斷路器觸頭溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伍珊珊，羅日成，張 正，黃輝虎

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

SF6高壓斷路器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵主設(shè)備之一，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行具有重大的影響，高壓斷路器發(fā)生故障將造成嚴(yán)重后果，其直接危害是被斷路器所保護(hù)的線(xiàn)路、設(shè)備受損，電量損失，間接危害是造成大面積的停電，影響正常的生產(chǎn)生活［1-2］.因此，對(duì)斷路器觸頭腔體溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

SF6斷路器觸頭腔體是一個(gè)密閉的空間，針對(duì)這一特殊環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)，要求植入的傳感器必需具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、體積小及功耗低等特性.目前，國(guó)內(nèi)外常用的非接觸式溫度傳感器主要有光纖傳感器［3］、SAW 聲表面波傳感器［4］.光纖傳感器主要是利用光的調(diào)制原理，可以在強(qiáng)電磁干擾、高溫高壓、原子輻射等惡劣環(huán)境下使用，具有高靈敏度及低損耗等優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用比較復(fù)雜，需要有光源、光的調(diào)制、檢測(cè)手段及光傳輸中必要的透鏡，它的多元性特征又使它易受其他非測(cè)量物理參數(shù)的影響；聲表面波傳感器因其具有無(wú)源無(wú)線(xiàn)、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、體積小及功耗低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合密閉空間和惡劣環(huán)境下的監(jiān)測(cè)［5-6］.因此，無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種非常理想的技術(shù).

無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波溫度傳感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物體內(nèi)溫度無(wú)線(xiàn)遙測(cè)、呼吸檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但對(duì)于高壓電力設(shè)備溫度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)仍在進(jìn)一步的研究中.筆者旨在探討SAW傳感器對(duì)于斷路器觸頭溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性.

1 SAW溫度傳感器的工作原理

1.1 SAW諧振器的工作原理

該系統(tǒng)采用的是基于單端口聲表面波技術(shù)的諧振器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 單端口SAW諧振器結(jié)構(gòu)示意Figure 1 SAW resonator sensor structure

單端口SAW諧振器由1個(gè)叉指換能器（IDT）和2個(gè)反射柵組成.IDT的作用是將激勵(lì)信號(hào)能量引入和將諧振腔中能量引出.反射柵在IDT左右兩邊對(duì)稱(chēng)分布，構(gòu)成一個(gè)聲學(xué)諧振腔.IDT在壓電基片表面激發(fā)的聲表面波在這2個(gè)反射柵之間來(lái)回反射，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與諧振腔尺寸相匹配時(shí)，在腔內(nèi)形成駐波并發(fā)生諧振.諧振器的諧振頻率（f0）是SAW傳感器的重要特征參數(shù)，能夠通過(guò)直接的函數(shù)關(guān)系反映溫度T0信息.

當(dāng)激勵(lì)頻率f等于其固有頻率f0時(shí)，由于傳感器的品質(zhì)因素Q值很高，該傳感器將發(fā)生諧振.其固有頻率為

式中VSAW為聲表面波在壓電材料中的傳播速度；L為反射柵間距.

當(dāng)壓電基片表面參數(shù)發(fā)生輕微改變，如應(yīng)力、溫度、表面介質(zhì)等變化時(shí)，聲表面波的傳播速度（VSAW）與反射柵之間的間距（L）也會(huì)因此發(fā)生改變，從而引起諧振器的諧振頻率變化.諧振頻率與被測(cè)信息又存在直接的函數(shù)關(guān)系，因此，可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物理化學(xué)參數(shù)的檢測(cè).其頻率溫度的特性方程為

式中T為任意溫度；T0為參考溫度；f0為參考溫度為T(mén)0時(shí)的諧振頻率；a0，b0，c0均為率溫度系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定該多項(xiàng)式的系數(shù).

1.2 SAW溫度傳感器的組成及工作原理

溫度傳感裝置包括3個(gè)模塊：SAW測(cè)溫、AC／DC及天線(xiàn)模塊，共同完成斷路器滅弧腔內(nèi)溫度信號(hào)的測(cè)量和信號(hào)的傳輸.其結(jié)構(gòu)如圖2所示，天線(xiàn)模塊由天線(xiàn)1和2兩部分組成，其中，能量耦合天線(xiàn)1為線(xiàn)繞電感線(xiàn)圈，負(fù)責(zé)外界輻射能量的接收.A／D模塊由全波整流電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成，全波整流電路將天線(xiàn)1耦合接收到的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，穩(wěn)壓電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電壓信號(hào)，為傳感器模塊提供激勵(lì).測(cè)溫模塊包括有源振蕩電路和SAW諧振器.

