无线无源（精选3篇）
无线无源 篇1
0 引言
电力设备的安全稳定是电力系统安全稳定运行的重要基础。对电力设备运行状态进行监测, 能够及时发现问题, 减少故障的发生。电力设备发热监测监控技术是在工业设备的温度监控技术上发展出来的, 主要经历了热电偶技术、固定粘贴式示温蜡片 (纸) 测温技术、非接触式远红外测温技术、光纤测温技术、有源无线测温技术以及SAW传感器无源无线测温技术等发展阶段[1]。近年来, 国外相继开发了一些基于不同检测原理的电气设备温度在线监测装置, 为满足安全可靠及实用性要求, 各国开始趋向于采用无源无线测温方式。
声表面波 (Surface Acoustic Wave, 简称SAW) 是沿物体表面传播的一种弹性波。SAW谐振型传感器主要由天线和附有反射栅、叉指转换器的压电基片组成。叉指换能器通过逆压电效应将接收到的查询电磁波转换为一定频率的声表面波 (SAW) , 声表面波被左右两个周期性反射栅条反射至叉指换能器处产生特定谐振频率的电磁波, 并通过天线向外输出[2]。
目前, 无线无源测温系统已有许多研究成果。文献[3-4]研究了SAW传感器的设计;文献[5]研究了温度采集器的设计;在从测温网关向监控中心传输数据方式的研究方面, 文献[6]采用无源透明的EPON网络组建环网柜无源无线测温管理系统, 文献[7]采用RS485实现本地传输, 以太网实现数据远程传输。
本文给出了设计方案, 介绍了无线无源测温系统的总体架构, 重点介绍了能够汇集并上传温度信息的测温网关硬件设计以及温度监测系统的软件设计。本方案的一个突出特点是测温网关可以将数据通过以太网、RS485或GPRS等多种方式上传到监控系统, 可根据实际情况进行配置。
1 测温系统架构及硬件设计
1.1 测温系统工作原理
基于SAW传感器的无线无源测温系统由监测管理主站及软件、温度监测集中器 (网关) 、测温采集器、SAW温度传感器等部分构成。系统的工作原理是SAW传感器测量各触点温度, 采集器完成对传感器测量的温度信息的收发和管理, 一个采集器可接收6个SAW传感器的温度信息。同一区域 (如一个变电站) 内多个开关柜通过采集器之间组成CAN总线网络或RS485组网进行数据的本地传输, 再由测温网关统一进行本区域内所有开关柜温度监控信息的采集、存储和管理。测温网关可以通过以太网、GPRS或RS485按照指定的标准规约传入监控中心, 实现远程在线温度监测、分析以及预警。监测系统总体架构如图1所示。
采集器从SAW传感器获取温度信息的过程是:采集器间歇地发射一定频率的正弦信号, 传感器接收到采集器发出的信号, 当传感器的谐振频率与激励信号频率相同时, 输出响应信号功率最大。此时, 响应信号是一个指数衰减的振荡信号, 振荡频率即谐振频率。采集器接收到这个信号并进行处理, 分析谐振频率, 计算出对应的温度并发送回温度监测集中器[8]。
测温网关主要负责传感器/采集器档案管理、参数设定、温度数据的存储, 并提供与自动化系统或测温平台的数据接口。测温网关将采集器上的温度数据读入之后, 首先通过自身的储存模块将温度信号保存下来, 然后通过外部接口将数据传送至上位机系统中, 与上位机系统的通讯接口主要包括以太网、RS485接口或GPRS接口, 通讯协议采用103/61850/Modbus等标准规约通信, 也可通过自定义规约进行通讯。
1.2 测温网关设计
