基于声表面波的无源测温阅读器设计与实现

0 引言

当前电力系统温度监测方法主要包括感知测温、红外测温及光纤测温。感知测温可大概判断发热故障，但难以准确获取温度情况。红外测温设备体积较大，只能监测红外线直射到的开关触点。光纤测温安装难度大、设备成本昂贵，且易受外界环境影响。

声表面波无源无线测温系统[1-2]中的传感器具有无源、耐高温、体积小以及适应复杂环境等优势，近年在电力行业中得到推广使用，解决了高压开关柜触头温度难以监测的问题。

基于以上研究背景，设计了一种基于声表面波技术的无线无源测温阅读器并进行了系统测试。

1 系统设计

1.1 总体设计

无线无源测温阅读器包含发射机、接收机、电源、控制与回波信号处理模块以及上位机软件，见图1。其中发射机负责激励信号的发送；接收机负责回波信号接收；FPGA中的控制与回波信号处理模块负责配置信号源的输出频率，生成开关控制信号，同时对采集的回波信号进行频率估计，输出频偏给PC上位机软件，由软件计算得到待测温度。

图1 阅读器总体设计

在激励信号发射阶段，信号源产生的特定频率单音信号，经过锁相环倍频与放大后，通过天线发射出去成为激励信号。声表面波传感器通过天线接收激励信号，然后传感器上的叉指换能器将激励信号转换为声表面波。声表面波包含了表征温度信息的信号，此信号被叉指换能器又转变成电磁波，成为传感器的回波应答信号通过天线发射出去。

在回波信号接收阶段，控制模块输出的开关控制信号将发射链路开关断开，信号源与锁相环共同产生本振信号，接收机将回波信号下变频到1 MHz低中频。然后经过中频放大与滤波，通过模数变换器将中频回波变为数字信号。

最后，由控制与回波信号处理模块读取回波数字信号，并进行频率估计，获取频偏信息，将信息传递给PC上位机。

1.2 硬件设计

无源无线测温系统阅读器[3]发射机的任务是生成激励信号激励传感器产生谐振，接收机[4]用于接收回波信号，控制与回波信号处理模块负责配置信号源频率、开关控制以及回波信号采样与处理。阅读器硬件部分见图2。

图2 硬件模块

1.2.1 发射机

在激励信号发射阶段，开关S0接通发射链路，在发射机与信号源之间的开关S1闭合的时候，锁相环1工作。当锁相环锁定激励信号频率的时候，锁相环才将发射链路的功放启动输出激励信号。所以此功放激励信号从起始阶段频率是完整的，同时幅度也是完整的。在开关S1断开的时候，锁相环立刻关闭自身与功放的激励信号输出，使得激励信号结束时频率与幅度保持完整。其结构如图3所示。

图3 发射机结构方案图

选用MAX1479[5]作为发射机的发送芯片，+3.3 V单电源供电，能够为50 Ω的负载提供大于+10 dBm的可调节输出功率。信号源芯片采用AD9850[6]，信号源的低频信号经过MAX1749中的PLL倍频后，使激励信号频率达到429～ 437 MHz范围。信号经过功放1放大到10 dBm，然后经过功放2继续放大到30 dBm。功放2选用RFFM 6403。

1.2.2 接收机

在回波信号接收阶段，S0切到接收链路，因为发射机中锁相环关闭自身与功放的激励信号输出，所以几乎没有激励信号泄漏到接收链路。其中接收链路使用一次变频式结构，只需要一个本振，因此频率稳定度较高,如图4所示。

图4 接收机结构方案图

选用MAX7033[7]作为接收机的接收芯片，其内部集成LNA、混频器、倍频器等，能够接收信号功率范围为-114～0 dBm。中频放大器采用AD603，中频滤波器选用LTC1566。

1.2.3 电源

电源作为核心部件，必须能提供足够的功率，外部接口要充分满足各种芯片的电压需要。设计中采用外接12 V电压供电，其中发射机、接收机以及信号源芯片需要3.3 V供电，而发射机前置放大器、接收机的中频放大器与中频滤波器需要5 V供电。