圖2 傳感器原理示意Figure 2 Sensor schematic

傳感器的工作過(guò)程可分為信號(hào)發(fā)射和信號(hào)接收2個(gè)周期.在信號(hào)發(fā)射周期，信號(hào)發(fā)生裝置發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)IDT端的天線(xiàn)輻射后接收，經(jīng)逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為同頻聲表面波，受被測(cè)量調(diào)制的聲表面波經(jīng)壓電基片壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為帶有被測(cè)信息的傳感信號(hào)，經(jīng)由叉指換能器端的天線(xiàn)輻射出去.在信號(hào)接收周期，由叉指換能器輻射出來(lái)的傳感信號(hào)被信號(hào)接收裝置接收，經(jīng)放大、變頻、濾波、再放大處理后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，對(duì)信號(hào)的處理采用軟件編程的實(shí)現(xiàn)方式，最終實(shí)現(xiàn)斷路器觸頭溫度參數(shù)的檢測(cè).

2 測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

傳感檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架主要包括：用于SF6滅弧腔內(nèi)溫度傳感的腔內(nèi)植入式裝置和用于信號(hào)接收及數(shù)據(jù)分析的腔外射頻接收裝置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 3 Measurement system diagram

啟動(dòng)RF信號(hào)發(fā)生模塊，產(chǎn)生某一指定頻率的正弦波信號(hào)，智能主控單元將該正弦波信號(hào)進(jìn)行功率放大，AC／DC整流與穩(wěn)壓處理，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)后，為SAW傳感模塊提供激勵(lì).SAW傳感模塊將腔內(nèi)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為某一對(duì)應(yīng)頻率的射頻信號(hào)，經(jīng)由微處理控制單元MCU處理后，由射頻信號(hào)發(fā)送器的天線(xiàn)ANT2端輻射出去.腔外系統(tǒng)中的RF信號(hào)接收模塊由天線(xiàn)ANT1將射頻信號(hào)接收，經(jīng)微處理機(jī)控制單元處理，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度信號(hào)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)將該溫度信號(hào)顯示.

2.2 信號(hào)發(fā)射電路設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)射電路設(shè)計(jì)，一個(gè)最重要的因素就是射頻芯片的選擇.對(duì)RF芯片的選擇要求：①頻率工作范圍廣；②數(shù)據(jù)分辨率和采樣率高；③頻率穩(wěn)定性高；④高頻率精度；⑤信號(hào)電平范圍廣.另外，SF6斷路器滅弧腔的高溫高壓、強(qiáng)電磁干擾以及密閉狹小的空間對(duì)RF芯片的發(fā)射功率、尺寸大小、功耗、抗干擾能力、性?xún)r(jià)比以及溫度等參數(shù)都有很高的要求.綜合考慮斷路器觸頭溫度測(cè)溫的實(shí)際情況，該設(shè)計(jì)選用了INFINEON的TDK5110F［7］.載波頻率選用433.92MHz，TDK5110F的標(biāo)稱(chēng)發(fā)射功率達(dá)10 dBm，ASK／FSK工作方式任意選擇.其電路如圖4所示.

圖4 TDK5110F外部應(yīng)用電路Figure 4 TDK5110Fexternal circuit

RF芯片選定之后，需要進(jìn)行PCB電路板的制作以及另外一些如電阻、電容、電感等元器件的選擇.同時(shí)，還要重點(diǎn)考慮RF發(fā)射電路本振振蕩和輸出端口阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試問(wèn)題［8］.由溫度引起的晶振頻差和晶振負(fù)載電容的不一致都會(huì)直接導(dǎo)致接收靈敏度下降，因此，選擇適當(dāng)?shù)木д衲軌蛱岣咝盘?hào)發(fā)射電路的靈敏度.本振電路通過(guò)調(diào)節(jié)參與晶振的2個(gè)電容，來(lái)達(dá)到晶振特性參數(shù)的平衡.該信號(hào)發(fā)射電路的工作頻率為0.009～2 700MHZ，頻率穩(wěn)定性為±20×10-9，頻率精度為±50×10-9，信號(hào)電平為-130～＋30dbm.

