一種用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型saw溫度傳感裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置，包括聲表面波傳感單元與遠程傳輸單元，其中，聲表面波傳感單元為雙端口結(jié)構(gòu)，包括輸入輸出換能器及兩個構(gòu)成聲學(xué)諧振腔的反射柵極，遠程傳輸單元包括定向增益天線、全向旋轉(zhuǎn)天線與信號采集器，定向增益天線為螺旋臂偶極子天線，通過同軸電纜與信號采集器相連，能起到發(fā)射查詢脈沖和接收攜帶溫度信號的反饋脈沖的作用，從而降低了工程上調(diào)整天線之間方向性對準(zhǔn)的難度。本實用新型可以有效克服現(xiàn)有SAW溫度傳感裝置定向性不強、傳輸距離短的特點，并能廣泛應(yīng)用于各式不便于人工溫度采集的高壓電力設(shè)備上，能有效提高電網(wǎng)運行的可靠性與安全性，為真正實現(xiàn)無人值守提供了有效保障。
【專利說明】一種用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及溫度傳感裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于高壓設(shè)備的遠傳諧振 型SAW溫度傳感裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著技術(shù)的進步，高壓電力系統(tǒng)引進了各種先進的溫度測試設(shè)備，包括測 溫蠟片、光纖測溫、紅外測溫和有源無線測溫等方式，然而，這四種方案存在各種隱患和缺 點，雖然基于SAW的無源無線溫度方案早在上世紀(jì)80年代就被提及，但由于其測溫距離較 短，故一直未能在實際工程中獲得應(yīng)用。
[0003] 申請?zhí)枮?01120379839. 2的實用新型涉及傳感器測試技術(shù)，具體為一種諧振型 SAW溫度傳感器自動測試系統(tǒng)，其不同在于：所述系統(tǒng)包括計算機、網(wǎng)絡(luò)分析儀、SAW傳感器 溫度測試平臺，SAW傳感器溫度測試平臺包括測試夾具、測試電路及外接端口、匹配電路、風(fēng) 槍；測試電路包括無線讀寫裝置、MCU測控模塊，無線讀寫裝置設(shè)置有第一天線，測試夾具 由測試芯片臺及自動壓片機構(gòu)構(gòu)成；測試芯片臺上配置有SAW天線接口，SAW天線接口上安 裝有與第一天線以無線方式進行通信的第二天線；SAW傳感器溫度測試平臺的外接端口分 別通過信號線與網(wǎng)絡(luò)分析儀、計算機分別連接，網(wǎng)絡(luò)分析儀與計算機互連。該實用新型具備 測試室溫下測量SAW溫度傳感器芯片固有參數(shù)和變化溫度下SAW溫度傳感器芯片動態(tài)參數(shù) 的功能。
[0004] 與此同時，大量在線監(jiān)測的傳感裝置被分散應(yīng)用，其供電技術(shù)存在很大的局限性， 若采用電池供電，則電池本身在高電壓和強電磁環(huán)境中存在安全隱患；在有限的電池電量 供應(yīng)前提下，數(shù)據(jù)實時性較差；定期更換的維護成本巨大；若采用CT感應(yīng)取電，則感應(yīng)取 電裝置體積較大，在狹小的空間內(nèi)安裝困難；安裝過程繁瑣，時間周期長；母線電流的實時 變化造成供電系統(tǒng)出現(xiàn)沖擊而損壞，同時變電站復(fù)雜的電磁干擾也會直接導(dǎo)致電路工作異 常，測溫裝置易損耗，安全性、可靠性較低。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題就是提供一種用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW 溫度傳感裝置，解決傳統(tǒng)溫度傳感器穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性差的缺點，且供電安全性、可靠性高。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案：一種用于高壓設(shè)備的遠傳 諧振型SAW溫度傳感裝置，包括供源裝置以及分別與其連接的傳感單元、遠程傳輸單元；所 述供源裝置由感應(yīng)取能裝置、整流穩(wěn)壓單元和蓄電池組成；所述傳感單元為單端口結(jié)構(gòu)，包 括輸入輸出換能器及兩個構(gòu)成聲學(xué)諧振腔的反射柵極；所述遠程傳輸單元包括定向增益天 線、全向旋轉(zhuǎn)天線與信號采集器。
