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1、(10)申请公布号 CN 103868621 A (43)申请公布日 2014.06.18 CN 103868621 A (21)申请号 201410073819.0 (22)申请日 2014.03.03 G01K 11/22(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 胡岳 韩韬 江秀臣 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 电力设备远距离无源无线温度监测系统及方 法 (57) 摘要 本发明提供了一种电力设备远距离无源无线 温度监测方法， 包括步骤 ： 步骤。
2、 1 ： 阅读器通过宽 带天线发射查询信号至声表面波传感器 ； 步骤 2 ： 声表面波传感器通过单叉指换能器根据查询信号 的触发接收 OFC 信号并转化为声表面波信号 ； 步 骤 3 ： 令声表面波信号经过频率正交反射栅码片 组反射并经过单向叉指换能器形成回波信号 ； 步 骤4 ： 阅读器通过宽带天线接收回波信号。 本发明 基于正交频率和码分复用编码相结合的远距离、 多点连接和抗干扰的声表面波无线传感器方法， 解决了码分复用编码的无源传感器系统的 “远近 效应” ， 能够满足智能电网对电力设备温度无线监 测的要求。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 2 页 (1。
3、9)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103868621 A CN 103868621 A 1/2 页 2 1. 一种电力设备远距离无源无线温度监测方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 步骤 1 ： 阅读器通过宽带天线发射查询信号至声表面波传感器 ； 其中， 所述声表面波传 感器， 包括 ： 单向叉指换能器、 频率正交反射栅码片组 ； 步骤 2 ： 声表面波传感器通过单叉指换能器根据查询信号的触发接收正交频率编码信 号并转化为声表面波信号 ； 步骤 3 ： 令声表面波信号经过频率正交反射栅码片组反射并经过单向叉。
4、指换能器形成 回波信号 ； 步骤 4 ： 阅读器通过宽带天线接收回波信号。 2. 根据权利要求 1 所述的电力设备远距离无源无线温度监测方法， 其特征在于， 所述 频率正交反射栅码片组， 包括 ： n 个依次排列的码片 ； 所述 n 个码片构成一种传感器编码 ； 不同的声表面波传感器所含频率正交反射栅码片 组构成的传感器编码各不相同 ； 每个码片由一种中心频率一定的反射栅电极组成， 形成对一个正交子频率的反射 ； 所述多个码片之间形成的子频率相互正交 ； 每个码片反射信号的时域长度保持一致， 满足正交条件。 3. 根据权利要求 2 所述的电力设备远距离无源无线温度监测方法， 其特征在于， 在每。
5、 一个频率正交反射栅码片组中， 相邻的码片之间均设置一个相等的固定时延 D作为保护 填充， 以在时域空间对不同频率信号的叠加与相互影响形成隔断， 抑制各子频率间的干扰。 4. 根据权利要求 2 所述的电力设备远距离无源无线温度监测方法， 其特征在于， 在多 个声表面波传感器构成的声表面波传感器阵列中， 每个传感器编码对应的首个码片所形成 的子频率各不相同， 而后面 n-1 个码片形成的子频率的排列采用随机码、 基于载波干扰比 最大的预编码、 或者 Turbo 码编码。 5.根据权利要求1或4所述的电力设备远距离无源无线温度监测方法， 其特征在于， 还 包括如下步骤 ： 步骤 5 ： 阅读器对回。
