CN105157870A - 一种基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无源声表面波传感器的在线测温系统，包括核心控制模块、无源声表面波传感器、无线射频发射模块、无线射频接受模块，存储显示模块。核心控制模块控制无线射频发射模块产生射频脉冲信号，通过装置天线发射出去，无源声表面波传感器接收到此射频脉冲信号后，把含有电力设备内部温度信息的射频脉冲信号通过传感器天线发射出去。无线射频接收模块接收并解调该射频脉冲信号得到温度信号，核心控制模块使用自适应滤波算法对温度信号处理，结果由显示器显示，当温度不正常时由声光报警装置产生声光报警。与现有技术相比，本发明具有良好的绝缘性和抗电磁干扰性，解决了开关柜、变压器等电力设备内触点运行温度不宜被监测的难题。

Description

一种基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统

技术领域

本发明属于电力无源无线测温领域，特别是一种基于无源声表面波传感器的在线测温系统。

背景技术

电力系统的安全和运营效率关系到整个国民经济的发展和人民生活的稳定。对电力设备进行状态监测是保证电网安全运营和电力系统资源优化利用的最有效方法，其中温度是电力设备状态监测的最重要数据之一。电力设备局部温度的异常升高，意味着可能发生短路或绝缘老化，通过对电力设备温度的监测，可实时了解电力设备的运行情况，在发生设备隐患的第一时间就能发现并处理隐患，保证电力系统的安全运营。目前对电力设备的测温方式可概括为：热电偶、红外测温、光纤光栅、有源无线，其存在电力设备种类繁多、结构复杂、电磁干扰强等问题，导致各类测温手段缺乏普遍适应性，实际应用性差。特别是在开关柜、变压器等电力设备中，绝缘性、抗电磁干扰性要求较高，导致其触点运行温度不易被监测。如何开发出一种抗干扰能力强、适用范围广的在线测温系统已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统，包括核心控制模块、若干个相同的无源声表面波传感器、无线射频发射模块、无线射频接受模块、射频开关、第一天线、第二天线、显示器、声光报警装置和存储器，所述无线射频发射模块、无线射频接受模块、射频开关、显示器、声光报警装置和存储器均与核心控制模块相连，无线射频发射模块、无线射频接受模块和第一天线均与射频开关相连，每个无源声表面波传感器均与对应的第二天线相连；

其中核心控制模块通过无线射频发射模块与射频开关进行连接组成射频发射回路，射频开关通过第一天线将射频查询脉冲信号发射出去；声表面波传感器与第二天线连接，用于接收射频查询脉冲信号并返回射频信号；射频开关再通过无线射频接收模块与核心控制模块进行连接组成射频接收回路，核心控制模块控制射频开关拨向射频接收回路，该回路接收每个声表面波传感器返回的射频信号，信号经无线射频接收模块处理后送与核心控制模块处理；显示器用来显示温度值，声光报警装置用来产生声光报警信号，存储器用来存数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的一种基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统，采用声表面波射频识别技术实现温度监测，具有良好的绝缘性和抗电磁干扰性，解决了开关柜、变压器等电力设备内触点运行温度不宜被监测的难题。实现了电力设备测温的无人化、自动化，将提高设备施工效率，降低设备运行维护成本，减少了安全隐患。2)核心控制模块采用DSP芯片，无线射频发射、接收模块分别采用射频发射芯片与超外差无线接收芯片，射频开关采用可控高速射频开关芯片，结构简单，性能高，便于实施。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的无源声表面波传感器结构图。

图3为本发明的无线射频发射模块电路图。

图4为本发明的无线射频接收模块电路图。

图5为本发明的基于LMS的自适应滤波器结构图。

图中编号所代表的含义为：1-无源声表面波传感器，2-核心控制模块，3-无线射频发射模块，4-无线射频接收模块，5-射频开关，6-装置天线，7-传感器天线，8-显示器，9-声光报警装置，10-存储器，11-叉脂换能器，12-压电基底，13-反射栅，14-天线接口，15-数字滤波器，16-自适应滤波模块。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统，包括核心控制模块2、若干个相同的无源声表面波传感器1、无线射频发射模块3、无线射频接受模块4、射频开关5、第一天线6、第二天线7、显示器8、声光报警装置9和存储器10，所述无线射频发射模块3、无线射频接受模块4、射频开关5、显示器8、声光报警装置9和存储器10均与核心控制模块2相连，无线射频发射模块3、无线射频接受模块4和第一天线6均与射频开关5相连，每个无源声表面波传感器1均与对应的第二天线7相连；