[0007] 所述感應(yīng)取能裝置為電場能集能裝置，包括平板電容器，所述平板電容器置于交 變電場中。
[0008] 所述整流穩(wěn)壓單元集成一個整流器和一個降壓型轉(zhuǎn)換器。
[0009] 所述定向增益天線為螺旋臂偶極子天線，通過同軸電纜與所述信號采集器相連
[0010] 所述信號采集器連接數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)處理單元包括DSP芯片。
[0011] 本實用新型采用上述技術(shù)方案，首先，傳感器基于聲表面波技術(shù)，其主要組成部件 為輸入輸出換能器及兩個構(gòu)成聲學(xué)諧振腔的反射柵極，無需使用任何電子元器件，避免了 因電子元器件質(zhì)量及壽命導(dǎo)致裝置工作可靠性低的問題。其使用壽命可與被監(jiān)測設(shè)備同壽 命。既保障了在線監(jiān)測裝置可持續(xù)穩(wěn)定的對主設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，同時也避免了因在線監(jiān) 測裝置可靠性問題對主設(shè)備的運行維護產(chǎn)生不良影響。由于這類聲表面波傳感器實現(xiàn)了無 源無線的數(shù)據(jù)采集和傳輸方式，無需使用電池，也不需要在高低電位之間連接電纜，因此具 有極高的安全性，非常適用于在高壓、強電磁環(huán)境中工作，尤其是基于聲表面波原理的溫度 傳感器，填補現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)參量監(jiān)測領(lǐng)域的空白。輸入輸出換能器的核心為叉指換能器，這 是一種在壓電晶體上激發(fā)和檢測聲表面波（SAW)的聲電換能器，是用半導(dǎo)體平面工藝將金 屬鋁沉積在壓電基片上，然后用光刻技術(shù)將金屬薄膜刻成特定尺寸及形狀的結(jié)構(gòu)。SAW的反 射柵極是實現(xiàn)SAW諧振器的關(guān)鍵器件，SAW基于反射元陣列來構(gòu)成SAW反射鏡，SAW反射柵 振有反射溝槽和反射金屬條帶兩種，其中溝槽反射陣性能較好，不過金屬反射柵陣最易實 現(xiàn)。
[0012] 其次，將感應(yīng)取能技術(shù)應(yīng)用于傳感裝置中，一方面，減少了供源的復(fù)雜度和困難 度，能夠合理利用資源，另一方面，在感應(yīng)取能的供電單元中加入整流器、降壓器、蓄電池以 及穩(wěn)壓電路，能夠有效避免輸電線路在大電流下取能單元吸取能量過剩而燒損電源電路， 減小電源的發(fā)熱量，并將多余的吸取能量進行有效儲存，并能夠避免輸電線路電流為小電 流或者斷電的情況下而導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備的供電不足，保證取能電源能夠向監(jiān)測設(shè)備輸出穩(wěn)定 的直流電，保證監(jiān)測設(shè)備持久穩(wěn)定運行；并且能夠防止取能單元飽和，且使取能單元能夠 發(fā)出瞬時大功率，增強取能電源帶負(fù)載能力以及適應(yīng)能力。
[0013] 另外，本實用新型為了實現(xiàn)遠程傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高效性，遠程傳輸單元運用了兩 種天線，即定向增益天線和全向旋轉(zhuǎn)天線，定向增益天線為螺旋臂偶極子天線，通過同軸電 纜與信號采集器相連，能起到發(fā)射查詢脈沖和接收攜帶溫度信號的反饋脈沖的作用，從而 降低了工程上調(diào)整天線之間方向性對準(zhǔn)的難度；全向旋轉(zhuǎn)天線是在法向方向為全向的小螺 旋天線，其與SAW傳感器連接，起接收查詢脈沖，并將SAW諧振信號反饋給發(fā)射天線的作用。 這樣配置天線的原理是：與信號采集器連接的天線要向多個SAW探頭發(fā)送查詢脈沖信號， 其安裝位置可以在規(guī)定范圍內(nèi)隨意調(diào)整，故其為定向的高增益天線；與SAW探頭相連的天 線位置安裝是由被測點位置所決定的，安裝方向可能會比較狹小且各個方向上都需要能接 收到來自信號采集器的查詢信號，故運用法向上全向的小螺旋天線，降低了工程上調(diào)整天 線之間方向性對準(zhǔn)的難度。