6、波信号进行下线性调频 ； 步骤 6 ： 阅读器根据经下线性调频后的回波信号进行温度监测 ； 相应地， 在步骤 1 中， 所述查询信号为上线性调频查询信号。 6. 根据权利要求 5 所述的电力设备远距离无源无线温度监测方法， 其特征在于， 所述 步骤 6 包括如下任一个或任多个步骤 ： 步骤 6A ： 依照传感器编码的第一编码信号识别出发送回波信号的声表面波传感器， 其 中， 所述第一编码信号对应首个码片所形成的子频率 ； 步骤 6a ： 根据回波信号获取温度信息， 具体地， 步骤 6a 包括如下步骤 ： 步骤 6a1 ： 依照识别出的声表面波传感器， 自适应生成与该声表面波传感器反射栅频 率自。
7、合匹配信号 g(f- fi),(t-i),si， g(f,t,si) 为自适应匹配滤波函数， fi为频率 偏移， i为时延， si为功率匹配系数的函数， 最佳匹配系数 （ fM,M,sM） 为相关峰最大时 对应的匹配系数值 ； 步 骤 6a2 ： 进 行 温 度 搜 索，计 算 n 个 温 度 中 每 个 温 度 下 的 匹 配 信 号 g(f-fi),(t-i),si,并将匹配信号g(f-fi),(t-i),si与回波信号做相关运算， 得到相关峰值 ； 权 利 要 求 书 CN 103868621 A 2 2/2 页 3 步骤 6a3 ： 所有相关峰值的最大值 （ fM,M,sM） 对应的温。
8、度即为该声表面波传感器对 应的温度信息 ； 步骤 6a4 ： 若第一编码信号有多个传感器信号， 则按照上述步骤 6a1、 6a2、 6a3 依次获取 温度信息。 7. 根据权利要求 2 所述的电力设备远距离无源无线温度监测方法， 其特征在于， 所述 声表面波传感器为通过如下步骤优化后的传感器 ： - 通过格林函数结合有限元工具， 优化 SAW 传感器换能器和反射栅结构， 降低插入损 耗， 具体为 ： 根据铌酸锂基片上不同取向、 换能器和开路、 短路、 浮动指条式反射栅在基频及 二次谐频下 ： 指条数、 金属化厚度、 金属化率及浮动指条拓扑加权、 位置加权与反射、 透射系 数的幅值和相位变化规律。
9、， 计算不同指条数、 金属化厚度、 金属化率等条件下反射栅的反射 系数和透射系数 ； 利用其规律性， 设计出各正交频率分量反射系数相同的 SAW 传感器 ； 利用 Lagrangian 描述下的温度系数， 带入格林函数， 优化出对各正交频率反射特性的温度变化 斜率最低的反射栅拓扑结构， 降低温度对反射率的影响， 保证传感器阅读距离不随着温度 升高而又显著下降。 8. 根据权利要求 1 所述的电力设备远距离无源无线温度监测系统， 其特征在于， 包括 ： 阅读器、 宽带天线、 N 个声表面波传感器 ； 声表面波传感器包括 ： 单向叉指换能器、 频率正交 反射栅码片组 ； 其中， 阅读器、 宽带天线。
10、、 N 个声表面波传感器用于实现权利要求 1 所述的电力设备远 距离无源无线温度监测方法 ； 所述电力设备远距离无源无线温度监测系统， 还包括输电线、 螺钉、 微带天线、 绝缘层、 金属导热部、 隔热部 ； 设置在输电线的金属外壳内的声表面波传感器通过金属导热部连接输电线的线芯， 并 通过隔热部连接输电线的金属外壳 ； 微带天线通过螺钉连接在输电线的金属外壳的外侧， 微带天线与输电线的金属外壳之间设置有绝缘层。 权 利 要 求 书 CN 103868621 A 3 1/8 页 4 电力设备远距离无源无线温度监测系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及电力设备的温度监测领域， 具体地， 涉及电。
11、力设备远距离无源无线温 度监测系统及方法。 背景技术 0002 在电力设备状态监测众多监测量中， 温度是最为关键的检测量之一。通过温度监 测， 可及时准确地了解电力设备的运行状态与故障信息。 监测电力设备的运行温度， 如变压 器的油温， 输电线路 （架空线及电力电缆） 的导体温度可推算其负载极限容量和设备老化程 度， 从而为电力设备动态增容或维修更新提供依据。监测发电机的定转子、 高压开关柜、 母 线接头、 室外刀闸开关、 断路器触头、 电容器、 电抗器、 高压电缆、 变压器等处的温度， 能及时 发现在其出现异常情况或者故障时所伴随的局部或整体的过热或温度分布相对异常， 也可 为故障分析提供历。
