高压电力电缆接头声表面波无源测温阅读器

本发明属于电力电缆技术领域。

背景技术：

声表面波(surfaceacousticwave，saw)技术在无线通信领域已是成熟技术，利用体积小巧，结构简单的声表器件(声表滤波器和声表谐振器)实现无线信号滤波，或作为振荡源。声表面波技术的另一重要应用是传感器领域。利用声表面波传播速度慢，且易受外界环境参数影响的特点，在saw器件表面施加物理(如温度、湿度、压力等)或者化学(如气体吸附等)参量扰动即会引起声波速度发生变化，从而引起无线单元接受的反射信号的频率或者相位发生相应改变，实现对待测参量的无线检测。目前，saw传感器应用包括医疗领域的生物传感器，工业商业的温湿度、质量和气体传感器等。

声表面波是一种种沿压电晶体表面传播的弹性波，传播速度非常慢比电磁波小个数量级，能量集中在介质表面。声表面波传播速度慢，且易受外界环境参数影响，因此可以用于实现物理量传感。

现有应用在医疗领域的生物传感器，工业商业的温湿度、质量和气体传感器等的saw传感器大体上是延迟线型(图10)，延迟线型的反射栅间距是不等的，而谐振型是固定的。这使得延迟线型易于实现大量传感器编码，缺点是插入损耗大，传输距离短；谐振型具有品质因数高，插损小，频率稳定性好等优点，但难以实现编码，故适合于单传感器测量。

延迟线型saw传感器的结构如图10所示，由单idt和间距不等的反射栅组成。反射栅间距不同，所以反射效率远小于谐振型反射栅阵；其激励信号为单个矩形脉冲，不是谐振型saw器件的间歇正弦脉冲信号，因此，回波信号效率比谐振型saw器件小很多，通信距离只有几十厘米，也限制了它的应用领域。

技术实现要素：

本发明的目的是根据电力系统电缆的特性，设计一种新型的saw传感器，从而能够更有利于传感的高压电力电缆接头声表面波无源测温阅读器。

本发明在压电基片中部是叉指换能器，叉指换能器两端均连接天线，在叉指换能器两侧有等间距布置的反射栅，在反射栅外侧的压电基片上有吸声材料；

无线读取器发射一定频率的激励信号，经天线传送至saw器件的叉指换能器，叉指换能器通过逆压电效应将接收到的电信号转换成沿基片表面传播的saw，saw在两个反射栅来回反射、叠加、形成驻波，返回到idt上的信号是以谐振频率为主频衰减振荡的响应信号，测量出该信号主频就可以估算被测量；

saw的谐振频率为

式中，vsaw为saw波速，d为反射栅片之间的间距；

当基片表面的温度发生变化时，引起声表面波传播速度和反射栅的间距的改变，从而引起谐振器的谐振频率变化；

将saw谐振器的谐振频率与温度的关系用多项式近似为

f＝f0[1+a0(t-t0)+b0(t-t0)²+c0(t-t0)³](2-2)

式中，t为待测温度；c为参考温度；f0为t0时谐振频率；a0、b0、c0为t0下的一阶、二阶、三阶项待定系数；式(2-2)中各系数可通过实验法确定；

将saw传感器置于温度可调的恒温箱中，测量不同温度下的谐振频率，然后利用excel多项式曲线拟合，绘制趋势曲线和得到多项式表达式。

本发明saw传感器具有品质因数高，插损小，频率稳定性好、抗干扰能力强，测量精度高等优点，更有利于实现传感。

附图说明

图1是谐振型saw传感器结构图；

图2是声表谐振器的温度特性曲线图；

图3是saw温度传感器“谐振频率-温度”测试曲线图；

图4是正弦脉冲信号波形图；

图5是间歇正弦脉冲信号的幅频特性图；

图6是saw谐振器等效电路模型图；

图7是响应信号强度与激励信号频率对应关系图；

图8是蝶形运算单元图；

图9是8点dif-fft算法运算流图；

图10是现有其它领域所使用的saw器件基本结构图。

具体实施方式

相比延迟线型saw传感器，谐振型saw传感器具有品质因数高，插损小，频率稳定性好、抗干扰能力强，测量精度高等优点，更有利于实现传感。如图1所示的无源单端口谐振型saw传感器，叉指换能器上连接天线，两边是等间距布置的反射栅。

本发明无源单端口谐振型saw传感器的详细结构是：在压电基片1中部是叉指换能器5，叉指换能器5两端均连接天线2，在叉指换能器5两侧有等间距布置的反射栅4，在反射栅4外侧的压电基片1上有吸声材料3。

无线读取器发射一定频率的激励信号，经天线传送至saw器件的叉指换能器。叉指换能器通过逆压电效应将接收到的电信号转换成沿基片表面传播的saw。saw在两个反射栅来回反射、叠加、形成驻波。返回到idt上的信号是以谐振频率为主频衰减振荡的响应信号，测量出该信号主频就可以估算被测量。

saw的谐振频率为俥

式中，vsaw为saw波速，d为反射栅片之间的间距。

当基片表面的温度发生变化时，引起声表面波传播速度和反射栅的间距的改变，从而引起谐振器的谐振频率变化。图2为声表谐振器温度特性曲线。由图2可知，频率偏差随温度变化的范围为±200ppm。若f0＝433mhz，则δf＝±86.6khz，可简单估算出