网关的硬件系统由7大部分组成, 分别为主控单元、GPRS通信单元、以太网通信单元、2路RS485通信接口、1路调试RS232接口、1路CAN通信接口和电源单元 (GPRS和以太网设计成选配单元, 可根据不同的需求配不同的功能模块) 。主控单元是整个通信模块的主控中心, 由一块ARM芯片组成, 主要用于以太网协议栈的解析和参数的配置。GPRS通信单元通过GPRS模块和移动运营商的GPRS网络实现远程数据的采集。以太网通信电源采用工业级的以太网通信模块和主站进行数据通信。一路RS485用于和主站或其他设备通信, 另一路RS485主要和测温采集器通信。RS232通信接口设计成USB口, 主要用于参数设置和后续的串口升级。CAN通信接口主要用于和测温采集器通信。图2是网关硬件结构框图。
1.3 硬件设备安装
测温系统的硬件设备主要包括温度传感器、温度采集器及其天线和测温网关。安装时, 应根据现场实际情况制定安装方案。温度传感器是直接安装在被测物体表面的接触式测温元件, 采集器与传感器配套使用。传感器与采集器距离应该在有效测量范围内, 一般不超过5 m, 以避免信号衰减导致测量误差。
对于开关柜测温, 将测温系统安装在断路器上, 每个断路器各一套测温系统。传感器安装在断路器上下端触臂上, 采集器天线安装在开关柜断路器手车室, 通讯装置箱安装在开关柜仪表室。图3是断路器上下端触臂上传感器安装情况。
对于变压器测温, 基于对变压器的高压侧电流较小、发热不明显、安装难度高和远距离无线信号稳定性等方面的考虑, 测温系统只安装在变压器低压侧。传感器安装在变压器低压侧与离相封闭母线软连接处, 采集器天线安装在离相封闭母线外壳上, 通讯装置箱安装在变压器本身上。
2 温度监测系统软件设计
温度监测管理系统的应用软件主要功能包括各温度传感器设备运行状态监视、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等。根据实际情况, 这些应用功能可以作为电力自动化系统的一个功能模块存在 (将温度信息通过标准数据接口接入电力自动化系统) , 也可以单独作为一套环网柜温度监测的主站系统。各类运行管理人员可通过远程访问及时准确地监控开关柜温度情况。
本系统采用分布式多层结构, 软件架构由上至下分为表现层、服务层、数据层, 其结构图如图4所示。表现层即面向用户的层级, 实现人机交互功能, 以前端页面展示为表现形式, 用户通过浏览器登录系统, 查看设备的实时温度, 设定用户权限, 设定报警条件和报警推送功能等。服务层程序架设在服务器上, 对数据中的实时温度数据进行分析处理, 经过处理之后保存到数据库, 接收表现层的请求并给予响应。数据层接收测温设备测量的数据, 存储在数据库中。
系统设计的整体流程图如图5所示。
传感器测量的温度经采集器和网关上传到服务器, 保存在数据层的数据库中。服务层程序对数据进行处理分析, 将实时数据在表现层前端页面进行展示。如果温度异常, 就会进行报警, 并分析温度异常的原因, 向手机发送报警消息。本系统具有以下特点:
(1) 多种温度监测方式。用户可以设定时间区间、指定监控对象进行历史温度信息的查询。
(2) 完备的告警机制。温度的绝对值或温度的变化率超过上限, 系统为运行管理人员提供声音、光电、短信等多种方式的告警信息。
(3) 丰富的数据展现。在监控对象上, 可以选定一个开关柜的一组传感器或一个区域的多个开关柜温度信息进行监控。对于历史温度信息, 系统提供列表、曲线等多种展现方式。
(4) 完善的系统参数设置。管理温度监测相关设备档案。指定开关柜或一个具体的温度传感器进行参数的远程下发, 包括传感器温度校准、各类预警值、时间、温度采集频率、传感器发射功率、信号接收门限等。