12、史资料。 0003 现有针对电力设备温度监测主要有红外测温、 有源无线测温以及分布式光纤测温 等技术方案。红外测温受环境条件因素影响较大， 方案造价也高 ； 有源无线测温方案， 现在 一般采取电池或是电流互感器 （CT） 取电后为测温芯片供电， 传感距离非常远。但在高温、 超低温、 强电磁场等恶劣环境下， 电池和电子元件的寿命都存在问题。采取 CT 取电方式的 有源传感器， 因 CT 取电的线圈有安装位置要求， 在线路故障状态下也无法供电， 其应用同 样具有很大的局限性。光纤测温属于有线测温方式， 测量高电压一次侧的光纤或其护套存 在对地绝缘性问题。同时光纤具有易折， 易断的特性。另外光纤传感。
13、器设备造价较高。 0004 基于声表面波 （surface acoustic wave, 简写为 SAW） 技术的无线温度传感器利 用的是压电材料， 具有纯无源、 无线特性， 无须考虑传感器供电、 高电压绝缘、 设备旋转等问 题 ； 可耐受高温和低温 （-2001000） ； 其不牵涉半导体材料中电子的迁移过程， 寿命长、 抗放电冲击和抗电场、 磁场等干扰能力强 ； 传感器尺寸小 （厘米级） ， 重量轻， 易于结构设计 与安装。由此可见， SAW 无线传感技术为电力设备的温度监测提供了一个具有广阔应用前 景的理想技术平台。 0005 但目前研制的 SAW 无线传感阵列还不能完全满足智能电网和特。
14、高压应用中对温 度监测的需求， 表现出的问题主要包括 ： 0006 问题 1 ： 作用距离不够。以架空线路动态增容的温度监测为例， 若以安装的 SAW 阅读器为球心来考虑， 作用半径至少在 30 米左右。美国 Sengenuity 公司研制的用于开关 柜温度监测的 SAW 无线传感器测温作用距离只在 2 米之内。德国 Brunsbttel,Preussen Elektra 公司和 Darmstadt 工业大学在上世纪 90 年代末研制的用于电力传输线、 半导体氧 化物避雷器以及隔离开关合闸是否到位等应用的 SAW 无线温度测量系统作用距离可达 10 米， 但要在电力设备监测中推广应用， 其作用。
15、距离仍需进一步提高。 0007 问题 2 ： 同时检测的温度点数量不够。在输电线路监测中， 考虑同一杆塔上一回 交流高压输电线路的三相， 如果在塔两侧所接输电线上安装， 考虑多回线路同杆情形及导 线温度模型推算需要所进行的环境温度监测等情况， 传感器的数量则至少在 7 个以上。 说 明 书 CN 103868621 A 4 2/8 页 5 变压器油温、 开关柜温度及其他电力设备的温度监测要求对传感器数量要求相似。美国 Sengenuity 公司研制的用于开关柜温度监测的 SAW 无线传感阵列中传感器数量可达 6 个 （采用 3 个天线， 实施空分复用后可达 18 个） ， 但占据 20MHz 。
16、带宽， 远远超过 433MHz 频段允 许的 1.87MHz 带宽要求。国内华中科技大学、 上海交通大学、 重庆大学以及中科院声学所等 单位研制的电力测温的 SAW 无线传感器也属于该工作方式。 0008 问题 3 ： 传感器抗干扰性能有待提高。随着 “智能电网” 中无线传感器的广泛应用， 传感阵列受突发性、 带内同频干扰影响的可能性大大增加 ； 在 “智能电网” 的各种应用场合 下， 不同场景的频率选择性衰落、 多径效应、 气候环境等影响也各不相同， 可能造成无源传 感器无线链路中断， 回波数据丢失或者由于信噪比很差造成测量野值。这些因素都严重地 影响到传感阵列的可靠性， 可能造成误报警甚至。
17、继电保护误动作。 0009 近年， 有学者提出采用正交频率编码 (OFC) 的 SAW 射频标签传感技术方案。该方 案借鉴了无线通讯中正交频分复用 （OFDM） 的思想， 能有效地克服信道的频率选择性衰落， 有利于提高 SAW 传感器的可靠性。同时， OFC 的 SAW 无线传感器每条反射栅都是窄带的， 基本不反射其他正交频率。相对于反射延迟线型 SAW 传感器， 每条反射栅的反射率不再仅 为 10% 左右 （否则后续反射栅将接收不到查询脉冲能量） ， 而是可以达到 4050%。仅反射栅 反射损耗一项， 采用 OFC 的 SAW 传感器就可降低插损 12-13dB。正交频分编码是一种扩频 编码。