[0014] 將該種類型的傳感裝置應(yīng)用于在線監(jiān)測技術(shù)中時，不僅能有效推動變電站智能狀 態(tài)監(jiān)測技術(shù)進步，從而避免傳統(tǒng)的在線監(jiān)測裝置大量使用電子元器件、使用電池或CT取電 的供電方式，在安全性、可靠性、穩(wěn)定性等方面存在技術(shù)缺陷的問題。聲表面波技術(shù)采用被 動工作方式，無需使用電子元器件和任何電源裝置，實現(xiàn)了無源無線的狀態(tài)監(jiān)測方式，有效 的解決了傳統(tǒng)在線監(jiān)測裝置存在的在安全性、可靠性、穩(wěn)定性等方面存在的問題。同時，聲 表面波技術(shù)和感應(yīng)取能技術(shù)有利于實現(xiàn)更多更全面的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容。這些無疑都是狀 態(tài)監(jiān)測技術(shù)的巨大進步。而且，可以起到節(jié)約成本和提高設(shè)備安全運行水平的效果，一種用 于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置與被監(jiān)測設(shè)備同壽命，具有極高的可靠性和穩(wěn) 定性；感應(yīng)取能技術(shù)替代傳統(tǒng)的太陽能、蓄電池，均極大的減少了系統(tǒng)的維護工作量，有利 于節(jié)約成本，同時，一種用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置的應(yīng)用既保障了在 線監(jiān)測裝置的可靠性和穩(wěn)定性，還有利于實現(xiàn)一些新的更真實反映設(shè)備運行狀態(tài)的特征量 的監(jiān)測，從而更加及時、準(zhǔn)確、全面掌握設(shè)備狀態(tài)。通過實時歷史數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將各類在線監(jiān) 測數(shù)據(jù)、PMS、SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上，輔助實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)診斷、電網(wǎng)設(shè) 備運行狀態(tài)分析等高級應(yīng)用。綜上，本實用新型可以有效克服現(xiàn)有SAW溫度傳感裝置定向 性不強、傳輸距離短的特點，并能廣泛應(yīng)用于各式不便于人工溫度采集的高壓電力設(shè)備上， 能有效提高電網(wǎng)運行的可靠性與安全性，為真正實現(xiàn)無人值守提供了有效保障。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步描述：
[0016] 圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0017] 圖2為數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)放大模塊圖；
[0018] 圖3為蓄電池充放電模塊圖。

【具體實施方式】
[0019] 如圖1、圖2、圖3所示，一種用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置，包括 供源裝置以及分別與其連接的傳感單元、遠程傳輸單元；供源裝置由感應(yīng)取能裝置1、整流 穩(wěn)壓單元2和蓄電池3組成；傳感單元為單端口結(jié)構(gòu)，包括輸入輸出換能器7及兩個構(gòu)成聲 學(xué)諧振腔的反射柵極8 ;遠程傳輸單元9包括定向增益天線10、全向旋轉(zhuǎn)天線11與信號采 集器12 ;感應(yīng)取能裝置1為電場能集能裝置，包括平板電容器，該平板電容器置于交變電場 中；整流穩(wěn)壓單元集成一個整流器4和一個降壓型轉(zhuǎn)換器5 ;定向增益天線10為螺旋臂偶 極子天線，通過同軸電纜與信號采集器12相連；信號采集器12連接數(shù)據(jù)處理單元6,數(shù)據(jù) 處理單元包括DSP芯片。