在实现中，12～5 V电源转换芯片MP2303A型整流降压调节器，输入电压为4.7～28 V，输出电流为3 A。5～3.3 V电源转换芯片选用LD1117型线型稳压器，低开启电压，输出电压为3.3 V，输出电流为1 A。

1.2.4 控制与回波信号处理模块

阅读器采用Cyclone IV FPGA作为控制板，用于配置AD9850信号源频率，控制系统中各部分的工作时序，并进行回波信号处理。FPGA通过开关S0、S1对系统激励信号的发射和回波信号的接收进行控制。回波信号到达后，FPGA为回波采样芯片AD9226提供采样时钟进行采样，然后对回波信号进行频率估计[8]，获取声表面波温度传感器的回波中频频率，并将频偏结果通过串口发送至PC上位机软件端。

图5为回波信号采集系统图，由输入电路、AD9226转换芯片、TL072C组成的运算放大电路、FPGA等构成。回波信号由12位AD9226读取，输出电压5 V，内置采样保持放大器，单路采集频率为20 MHz，由FPGA控制模块分频。图6为FPGA控制与信号处理电路。

图5 回波信号采集原理图

1.3 软件设计

阅读器通过RS232接口将传感器频偏传送到PC上位机，上位机软件根据声表面波传感器温度和传感器谐振频率的对应关系计算出传感器接触点的温度值，将温度值显示在PC机上。

2 系统测试

2.1 回波测试

在激励信号发射阶段，首先FPGA配置信号源的输出频率，然后输出开关控制脉冲控制S1闭合，S0接通发射链路。在发射链路的开关S1闭合的时候，锁相环开始工作，当锁相环锁定激励信号频率的时候，锁相环才将功放1启动输出激励信号，如图7所示，其中脉冲周期是200 μs，脉冲宽度是50 μs。

图6 FPGA控制与信号处理电路

图7 发射机激励信号波形图

在发射链路的开关S1断开的时候，锁相环立刻关闭自身与功放1的激励信号输出，使得激励信号结束时频率与幅度保持完整。同时在回波接收阶段，没有激励信号泄漏到接收链路，提高了回波接收信号的信噪比，图8为发射机激励信号与接收机回波信号波形图。

图8 发射机激励信号与接收机回波信号波形图

2.2 温度测试

在常温下，将谐振频率为435.150 MHz的声表面波传感器进行温度测试，首先将传感器放入温度可调的温控箱中，温控箱的测量范围为0～150 ℃，阅读器放置于距离传感器0.5 m处，另将精度为0.1 ℃的温度计置于温控箱中监测温度变化。

温控箱温度控制在0～100 ℃内，室温为22.2 ℃，每隔10 ℃记录1次测量结果。温控箱温度、传感器测量温度以及对应的传感器谐振频率数据如表1所示。

表1 测试结果

图9为温控箱温度、传感器测量温度与传感器谐振频率对应关系曲线。通过比较发现，传感器测量温度在73～100 ℃范围内有6～7 ℃误差，没有达到待测传感器说明书中声称的谐振频率与温度的线性关系。

图9 测试对比曲线

3 结束语

本文主要创新点是：在激励信号发射阶段，使用开关S0与S1进行双重隔离，提高了回波接收的灵敏度；增加锁相环的设计，在发射链路的开关S1闭合的时候，锁相环立刻关闭自身与功放1的激励信号输出，使得激励信号结束时频率与幅度保持完整。同时在回波接收阶段，没有激励信号泄漏到接收链路，优化了回波信号的信号质量；最后进行回波信号的处理设计和实现。

基于上述设计思路，完成了声表面波无源无线测温装置的模块设计与制作，并通过测试结果进行验证。测试结果显示，阅读器具有测量数据准确、可靠性高、系统稳定的特点，与以往的系统相比，本系统阅读器体积小，硬件成本低，操作简便，能够对封闭开关柜中的关键具体设备进行实时温度监控，若能够推广使用，能够减小因封闭电力开关柜温度过高造成的损失。