科技投资项目计划书

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（1）项目构架

本项目声表面波（SAW）无源无线开关柜环境在线监测系统主要由声表面波（SAW）无源无线测温传感头、信号测温终端与无线中继、后台监控系统三部分组成。前端的传感头无需供电，可以方便安装在高压带电体被测点上，准确的跟踪发热点的温度变化。测温传感头上的天线和与信号测温终端相连的接收天线之间无线通信，纯绝缘系统，安全性能好，且每个信号读写装置可对应多个探测点，即插即用，便于扩大规模和系统升级；信号测温终端将温度信号处理成数字信号通过光纤传输至后台监控系统，可实现长距离无中继传输；后台监控器采用时分复用或频分复用等方式同时控制1~100 个信号测温终端，而每个信号测温终端可同时对应多个声表面温度传感器，因此，整个系统可同时在线监测几百、上千个电体被测点的温度。以开关柜内的节点为例，测温系统见示意图1所示。

图1 声表面波（SAW）无源无线开关柜环境在线监测系统实现示意图1）声表面波（SAW）传感头

无源无线传感头具有纯无源、免维护、体积小，安装灵活，大小近似硬币，可以方便的安装在被测点上，准确地跟踪发热点的温度变化，并以无线方式将数据传到采

集器上，实现对被测点温度信息进行实时采集，实现非接触温度测量。传感头见图2。

图2 无源无线声表面波（SAW）传感器示意图

无缘无线传感器，又称声表面波（SAW）传感器，声表面波技术是20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。

基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出，整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的待性来完成的。

图3 声表面波（SAW）传感器工作原理示意图

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4所示。

图4 延迟线型声表面波温度传感器结构

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。

图5谐振器型声表面波温度传感器结构

第二种如图5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5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。

图6 声表面波（SAW）谐振频率随温度的变化关系

2）信号测温终端与无线中继

信号测温终端器用来收集传感头的温度信号，将其重新打包，通过有线或无线方式发送至后台监控系统，安装在测温现场。信号测温终端带有液晶显示屏，显示监测点的实时温度，方便用户在测温现场监测被测点的温度。一个信号测温终端可对应多个收发数据端口，每个数据收发端口连接一个收发天线用于与测温传感头通信。由于各个传感探头的谐振中心频率不同，每个收发天线可以同时和多个传感探头通信，即一个信号测温终端可对应多个温度传感器。

3）后台监控系统

后台监控系统将传感器采集的温度信息进行数字化分析处理。后台监控系统通过时分复用可同时监控多个信号测温终端，每个信号测温终端可与多个传感器通信，即一个后台监控系统可同时监控成百上千个传感探头处的温度，实现实时在线多点测温，并可以存储历史数据。系统根据历史数据和实时数据可及时判断被测点温度是否正常，并对可能发生故障的被测点进行预测和提前报警。

（2）声表面波（SAW）抗环境噪声和电磁干扰能力方案研究

由于声表面波（SAW）是利用本身频率随温度线性变化从而实现测温，因此环境因素的变化就会对传感器件频率特性的产生影响，这就要保证其须具有较强的抗环境噪声和电磁干扰能力。

本项目采用在基座上设置3个以上声表面波（SAW）器件，声表面波（SAW）器件采用不同的温度系数的压电基片，优选的是单调且近似线性温度系数，通过两个声

图7 设置多个声表面波器件的无线传感器

下面通过实例解释，如何实现抗环境噪声和电磁干扰：

上述所设置三个声表面波（SAW）器件的压电基片分别定义为第一压电基片、第二压电基片和第三压电基片，可以将第一压电基片设置为128°YX-LiNbO3，其线性温度系数约 -90ppm/℃，谐振频率为第一频率 f1；第二压电基片设置为JCL 石英，切角为（0°,42.1°,39°），线性温度系数约-22ppm/℃，谐振频率为第二频率f2；第三基片是LST石英，切角为（11.4°,39.4°,35°），线性温度系数约-33ppm/℃，谐振频率为第三频率 f3 。

|f1-f2|，|f1-f3|，|f2-f3| 依次正比于 -68ppm/℃ ,-57ppm/℃，11ppm/℃。因此在温度-频率差关系中，形成了 3个斜率不一样的单调特性直线。利用这一特性直线，去除了环境噪声对声表面波温度传感器的影响。