本系统能够对测温数据进行深入分析, 得出温度异常原因, 并进行预测。具体分析方法如下:
(1) 高温原因分析。根据载流量的增大测量温度会持续走高, 当温度超过预设范围后, 进行两种原因判定。载流量过大:出线高温预警后, 根据历史温度变化趋势判定, 定时读取中国天气网对测温区域的温度数据。统计当前测量点与环境的历史温度差异, 根据每日平均温差形成温差走势, 如果温差不呈上升趋势, 则判定为载流量过大。设备老化或者接触不良:判定原理同上, 判断条件为温差呈上升趋势时, 判定设备老化或者接触不良。
(2) 温度预测分析。根据已有的温度数据及其变化规律, 按照既定的预测算法为用户提供温度预测结果, 并将预测值与预警值进行比较, 发现有异常的可能时发送温度告警信息。
(3) 对设备老化情况进行分析。以整点采集的温度和实时天气温度做差值, 将一天的所有差值取平均, 以月为分析单位, 将一个月内的所有日平均差值再取平均统计出月平均差值。平均温差作为衡量设备老化水平的分析依据, 当差值不断增大时, 预测为设备状况不佳, 可能存在老化现象。
(4) 对薄弱环节进行检测。薄弱点分析采用同级比较的方法, 根据普遍运行状况筛选出特殊运行状况。以用电高峰期作为时间节点, 统计用电高峰时段测量点温度增长情况, 将同级别的每个测量点在本时段的温度差值记录下来, 并计算出所有测量点温差平均值, 然后将超过温差平均值的测量点按照差值大小进行排名;以月为统计单位, 统计超过平均温差排在前三名之内的次数, 按照次数多少来排列薄弱点。
3 设计方案的实现
下面给出了测温系统安装后温度监测软件的运行情况。图6是采集器视图界面, 能够显示该采集器下所有传感器的温度情况。根据温度信息, 运行人员能够及时掌握设备的运行状况。如果出现温度异常, 系统会发出告警信息, 保障运行人员能及时发现问题并进行处理。
图7是传感器视图界面, 能够显示该传感器在一定时段内的温度曲线。该曲线能够反映温度变化趋势, 运行人员可以通过曲线及时发现设备老化等问题。
4 结语
今后对电力设备安全稳定的要求必然越来越高, 对设备温度进行监测, 能够及时发现异常情况, 减少设备故障。基于SAW传感器的无线无源测温系统安装灵活方便、运行可靠, 有广阔的发展前景。本文给出了无线无源测温系统的硬件、软件设计方案, 并应用在断路器触头温度监测上。由温度监测系统软件运行情况可知, 该系统能及时有效地监测传感器安装处的温度, 实现准确测温、及时告警的功能。当然, 无线无源测温设备还存在成本较高的问题, 值得深入研究。
参考文献
[1]邓世杰.中置式开关柜的无线测温方法[J].高压电器, 2010, 46 (11) :99-102.
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[4]王磊, 刘文, 卢小荣.面向电网应用的SAW温度传感器设计[J].压电与声光, 2012, 34 (6) :817-819.
[5]宿元斌, 宿筱, 何建廷.高压开关柜无源无线温度监测系统的研究[J].制造业自动化, 2013, 35 (3) :32-35.
[6]霍富强, 雷振锋, 路进升.环网柜无源无线测温管理系统设计[J].科学技术与工程, 2013, 13 (25) :7516-7520.
[7]覃奇, 陈金, 鄢芬, 等.嵌入式协议转换器在无源无线测温系统中的应用[J].电气技术, 2012 (12) :53-56, 62.
[8]鄢芬.声表面波温度传感器信号检测系统的研究[D].武汉:武汉邮电科学研究院, 2012.