其中核心控制模块2通过无线射频发射模块3与射频开关5进行连接组成射频发射回路，射频开关5通过第一天线6将射频查询脉冲信号发射出去；声表面波传感器1与第二天线7连接，用于接收射频查询脉冲信号并返回射频信号；射频开关5再通过无线射频接收模块4与核心控制模块2进行连接组成射频接收回路，核心控制模块2控制射频开关5拨向射频接收回路，该回路接收每个声表面波传感器1返回的射频信号，信号经无线射频接收模块4处理后送与核心控制模块2处理；显示器8用来显示温度值，声光报警装置9用来产生声光报警信号，存储器10用来存数据。

所述核心控制模块2采用TI公司的高速、低功耗TMS320C5509DSP数字处理芯片，控制无线射频发射模块3输出射频脉冲信号，对无线射频接收模块4输出的基带信号进行处理，控制射频开关5与无线射频发射、接收回路的通断。

结合图2，所述的无源声表面波传感器1包括叉脂换能器11、压电基底12、反射栅13和天线接口14，反射栅13和叉脂换能器11均位于压电基底12上，反射栅13位于叉脂换能器11的两侧，叉脂换能器11上设置天线接口14。

连接在无源声表面波传感器1上面的天线接收到射频脉冲信号，经内部叉脂换能器IDT利用逆压电效应把天线接收到的射频脉冲信号转换成声表面波脉冲信号在压电基片上进行纵向传播，经两侧反射栅反射叠加，再由IDT逆压电效应产生电信号经过传感器天线7发出。

结合图3，所述无线射频发射模块电路3包括芯片PT4450、第一晶振Y1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2。PT4450的6脚OSCIN通过第一晶振Y1与PT4450的1脚OSCOUT相连，该引脚还通过通过第一电容C1接地。PT4450的5脚VDD通过第二电容C2接地，该引脚还与电源VCC相连。PT4450的4脚DIN通过第一电阻R1接地，该引脚还通过第二电阻R2与DSP芯片TMS320C5509的引脚DATAIN相连。PT4450的2脚VSS接地。PT4450的3脚PAOUT与第三电容C3一端相连，第三电容C3另一端与第二电感L2一端相连，第二电感L2另一端与天线相连，该电感另一端还通过第六电容C6接地，该电容还通过第四电容C4接地。PT4450的3脚PAOUT还与第一电感L1一端相连，第一电感L1另一端通过第五电感C5接地，该电感另一端还通过第三电阻R3与电源VCC相连。经过加密的数据进入PT4450的6脚DIN，当DIN引脚为高电平时触发电路，单触发电路打开功率放大器和震荡器，高频振荡信号输出给功率放大器，从PAOUT引脚输出，经天线匹配网络发射出去，当DIN脚为低电平时，功率放大器关闭，但保持振荡。当DIN引脚输入一组脉冲信号时，芯片内部会产生高频信号，经内部功率放大器进行功率放大，从PPT4450的3脚PAOUT输出一组射频脉冲信号，经射频开关5把射频信号从装置天线6发射出去。