[0020] 數(shù)據(jù)處理單元將傳感單元采集的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，電場能集能裝置收集環(huán)境 中產(chǎn)生的高壓線路耦合能量并轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)整流穩(wěn)壓單元整流穩(wěn)壓后儲存在蓄電池中為 傳感單元供電。感應(yīng)取能裝置為電場能集能裝置，是用平板電容器置于交變電場中，其兩端 感應(yīng)出電流電壓，將電場能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載進行供電；整流穩(wěn)壓單元通過集成一個低損 耗整流器和一個高效率降壓型轉(zhuǎn)換器，以通過收集環(huán)境中產(chǎn)生的高壓設(shè)備耦合能量，然后 將這種能量轉(zhuǎn)換成良好調(diào)節(jié)的輸出，為傳感器、數(shù)據(jù)處理單元及對外通信單元提供能量；溫 度傳感單元為基于聲表面波原理制成的傳感器；數(shù)據(jù)處理單元提供濾波、放大、下變頻、發(fā) 送頻率控制等功能，將傳感器采集的信號轉(zhuǎn)換成采集控制器可直接處理的數(shù)字信號；對外 通信單元可以完成單臺設(shè)備內(nèi)部傳感器到采集控制器的數(shù)據(jù)通信功能，實現(xiàn)電力設(shè)備在線 監(jiān)測裝置高低電位之間的無線安全隔離。
[0021] 裝置的核心在于基于聲表面波的溫度傳感器的測量，SAW諧振器主要分為 單端口和雙端口兩種結(jié)構(gòu)，本方案中采用單端口結(jié)構(gòu)，只包含一個IDT，這個IDT既 充當(dāng)輸入換能器，又充當(dāng)輸出換能器，IDT左右的兩個反射柵陣對稱分布，構(gòu)成一個 聲學(xué)諧振腔，IDT將激勵信號能量引入和諧振腔中的能量引出，其工作原理為：在基 片表面激發(fā)與電磁波同頻的SAW，聲波在兩個反射柵組成的諧振腔內(nèi)來回多次反射， 當(dāng)激勵信號的頻率與聲學(xué)諧振腔的尺寸匹配時，在腔內(nèi)形成駐波并產(chǎn)生諧振。諧 振頻率&直接反映了被測信息，是SAW傳感器的重要特征參數(shù)，其表達式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置，其特征在于：包括供源裝置以 及分別與其連接的傳感單元、遠程傳輸單元；所述供源裝置由感應(yīng)取能裝置、整流穩(wěn)壓單元 和蓄電池組成；所述傳感單元為單端口結(jié)構(gòu)，包括輸入輸出換能器及兩個構(gòu)成聲學(xué)諧振腔 的反射柵極；所述遠程傳輸單元包括定向增益天線、全向旋轉(zhuǎn)天線與信號采集器。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置，其特征在于： 所述感應(yīng)取能裝置為電場能集能裝置，包括平板電容器，所述平板電容器置于交變電場中。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置，其特征在于： 所述整流穩(wěn)壓單元集成一個整流器和一個降壓型轉(zhuǎn)換器。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置，其特征在于： 所述定向增益天線為螺旋臂偶極子天線，通過同軸電纜與所述信號采集器相連。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于高壓設(shè)備的遠傳諧振型SAW溫度傳感裝置，其特征在于： 所述信號采集器連接數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)處理單元包括DSP芯片。
【文檔編號】G01K11/26GK204241128SQ201420710691
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】牛宇干, 王振方 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司