2.3 信號(hào)接收電路設(shè)計(jì)

信號(hào)接收機(jī)安裝在斷路器外，而溫度信號(hào)發(fā)射器安裝在斷路器滅弧腔內(nèi)，斷路器運(yùn)行過(guò)程中的高溫高壓、強(qiáng)電磁干擾等惡劣條件，要求接收機(jī)必須能夠高靈敏地響應(yīng)發(fā)送的射頻信號(hào).為提高接收靈敏度，在輸入端增加一個(gè)一級(jí)噪聲系數(shù)小于1dB的低噪聲放大器，后接一個(gè)SAW濾波器.MAX7042外部工作電路如圖5所示.

圖5 MAX7042外部工作電路Figure 5 MAX7042external circuit

信號(hào)接收電路的制作工藝與發(fā)射電路基本相同，電阻、電容和電感等元器件的選擇、阻抗匹配問(wèn)題以及晶振特性參數(shù)的選擇會(huì)直接影響靈敏度的問(wèn)題也同樣存在.PCB電路的制作要求：①晶體屏蔽和接地，短線(xiàn)連接，并遠(yuǎn)離天線(xiàn)的輸入端口；②輸入端口的匹配元件互成直角，并聯(lián)匹配元件彼此分離布局；③天線(xiàn)不鋪地或與其他信號(hào)線(xiàn)相交，電路板反面大面積多點(diǎn)接地；④去耦電容盡可能靠近電源和地線(xiàn).通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行Smith圓圖分析，調(diào)整輸入阻抗為50Ω，形成匹配網(wǎng)絡(luò).

2.4 小型天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

天線(xiàn)是自由空間與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)聯(lián)系的重要設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵部件之一.它直接影響到系統(tǒng)的通訊距離、可靠性和穩(wěn)定性.

天線(xiàn)設(shè)計(jì)中第1個(gè)重要的參數(shù)是天線(xiàn)的長(zhǎng)度，應(yīng)為所使用波長(zhǎng)的1／4.就該系統(tǒng)而言，系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信載波頻率為433.92MHz，波長(zhǎng)（m）［9］為

則天線(xiàn)的長(zhǎng)度l＝0.25λ＝0.25×0.69＝0.173m.

天線(xiàn)設(shè)計(jì)中的第2個(gè)重要參數(shù)是天線(xiàn)的阻抗.天線(xiàn)的阻抗由輻射電阻、線(xiàn)阻抗和等效串聯(lián)電阻組成，適當(dāng)?shù)碾娮枞≈的軌蜻_(dá)到阻抗匹配，形成匹配網(wǎng)

式中l(wèi)為導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度（cm）；ω為導(dǎo)線(xiàn)寬度（cm）；t為導(dǎo)線(xiàn)厚度（cm）.

2）相鄰導(dǎo)線(xiàn)間的電容（μF）.絡(luò)，從而提高天線(xiàn)的通訊距離和通訊的可靠性.1／4波長(zhǎng)天線(xiàn)的典型阻抗為36Ω.

為最大限度地達(dá)到阻抗匹配的目的，在小型天線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮導(dǎo)線(xiàn)間的電感、電容以及平行導(dǎo)線(xiàn)間的互感等參數(shù).具體計(jì)算公式：

1）導(dǎo)線(xiàn)電感（μH）.

式中l(wèi)為平行線(xiàn)長(zhǎng)度（cm）；s為相鄰導(dǎo)線(xiàn)間距（mm）；t為導(dǎo)線(xiàn)厚度（mm）；ω為導(dǎo)線(xiàn)寬度（mm）；εr為相對(duì)介電常數(shù).

3）平行導(dǎo)線(xiàn)間的互感（μH）.

式中l(wèi)為導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度（cm）；D為兩導(dǎo)線(xiàn)中心距離（cm）.