结合图4，无线射频接收模块电路4包括芯片MAX1473，第二晶振Y3、第七电容C13、第八电容C19、第九电容C20、第十电容C21、第十一电容C22、第十二电容C23、第十三电容C24、第十四电容C25、第十五电容C26、第十六电容C27、第十七电容C28、第十八电容C29、第十九电容C30、第四电阻R7、第五电阻R8、第六电阻R9、第三电感L5、第四电感L6、第四电感L7。芯片MAX1473的1脚XTAL1通过第七电容C13与第二晶振Y3一端相连，该晶振另一端通过第十一电容C22与芯片MAX1473的28脚XTAL2相连。芯片MAX1473的2脚AVDD、7脚AVDD、11脚IRSEL、14脚DVDD、与电源VCC3相连，通过第十二电容C23接地，这些引脚还通过第十三电容C24接地。芯片MAX1473的3脚通过第四电感L6与第十四电容C25一端相连，该电容另一端与天线相连。芯片MAX1473的4脚LNASRC通过第三电感L5接地。芯片MAX1473的5脚AGND、10脚AGND、13脚DGND都接地。芯片MAX1473的6脚LNAOUT通过第十五电容C26与芯片MAX1473的8脚MIXIN1相连，该引脚与第四电感L7和第十八电容C29的一端相连，第四电感L7和第十八电容的另一端与电源VCC3相连，同时还通过第十九电容C30接地。芯片MAX1473的9脚MIXIN2与第十六电容C27一端相连，第十六电容C27另一端与电源VCC3相连，该电容另一端还通过第十九电容C30接地。MAX1473的15脚AC、16脚XTALSEL、18脚IFIN2、26脚PDOUT悬空。MAX1473的17脚IFIN1通过第十七电容C28接地。MAX1473的19脚DF0通过第四电阻R7与第九电容C20一端相连，第九电容C20另一端接地。MAX1473的20脚DSN通过第九电容C20接地。MAX1473的21脚OPP通过第八电容C19接地。MAX1473的22脚DFFB通过第十电容C21与第四电阻R7相连。MAX1473的23脚DSP通过第五电阻R8与第四电阻R7相连。MAX1473的24脚VDD与电源VCC5相连。MAX1473的25脚通过第六电阻R9与第五电阻R8相连，该引脚还与DSP芯片TMS320C5509的引脚DATAOUT相连。MAX1473的27脚与DSP芯片TMS320C5509的引脚POWRDN相连。当无源声表面波传感器1返回的射频信号由装置天线6接收后，通过射频天关5送给MAX1473芯片处理，经过MAX1473的LNA、滤波器及MAX1473内部集成混频器处理后从MAXOUT引脚输出基带信号，由微处理器芯片TMS320C5509处理后得到电力设备温度值。

实际使用时，核心控制模块2向PT4450的6脚DIN提供一个高电平信号，PT4450开始工作，DSP通过控制DIN引脚高电平信号的时长就可以控制PT4450输出射频脉冲的宽度。射频脉冲经PT4450的3脚PAOUT外接装置天线6发射出去。安装在电力设备中的无源声表面波传感器1与传感器天线7接收射频查询脉冲信号，通过叉脂换能器11的逆压电效应把接收到的射频脉冲信号转换为声表面波脉冲信号，该信号在传播的方向上遇到反射栅13返回温度信号，再次经过叉脂换能器的逆压电效应作用把声表面波信号转换为射频信号经传感器天线7发送出去。无线射频接收模块4的天线接收到无源声表面波传感器返回的射频信号，并经过MAX1473处理得到一个含有温度信号的基带信号。核心控制模块2处理此信号并计算得到温度值大小，送到显示器8上实时显示。这样就实现了对电力设备温度的检测。当温度大小不在正常范围之内时，声光报警装置9就会产生报警信号。

结合图5，所述自适应滤波算法的滤波器，x(n)表示输入信号，通过参数可调的数字滤波器15后产生输出信号y(n)，y(n)与标准信号d(n)进行比较，得到误差信号e(n)，然后再通过自适应滤波模块16对滤波器的参数进行调整，使得误差信号e(n)或e(n)的某种统计量达到最小。重复上面过程，滤波器逐渐了解到关于输入信号和噪声的统计规律，并以此为根据自动调整自己的参数，从而达到最佳的滤波效果。一旦输入信号的统计规律发生了变化，滤波器能够自动跟踪上输入信号的变化，自动调整滤波器的参数，最终达到滤波效果，实现自适应过程。令w(n)表示图5中的滤波系数矢量，即w(n)＝[w_i(n),w₂(n),…,w_M(n)],

则自适应滤波器的输出为：

y(n)＝w_i(n)×x(n－i+1)＝w^T(n)×x(n)(1)

误差信号e(n)可以写成：

e(n)＝d(n)－y(n)(2)

根据最小均方误差判据：ξ(n)＝E[e²(n)](3)

将式(1)和(2)代入(3)，得：

ξ(n)＝E[d(n)]－2E[d(n)×w^T(n)×x(n)]+E[w^T(n)×x(n)×x^T(n)×w(n)](4)

当滤波系数固定时，目标函数ξ(n)可以写成：

ξ(n)＝E[d(n)]－2w^T(n)×P+w^T(n)×R×w(n)(5)

其中，R＝E[x(n)×x^T(n)]是输入信号的自相关矩阵；P＝E[d(n)×x(n)]是期望信号与输入信号的互相关矢量。由式(5)可见，目标函数ξ(n)是滤波系数w(n)的二次函数。将式(5)对w(n)求导数，并令其等于零，同时假设R非奇异，可得目标函数的最佳滤波系数为：w₀＝R^－1×P(6)