近似线性温度系数的材料有 YZ-LiNbO3，128° YX-LiNbO3 ；石英包括 LST、JCL、Y切及其相关X旋转、LGS等均存在线性温度系数在这一特性。

由于强电磁干扰通常随机发生在某一个频率点，当传感器包括的声表面波（SAW）器件3个及以上的时候，总有2个以上频率点未受到干扰，这样，当任意一个声表面波（SAW）器件的频率点被干扰的时候，仍然有2个声表面波（SAW）器件工作，仍然能够通过未受干扰声表面波（SAW）器件之间的频率差来确定测温点的温度，因此可以形成较强的抗电磁干扰能力。因此在声表面波温度传感器上设置3个上述的声表面波（SAW）器件，可使声表面波温度传感器既可以防环境噪声，还可以抗电磁干扰。

（2）开发了基于分布式天线架构的测温终端，利用不同频率信号多点位测温，

实现了区域范围温度集中测量；设计了双锁相环结构频率信号发生电路，提高了信号稳定性和温度检测精度。

声表面波（SAW）是传播于压电晶体表面的机械波，其声速仅为电磁波速的十万分之一，传播衰耗很小。通过叉指换乘器，将电信号装换为声信号，并局限在基片表面传播，将其利用在压力、温度等参数的测量上具有很高的准确性。温度的测量有了保证，温度信号的准确读写亦是保证温度检测的准确性的前提。

本项目针对目前声表面波（SAW）测温系统测温终端的不足，设计了可同时准确测量多个传感器的声表面波（SAW）测温系统测温终端。该测温终端由信号生成单元、放大单元、带通滤波器、射频开关、晶振、本机振荡器、带通滤波器、低噪声放大器、滤波器、中频放大器、模数转换模块、数字信号处理模块构成。其工作原理如下：

图8 可同时准确测量多个传感器的测温终端示意图

图9 声表面波（SAW）测温系统测温终端实现框图

该测温终端工作原理：

晶振产生最原始的参考频率，同时将频率送到信号生成单元与本机振荡器，经过信号生成单元处理的频率再经过放大单元和带通滤波器，通过射频开关发射探询信号；射频开关接收前端传感器传回的响应信号，将响应信号送到带通滤波器，再经过前置放大器放大，与之前本机振荡器送来的频率进行混频处理，将混频后的信号通过中频放大器，再将信号送到模数转换模块和数字信号处理模块进行处理，得到温度值。

首先，本振通过两个锁相环产生，稳定度高，作为发射探询信号和检测响应信号的基准，在整个电路中起着重要的作用。

其次，在发射模块，晶振产生最原始的参考信号，经过信号生成单元截取需要的脉冲宽度、上变频，再经放大、滤波后，得到脉冲，再经前置功率放大器，由天线发射出去，形成探询信号。

接着，在接收模块，射频开关打到等待接收状态，选择时间1.2-2us, 响应信号到达接收模块后，首先进过带通滤波器进行滤波处理，滤波处理后，信号通过射频放大器进行放大，它是低噪声放大器，经过射频滤波和放大后，信号与本振进行下变频，下变频后，信号进入中频滤波器进行中频滤波，再经中频放大器中频放大。放大后的信号经模数转换后再送至 DSP 进行计算，通过如下公式计算出温度值t。

其中t0为基准温度值，fr为接收到的有频偏的响应频率值，fs为发送出的探寻信号的频率，Sk为声表面波（SAW）传感器频偏温度特性。

射频开关选择时间 1.2-2us，高电平选择发送、低电平选择接收信号，保持线性度，并提供发送与接收链之间的隔离，同时尽可能实现最小的插损。在混频前，通过锁相环结构，得到稳定与理想的混频频率，进入锁相环的是一个稳定且与发射端相同的参考源，再经过分频器与压控振荡器，得到期望稳定的混频频率与收到的信号混频。

本项目测温终端采用多天线多传感器模式，每个天线端子外接多个传感器，每个传感器谐振频率均不同，保证了能够同时测量多个点位的温度。采用间歇的矩形矩形脉冲做信号激励，保持线性度，并提供发送与接收链之间的隔离，同时尽可能实现最小的插损。采用双锁相环结构，保证了信号的稳定性，同时保持收发模块的频率紧密型，为分离出变化的频率成分提供稳定的保障。采用多天线通道，通过射频开关选择