該系統(tǒng)用于斷路器SF6腔體溫度場(chǎng)的測(cè)量，屬于不易接觸物體的參數(shù)檢測(cè)，這必然決定了天線(xiàn)的極限尺寸，根據(jù)這一實(shí)際特點(diǎn)選用單端螺旋天線(xiàn)［10］，單端螺旋天線(xiàn)的幾何參數(shù)有螺旋直徑D、螺距S、圈數(shù)N、每圈長(zhǎng)度C、螺距角Δ及軸向長(zhǎng)度L.其中：c2＝S2＋（πD）2，Δ＝tan-1（S／πD），L＝NS.單端螺旋天線(xiàn)由鍍銀繞制而成，尺寸相對(duì)較小，適當(dāng)?shù)奶炀€(xiàn)直徑、螺距、圈數(shù)、螺旋角取值能夠提高天線(xiàn)的效率、增益并擴(kuò)大天線(xiàn)發(fā)射和接收信號(hào)的角度，從而有效地克服了靜、動(dòng)態(tài)盲點(diǎn).單端天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 螺旋天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Figure 6 Helix antenna structure

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

1）靜態(tài)測(cè)試.信號(hào)發(fā)射器與接收器之間無(wú)障礙測(cè)量，發(fā)射器每隔限定的時(shí)間發(fā)送一次信號(hào).接收器能夠穩(wěn)定地接收數(shù)據(jù).靜態(tài)測(cè)試表明測(cè)溫系統(tǒng)的有效測(cè)溫距離可達(dá)100m.

2）動(dòng)態(tài)測(cè)試.將信號(hào)傳感器安裝在溫度可調(diào)的微波爐內(nèi)，設(shè)置微波爐溫度使其線(xiàn)性升溫，接收器在微波爐四周任何位置都能穩(wěn)定地接收并準(zhǔn)確顯示溫度數(shù)據(jù).

3）將信號(hào)傳感器安裝在斷路器靜弧觸頭上，在高壓斷路器正常工作的情況下，測(cè)試人員手持信號(hào)接收器在斷路器周?chē)材芊€(wěn)定地接收溫度數(shù)據(jù).性能測(cè)試表明，該系統(tǒng)在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及實(shí)際應(yīng)用中均有很好的效果，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)發(fā)射接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠.

4 結(jié)語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種新型的單端口SAW諧振器無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感裝置，并針對(duì)該傳感系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳輸距離不夠遠(yuǎn)這一技術(shù)難點(diǎn)，就發(fā)射和接收部分的電路結(jié)構(gòu)及天線(xiàn)小型化進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，制定了從SAW測(cè)溫芯片到通信天線(xiàn)的進(jìn)一步改進(jìn)計(jì)劃.系統(tǒng)性能測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足對(duì)SF6斷路器觸頭溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

［1］Kezunovic M，Ren Z F，Sevcik D R.Automated monitoring and analysis of circuit breaker operation［J］.IEEE Transations on Power Delivery，2005，20（3）：1 910-1 918.

［2］Dennis S L，Lithgow B J，Morrison R E，et al.New fault diagnosis of circuit breaker［J］.IEEE Transations on Power Delivery，2003，18（2）：454-459.

［3］荊振國(guó)，于清旭.用于高溫油井測(cè)量的光纖溫度和壓力傳感器系統(tǒng)［J］.傳感器學(xué)報(bào)，2006，19（6）：2 450-2 452.

JING Zhen-guo，YU Qing-xu.Fiber-optic temperature and pressure sensor system for high temperature wells measured［J］.Journal of Sensor，2006，19（6）：2 450-2 452.

［4］School G，Korden C，Riha E，et al.SAW-based radio sensor systems for short-range applications［J］.IEEE Microwave Magazine，2003，4（4）：68-76.

［5］Matsuzaki R，Tokorokia A.Wireless monitoring of automobile tires for intelligent tires［J］.Sensors，2008，8（21）：8 123-8 138.

［6］Ballandras S S，Lardat R，Penavaire L，et al.P1I-5micro-machined，all quartz package，passive wireless SAW pressure and temperature sensor［C］.Proceedings of IEEE Ultrasonics Symposium，Vancouver，Canada，2006.

［7］王航宇.基于 MPXY8020A芯片的胎壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（7）：58-61.

WANG Hang-yu. Design of TPMS based on MPXY8020A［J］.Application of Electronic Technique，2009，35（7）；58-61.

［8］李相強(qiáng)，劉慶想，趙柳.短螺旋天線(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2009，25（1）：51-54.

LI Xiang-qiang，LIU Qing-xiang，ZHAO Liu.Amelioration of Low-profile Helix Antenna［J］.Journal of Microwaves，2009，25（1）：51-54.

［9］黃智偉.射頻集成電路芯片原理與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［10］Wang H H，Hsu C W，Liao W H，et al.Micro pressure sensor 50μm size fabricated by a standard CMOS foundry and a novel post process［J］.IEEE International Conference Micro Electro Mechanical Systems，2006，22（26）：578-581.