因为目标函数是滤波系数w(n)的二次函数，所以可以形成一个碗状超抛物面(性能曲面)，式(6)的解称为维纳解，它为碗底最小点。自适应滤波器系数的起始值位于性能曲面的某一点，经过自适应调节，滤波系数变化的点向碗底最小点移动，最终实现最佳维纳滤波。可见，系数变化点按照梯度的负方向运动达到最佳滤波的速度是最快的。令表示n时刻的M×1维梯度矢量，M等于滤波器系数的数目，自适应滤波器系数矢量的变化与梯度的关系为:

$w(n+1)=w\left(n\right)+\frac{1}{2}\×\mathrm{\μ}\×\[-\▿n\]---\left(7\right)$

其中，μ为一个正实常数，称为自适应收敛系数。

由式(1)和(2)得： $\▿n=\frac{\∂\[e^2\left(n\right)\]}{\∂w\left(n\right)}=-2e\left(n\right)\×x\left(n\right)---\left(8\right)$

将式(8)代入(7)得：w(n+1)＝w(n)+μ×e(n)×x(n)(9)

这样就得到了在DSP中可以实现的基于LMS自适应滤波算法的自适应滤波器系数递推公式。

由上可知，在外界环境温度的变化下,基于无源声表面波传感器的在线测温系统能成功接收到声表面波传感器的相关温度信息。釆用DSP控制射频收发系统的相关参数,如发射机问询信号的频率、脉冲周期及脉冲宽度、接收机的本振频率等,并同时用DSP实现了声表面波传感信号的处理,使得设计的无线收发和信号处理系统具有较强的通用性和灵活性,不但能适用于不同频率的声表面波器件,也方便将来对系统的升级更新,具有较大的实用价值。

Claims (5)

1.一种基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统，其特征在于，包括核心控制模块[2]、若干个相同的无源声表面波传感器[1]、无线射频发射模块[3]、无线射频接受模块[4]、射频开关[5]、第一天线[6]、第二天线[7]、显示器[8]、声光报警装置[9]和存储器[10]，所述无线射频发射模块[3]、无线射频接受模块[4]、射频开关[5]、显示器[8]、声光报警装置[9]和存储器[10]均与核心控制模块[2]相连，无线射频发射模块[3]、无线射频接受模块[4]和第一天线[6]均与射频开关[5]相连，每个无源声表面波传感器[1]均与对应的第二天线[7]相连；

其中核心控制模块[2]通过无线射频发射模块[3]与射频开关[5]进行连接组成射频发射回路，射频开关[5]通过第一天线[6]将射频查询脉冲信号发射出去；声表面波传感器[1]与第二天线[7]连接，用于接收射频查询脉冲信号并返回射频信号；射频开关[5]再通过无线射频接收模块[4]与核心控制模块[2]进行连接组成射频接收回路，核心控制模块[2]控制射频开关[5]拨向射频接收回路，该回路接收每个声表面波传感器[1]返回的射频信号，信号经无线射频接收模块[4]处理后送与核心控制模块[2]处理；显示器[8]用来显示温度值，声光报警装置[9]用来产生声光报警信号，存储器[10]用来存数据。

2.根据权利要求1所述的基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统，其特征在于：所述的核心控制模块[2]采用TI公司的TMS320C5509DSP数字处理芯片。

3.根据权利要求1所述的基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统，其特征在于：所述的无源声表面波传感器[1]包括叉脂换能器[11]、压电基底[12]、反射栅[13]和天线接口[14]，反射栅[13]和叉脂换能器[11]均位于压电基底[12]上，反射栅[13]位于叉脂换能器[11]的两侧，叉脂换能器[11]上设置天线接口[14]。