无线无源 篇2
高温压力传感器在民用和军事上都有着十分广泛的用途, 然而高温环境下的弹性结构失稳以及电引线性能退化是导致传统MEMS压力传感器无法正常工作的关键原因。Si C是具有宽带隙、高击穿场强、高热导率和高电子饱和速度及良好机械性能的材料, 它的化学稳定性和抗辐射能力等这些特性使Si C在制造高温恶劣环境下的压力传感器中具有明显的优势[1]。本文选择Si C材料制备敏感结构, 同时采用无线无源探测技术[2], 从而实现高温压力测量。Si C是有许多同素异构类型的化合物半导体, 此处选择4H-Si C进行研究, 表1为4H-Si C与Si的主要特性比较。
1 工作原理
压力传感器主要有压阻式和电容式两种结构, 电容式压力传感器具备高灵敏度、高频响、低温漂等优点, 是Si C压力传感器更具潜力的研究方向[3]。电容式压力传感器的基本结构如图1所示, 受到压力作用时, 薄膜产生形变, 上下极板间距发生变化, 从而改变电容器的容量。
变化电容[4]:
其中 ω为最大挠度, a为边长, h为敏感膜厚度, d为空腔间距, εr为Si C的相对介电常数, ε0为真空介电常数。
由平板热弹性理论, 在外部压力和温度载荷的共同作用下, 膜片的变形积分方程[5]如下:
式中:p为外部压力载荷, D为弯曲刚度, E为杨氏模量, μ为泊松比, x、y、z分别为3个坐标轴, α是热膨胀系数, Θ为传感器内部温度分布, 稳态传热过程中, 热传导方程[6]如下:
其中, ρ为密度, Cp为比热容, k为传热系数。
由于高温环境下引线性能退化, 后续采用非接触式无源技术进行测试。将电容与电感线圈串联成LC谐振电路, 利用互感耦合原理检测频率信号。原理图如图2所示。
利用一个耦合线圈读出电路 (天线) 在传感器附近进行扫频测量, 当测量信号频率与传感器固有频率耦合时发生共振, 导致输入阻抗发生明显变化, 从而推算其传感器压力相关的固有频率。根据压敏结构的压力-位移-电容-固有频率传输函数, 可以计算出压力的大小[7]。
2 结构设计
陶瓷具有耐高温、自封装、绝缘、低成本等特性, 低温共烧陶瓷 (LTCC) 工艺在制作立体结构方面具有特别的优势, 使用LTCC材料和工艺来制作压力传感器, 可满足400~600℃左右高温环境下的应用[8]。玻璃浆料键合是通过网印将玻璃浆料涂在键合面上, 熔化所产生的结构并接触第二个衬底, 冷却后会形成稳定的机械性连接。它的优势在于其具有密封效果好, 键合强度高, 生产效率高, 并且对于封接基板的表面没有特殊要求[9]。利用玻璃浆料将Si C晶片制成的敏感膜与LTCC陶瓷键合制成电容, 设计排气管道, 最后在真空环境下利用玻璃珠融化密封形成真空电容空腔, 同时在陶瓷上印刷电感线圈, 最后, 引线键合串联形成LC谐振电路。结构如图3所示。
2.1 Si C晶片部分设计
首先将Si C晶片减薄至一定厚度, 在减薄后的晶片上刻蚀一定深度来构成空腔, 在另一面对应的位置刻蚀一定深度形成敏感膜。氧化一层二氧化硅绝缘层, 在绝缘层上溅射一层Ti作为吸附层, 再溅射一层Pt作为引线互联层 (中间可制备一层Ti N扩散阻挡层, 缓解层与层之间的动力学反应) [10], 图形化形成上电极, 如图4所示。
2.2 陶瓷部分设计
通过LTCC激光打孔、厚膜印刷技术和多层叠片技术, 经过适当的工艺步骤制备出符合设计要求的电容下极板和铂电感线圈。各层生瓷片打孔、印刷如图5所示。
3 仿真结果与分析
对Si C薄膜进行仿真, 由于Si C材料的弹性模量、泊松比、密度随温度的变化而变化[11], 以及热传导、热膨胀等现象的影响[12], 传感器在温度改变时性能会发生变化, 应用Ansys有限元分析软件对传感器薄膜作热-结构耦合场仿真分析。碳化硅在不同温度下的特性参数如表2, 仿真位移云图如图6所示。
由仿真结果可知20℃、200℃、400℃、600℃温度时2个大气压内的最大挠度如表3所示。
设计电感大小为2μH, 由式 (1) 、式 (4) 可知谐振频率变化如图7所示。
计算可得出20℃、200℃、400℃、600℃时的灵敏度分别2.35 MHz/bar、2.4 MHz/bar、2.55 MHz/bar、2.65 MHz/bar, 可知传感器在高温下仍具有较高的灵敏度。