将saw谐振器的谐振频率与温度的关系用多项式近似为

f＝f0[1+a0(t-t0)+b0(t-t0)²+c0(t-t0)³](2-2)

式中，t为待测温度；c为参考温度；f0为t0时谐振频率；a0、b0、c0为t0下的一阶、二阶、三阶项待定系数；式(2-2)中各系数可通过实验法确定。

式(2-2)中各系数可通过实验法确定。将saw传感器置于温度可调的恒温箱中，测量不同温度下的谐振频率，然后利用excel多项式曲线拟合，绘制趋势曲线和得到多项式表达式。本系统使用的传感器择取石英衬底的压电基片敷上压电薄膜，使频率温度系数中的高阶系数b0、c0和一阶系数a0进行对比能够忽略不计。图3为saw温度传感器的实测曲线，具有良好的线性度。

声表面波温度传感器信号检测

1、激励信号

单端口saw谐振器的常用激励信号有矩形脉冲信号、间歇正弦脉冲信号。矩形脉冲信号频谱的均匀分布范围为[0，∞]，由于谐振型saw器件的品质因数高，频率选择性非常强，则仅有很少一部分频率成分能够被反射，即反射效率相对很小。若选取频率接近谐振频率的正弦信号作为激励信号，则回波信号的强度将显著增强。

检测系统采用图4所示的间歇正弦脉冲信号作为激励信号，其数学表达式为

式中，0＜t＜t1为激励周期，t1＜t＜t2为非激励周期；为正弦信号角频率，ts为正弦信号周期；为周期脉冲函数。

对周期信号u(t)取傅里叶变换为

式中，

从而得到正弦脉冲信号的频谱表达式如(2-4)所示，对应的频谱图见图5。

在激励周期，因为输入的正弦信号连续，经单端口saw谐振器输出的信号为输入信号和经两侧反射栅多次反射后的信号的叠加。当发生谐振时，输出信号为与输入信号频率相同，幅度极大的正弦波。

在非激励周期，输入信号为0，输出信号仅是经反射栅不断反射后的响应。此时的激励信号为一个幅值逐渐衰减直至为零的振荡信号，其振荡中心频率为saw谐振器的固有频率，其品质因数q决定了振荡的时间长短。可由图6所示的saw谐振器等效电路，当rm＝20ω，lm＝86.6μh，估算振荡时间约为由图5可以直观看出，正弦脉冲激励信号的幅度a和占空比t1决定了回波振荡信号的幅度；而且信号主瓣带宽为故通过调节占空比，就可以改变搜索带宽。

2、回波信号检测

saw温度传感器的信号检测方法主要有频域扫描方式和时域采样方式两种。

(1)频域扫描法

将saw温度传感器的频域测量范围[fmin，fmax]分成n个频点，然后由激励源依次发射强度相同、频率为fk的间歇正弦脉冲激励信号，计算在[fmin，fmax]频率范围内的响应信号强度pk。同一频点反复测量多次，取干扰最小可信度最高的一次数据。最后，排序比较序列{pk}，找出最大值pmax，其所对应的频点即谐振频率点。响应信号功率与激励信号频率的关系如图7所示。

(2)时域采样法由于回波信号频率很高，时域采样方式需要先通过差频电路，降低信号频率，然后进行a/d采样和fft变换。将回波信号读入，与频率为fc(如432mhz)的本振信号(参考信号)进行差频，得到一个幅值随时间呈指数衰减、频率与被测对象温度对应的中频信号(if信号)。这一中频信号的频率值(fif＝fsaw-fc)在几mhz量级，便可利用dsp芯片tms320f28335的片内集成a/d模块(转换时间80ns)进行采样。对读取的时域信号进行fft变换，得到频域信息，然后计算出频率fif。通过频率和温度的特性关系，计算得到温度值。

fft变换是一种高效的离散傅里叶算法。dft的运算为

式中，

对于x(k)的各个k值，直接按式(2-5)计算需要n次复数乘法和n-1次复数加法；n点dft需要n×n复乘次数。fft变换的思想是不断地将长序列的dft分解成几个短序列的dft，并利用旋转因子的对称性和周期性来减小运算量。

基2fft算法分为时域抽取算法(dit)和频域抽取(dif)算法两类。通常时域抽取法用于数字滤波，频域抽法取用于频谱分析。两种算法具有相同的运算量，但是dif的数据输入不需要进行倒位序排列，更符合一般顺序操作的习惯。下面为基2频率抽取fft算法。

设序列x(n)的长度n＝2^m，将x(n)按前后对半分为两组x1(n)和x2(n)，用两个n/2点dft完成一个n点dft计算。

由于所以将x(k)分解成奇数组和偶数组，分别如下，

式中，

x1(n)、x2(n)和x(n)序列可用蝶形符号表示(见图8)。

基2频域抽取算法可以将点的dft进一步分解成个点，个点，经过m-1次蝶形分解，最终分解成两点的dft，所以称之为基2fft。图9为n＝8的dif-fft算法的蝶形运算流图。