4.根据权利要求1所述的基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统，其特征在于：所述无线射频发射模块电路[3]包括芯片PT4450[U1]、第一晶振[Y1]、第一电容[C1]、第二电容[C2]、第三电容[C3]、第四电容[C4]、第五电容[C5]、第六电容[C6]、第一电阻[R1]、第二电阻[R2]、第三电阻[R3]、第一电感[L1]、第二电感[L2]；所述PT4450[U1]的6脚OSCIN通过第一晶振[Y1]与PT4450[U1]的1脚OSCOUT相连，该引脚还通过第一电容[C1]接地；PT4450[U1]的5脚VDD通过第二电容[C2]接地，该引脚还与电源VCC相连，PT4450[U1]的4脚DIN通过第一电阻[R1]接地，该引脚还通过第二电阻[R2]与核心控制模块的DSP芯片TMS320C5509的引脚DATAIN相连，PT4450[U1]的2脚VSS接地，PT4450[U1]的3脚PAOUT与第三电容[C3]一端相连，第三电容[C3]另一端与第二电感[L2]一端相连，第二电感[L2]另一端与天线相连，该电感另一端还通过第六电容[C6]接地，该电容还通过第四电容[C4]接地，PT4450[U1]的3脚PAOUT还与第一电感[L1]一端相连，第一电感[L1]另一端通过第五电感[C5]接地，该电感另一端还通过第三电阻[R3]与电源VCC相连；经过加密的数据进入PT4450[U1]的6脚DIN；当DIN引脚为高电平时触发电路，单触发电路打开功率放大器和震荡器，高频振荡信号输出给功率放大器，从PAOUT引脚输出，经天线匹配网络发射出去，当DIN脚为低电平时，功率放大器关闭，但保持振荡，当DIN引脚输入一组脉冲信号时，芯片内部会产生高频信号，经内部功率放大器进行功率放大，从PPT4450[U1]的3脚PAOUT输出一组射频脉冲信号，经射频开关[5]把射频信号从装置天线[6]发射出去。

5.根据权利要求1所述的基于无源无线声表面波传感器的在线测温系统，其特征在于：无线射频接收模块电路[4]包括芯片MAX1473[U5]、第二晶振[Y3]、第七电容[C13]、第八电容[C19]、第九电容[C20]、第十电容[C21]、第十一电容[C22]、第十二电容[C23]、第十三电容[C24]、第十四电容[C25]、第十五电容[C26]、第十六电容[C27]、第十七电容[C28]、第十八电容[C29]、第十九电容[C30]、第四电阻[R7]、第五电阻[R8]、第六电阻[R9]、第三电感[L5]、第四电感[L6]、第四电感[L7]；芯片MAX1473[U5]的1脚XTAL1通过第七电容[C13]与第二晶振[Y3]一端相连，该晶振另一端通过第十一电容[C22]与芯片MAX1473[U5]的28脚XTAL2相连，芯片MAX1473[U5]的2脚AVDD、7脚AVDD、11脚IRSEL、14脚DVDD与电源VCC3相连，并通过第十二电容[C23]接地，这些引脚还通过第十三电容[C24]接地；芯片MAX1473[U5]的3脚通过第四电感[L6]与第十四电容[C25]一端相连，该电容另一端与天线相连；芯片MAX1473[U5]的4脚LNASRC通过第三电感[L5]接地，芯片MAX1473[U5]的5脚AGND、10脚AGND、13脚DGND都接地，芯片MAX1473[U5]的6脚LNAOUT通过第十五电容[C26]与芯片MAX1473[U5]的8脚MIXIN1相连，该引脚与第四电感[L7]和第十八电容[C29]的一端相连，第四电感[L7]和第十八电容[C29]的另一端与电源VCC3相连，同时还通过第十九电容[C30]接地，芯片MAX1473[U5]的9脚MIXIN2与第十六电容[C27]一端相连，第十六电容[C27]另一端与电源VCC3相连，该电容另一端还通过第十九电容[C30]接地，MAX1473[U5]的15脚AC、16脚XTALSEL、18脚IFIN2、26脚PDOUT悬空，MAX1473[U5]的17脚IFIN1通过第十七电容[C28]接地，MAX1473[U5]的19脚DF0通过第四电阻[R7]与第九电容[C20]一端相连，第九电容[C20]另一端接地，MAX1473[U5]的20脚DSN通过第九电容[C20]接地，MAX1473[U5]的21脚OPP通过第八电容[C19]接地，MAX1473[U5]的22脚DFFB通过第十电容[C21]与第四电阻[R7]相连，MAX1473[U5]的23脚DSP通过第五电阻[R8]与第四电阻[R7]相连，MAX1473[U5]的24脚VDD与电源VCC5相连，MAX1473[U5]的25脚通过第六电阻[R9]与第五电阻[R8]相连，该引脚还与DSP芯片TMS320C5509的引脚DATAOUT相连，MAX1473[U5]的27脚与DSP芯片TMS320C5509的引脚POWRDN相连；当无源声表面波传感器[1]返回的射频信号由装置天线[6]接收后，通过射频天关[5]送给MAX1473[U5]芯片处理，经过MAX1473[U5]的LNA、滤波器及MAX1473[U5]内部集成混频器处理后从MAXOUT引脚输出基带信号，由微处理器芯片TMS320C5509处理后得到电力设备温度值。