(μm)
4 关键工艺验证
此方案中最关键的工艺是Si C的深刻蚀, 由于Si C化学性质十分稳定, 目前还未发现有哪种酸或碱能在室温下对其起腐蚀作用, 因此在Si C基体的加工工艺中常采用干法刻蚀[13]。由于Ni掩模刻蚀出的选择比较大、台阶较直且表面状况良好, 此处选择金属Ni作为掩膜[14]。
Si C中比较特殊的是C元素, 采用SF6刻蚀时需要顾及到C, 由于C和O能反应, 因此加入O2是比较好的策略:
因此Si C刻蚀一般采用SF6+O2, 再加入Ar辅助, 提升物理性, 角度垂直且速率较大, 刻蚀扫描电子显微镜图如图8所示。
刻蚀深度为124μm, 满足传感器制备要求, 底部形貌存在“sub-trench”现象, 后续需进行工艺优化。
5 结论
无线无源 篇3
1 传感器基本原理
1.1 湿度敏感原理
基于氧化铝陶瓷无线无源湿度传感器采用聚酰亚胺薄膜作为湿敏材料。聚酰亚胺在-200~260℃的范围内具有稳定的化学性能、物理性能及介电性能;同时具有耐高温、耐辐射、耐磨、尺寸稳定、易于改性等特点。聚酰亚胺的介电常数约为2.9左右,蒸馏水的介电常数约为76.7,当环境中水分子的浓度发生改变时,聚酰亚胺薄膜吸附的水分子量变化,导致其介电常数改变。当聚酰亚胺吸收水分子后,根据Looyenga关系式[16],可得到聚酰亚胺和水组成的复合体系的介电常数表达公式。
式(1)中,ν是复合体中水的体积百分比,ε1是聚酰亚胺的介电常数(ε1=2.93),ε2是水的介电常数(ε2=76.7),它是一个与温度有关的物理量,如式(2)[8]
由以上公式可以计算出在不同温度范围内复合体系的介电常数。随着环境中湿度的变化,叉指电容值会相应的变化,其计算公式[17]表示如下
式(3)中,Wgap为叉指电极间距,n为叉指电极总数,l为叉指电极长度,ε为复合物(感湿层吸收水分后的混合物)的介电常数,hfinger为叉指电极厚度。从而,根据式(1)和式(3),可以得到湿度传感器的电容值(图1)。
1.2 信号读取原理
该传感器的等效电路模型可以简化为电容Cs、电阻Rs、电感Ls组成的串联回路。传感器谐振频率f可表示为
式中,Q表示传感器的品质因子。为了和湿度传感器进行无线耦合,需要一个带有读取天线的测试电路,其等效电路如图2所示。当读取天线发射扫频信号时,当扫频信号的某一频率和传感器谐振频率相等时,传感器电路发生谐振,天线的阻抗信号(包括实部、虚部、振幅、相位)将会发生变化。通过提取天线的阻抗信号就能获取传感器的谐振频率值。
2 传感器的制备
传感器制备过程主要分为四步,首先采用丝网印刷技术在氧化铝陶瓷上用无铅铝浆印刷设计好的电感线圈和叉指电容图形;然后在高温炉中对印刷好的图形按照烧结曲线进行烧结;接着利用匀胶机在叉指电容和电感线圈表面旋涂一层均匀的聚酰亚胺薄膜;最后在氮气气氛中对聚酰亚胺薄膜层进行亚胺化处理。具体的制备流程如图3所示。
3 测试及结果分析
图4为搭建的湿度传感器测试平台。该平台由密封箱、加湿器、湿度记录仪、电脑和网络分析仪组成。加湿器、传感器、天线和湿度记录仪放置在密封箱内,电脑与湿度记录仪相连,实时监测温度和湿度的变化。天线放置在湿度传感器正上方10 mm处,并且与外界的网络分析仪相连。
用HFSS仿真得出传感器的谐振频率为114MHz,测得湿度传感器实际的谐振频率为113.712 1MHz,两者结果基本吻合,说明了设计的可行性。图5所示为湿度传感器的谐振频率随着湿度变大而呈线性减小。图6为传感器谐振频率和湿度线性拟合的曲线,当湿度从50%RH变化到88%RH的时候,传感器谐振频率从113.712 1 MHz变化到92.311 5MHz,灵敏度为0.545 MHz/%RH。
同时,研究了温度对湿度传感器谐振频率的影响,如图7所示,从图中可以看出当温度从30℃变化到160℃的时候,谐振频率大约变化了1.2 MHz左右。在搭建的湿度测试平台进行测试时,当湿度从50%RH变化到88%RH时,温度从30℃变化到33℃,也就是说,温度对湿度传感器的谐振频率影响很小,可忽略不计。
4 结论