指换能器和反射栅尺寸需要的材料一般为金属铝条或金条，单条尺寸宽度在2μπι左右，指条数目分别为10条左右;接地线和信号线在压电基底上的延长线一般为铜箔。读写器应具备较高的射频信号发射和高时间精度的信号解调能力。
[0032]由于三个传感通道的信号输入和输出均由同一根射频天线完成，为了减少各通道信号之间的串扰，降低后端信号解调的难度，需要对各通道中叉指换能器和反射栅间距离进行详细设计，使得三路信号的回波时间具有相对明显的时间差异，即增加I t2-tl 1、114-t3 I和I t6_t5 I之间的差异值。
[0033]具体方案设计中，还需要综合考虑温度传感范围所引起的声表面波传播速度变化;气体吸收膜和水汽吸收膜由于吸收对应物质引起质量效应引起的声表面波传播速度变化。
[0034]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于多通道声表面波的多物理量传感器，所述多物理量传感器包括:天线、信号端、接地端和传感器芯片，所述天线分别与设于所述传感器芯片上的所述信号端和所述接地端相连，其特征在于， 所述传感器芯片包括:压电基底、信号传输通道、声表面波温度传感单元、声表面波气体传感单元和声表面波水汽传感单元； 所述信号传输通道将并行设于所述压电基底上的所述声表面波温度传感单元、所述声表面波气体传感单元和所述声表面波水汽传感单元彼此相互连接。2.根据权利要求1所述的多物理量传感器，其特征在于，所述信号传输通道包括:温度传感通道、气体传感通道和水汽传感通道； 与所述接地端相连的所述温度传感通道和所述水汽传感通道设于所述压电基底的两端； 与所述信号端相连的所述气体传感通道设于所述压电基底的中间。3.根据权利要求2所述的多物理量传感器，其特征在于，设于所述温度传感通道上的声表面波温度传感单元包括:气体屏蔽腔、叉指换能器和反射栅组； 所述气体屏蔽腔内置所述叉指换能器和所述反射栅组； 两组所述反射栅组间设有温度敏感区； 所述叉指换能器设于靠近所述接地端的反射栅组外侧。4.根据权利要求2所述的多物理量传感器，其特征在于，所述气体传感通道设置的所述声表面波气体传感单元包括:叉指换能器和反射栅组； 两组所述反射栅组间设有气体吸收膜； 所述叉指换能器设于靠近所述信号端的反射栅组外侧。5.根据权利要求2所述的多物理量传感器，其特征在于，所述水汽传感通道设置的所述声表面波水汽传感单元包括:叉指换能器和反射栅组； 所述反射栅组间设有水汽吸收膜； 所述信号端反射栅组的外侧设置所述叉指换能器。6.根据权利要求1所述的多物理量传感器，其特征在于，所述压电基底材料为YZ切或128° YX切型的铌酸锂晶体，或ST切或YX切石英晶体。7.根据权利要求3、4或5所述的多物理量传感器，其特征在于， 所述气体屏蔽腔为聚二甲基硅氧烷PDMS材制;所述水汽吸收膜聚(N-异丙基丙烯酰胺)PNIPAM材料制；由需吸收的气体种类定制所述气体吸收膜的材料。8.根据权利要求7所述的多物理量传感器，其特征在于， 所述叉指换能器和所述反射栅尺寸为金属铝条或金条制得； 所述接地线和所述信号线为铜箔。9.根据权利要求1所述的多物理量传感器，其特征在于， 所述声表面波气体传感单元和所述声表面波水汽传感单元用声表面波温度传感单元的测量数据校正温度对传播速度的影响。
【文档编号】G01D21/02GK105890661SQ201610305934
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】郑天祥, 李璐, 陈硕, 刘占元, 侯继彪, 牛晓晨, 孙海江, 叶志齐, 李春城, 尉志勇
【申请人】全球能源互联网研究院, 国网江苏省电力公司, 国家电网公司