18、， 类似于脉内信息调制雷达， 传感器在解调时， 可以根据每位中包含的码片数量 N， 增加 20log10N 的信噪比， 有利于作用距离的提高。据文献报道， OFC 编码的 SAW 射频标签 （RFID） 阅读距离可达 60 米。但该编码方式用于温度传感器时还存在若干困难需要克服 ： 0010 困难 1 ： 因为要对温度敏感， 故不能像 OFC-RFID 那样选取低温度系数的压电材料 作为基片材料。但由于温度变化， 类似于通讯系统中 OFDM 产生多普勒频移， 原本相互正交 频率的条件被破坏。阅读器解调传感器信息时， 相关峰性能随温度变化范围增大而急剧下 降。文献报道的测温范围只有 55 度。 。
19、0011 困难2 ： OFC本身不具有多址能力。 SAW器件又是纯无源的， 只能被动地反射查询信 号， 而不能主动地控制何时发送或停止发送信息。 阅读器若要同时查询和读取多个OFC-SAW 传感器时， 现有的方案是采用时分复用与 OFC 编码相结合。但由于受限于可应用的无线带 宽和 SAW 基片材料长度， 在 10 毫米长的压电基片上 （已是极限， 再长 SAW 传播损耗和衍射损 耗将大得无法接受） 很难实现 8 种以上的传感器类型。 发明内容 0012 针对现有技术中的缺陷， 本发明的目的是提供一种电力设备远距离无源无线温度 监测系统及方法。 0013 根据本发明提供的电力设备远距离无源无线。
20、温度监测方法， 包括如下步骤 ： 0014 步骤 1 ： 阅读器通过宽带天线发射查询信号至声表面波传感器 ； 其中， 所述声表面 波传感器， 包括 ： 单向叉指换能器、 频率正交反射栅码片组 ； 0015 步骤 2 ： 声表面波传感器通过单叉指换能器根据查询信号的触发接收正交频率编 码信号并转化为声表面波信号 ； 0016 步骤 3 ： 令声表面波信号经过频率正交反射栅码片组反射并经过单向叉指换能器 形成回波信号 ； 说 明 书 CN 103868621 A 5 3/8 页 6 0017 步骤 4 ： 阅读器通过宽带天线接收回波信号。 0018 优选地， 所述频率正交反射栅码片组， 包括 ： 。
21、n 个依次排列的码片 ； 0019 所述 n 个码片构成一种传感器编码 ； 不同的声表面波传感器所含频率正交反射栅 码片组构成的传感器编码各不相同 ； 0020 每个码片由一种中心频率一定的反射栅电极组成， 形成对一个正交子频率的反 射 ； 0021 所述多个码片之间形成的子频率相互正交 ； 0022 每个码片反射信号的时域长度保持一致， 满足正交条件。 0023 优选地， 在每一个频率正交反射栅码片组中， 相邻的码片之间均设置一个相等的 固定时延 D作为保护填充， 以在时域空间对不同频率信号的叠加与相互影响形成隔断， 抑 制各子频率间的干扰。 0024 优选地， 在多个声表面波传感器构成的声。
22、表面波传感器阵列中， 每个传感器编码 对应的首个码片所形成的子频率各不相同， 而后面 n-1 个码片形成的子频率的排列采用随 机码、 基于载波干扰比最大的预编码、 或者 Turbo 码编码。 0025 优选地， 还包括如下步骤 ： 0026 步骤 5 ： 阅读器对回波信号进行下线性调频 ； 0027 步骤 6 ： 阅读器根据经下线性调频后的回波信号进行温度监测 ； 0028 相应地， 在步骤 1 中， 所述查询信号为上线性调频查询信号。 0029 优选地， 所述步骤 6 包括如下任一个或任多个步骤 ： 0030 步骤 6A ： 依照传感器编码的第一编码信号识别出发送回波信号的声表面波传感 器，。
23、 其中， 所述第一编码信号对应首个码片所形成的子频率 ； 0031 步骤 6a ： 根据回波信号获取温度信息， 具体地， 步骤 6a 包括如下步骤 ： 0032 步骤 6a1 ： 依照识别出的声表面波传感器， 自适应生成与该声表面波传感器反射 栅频率自合匹配信号 g(f- fi),(t-i),si， g(f,t,si) 为自适应匹配滤波函数， fi为 频率偏移， i为时延， si为功率匹配系数的函数， 最佳匹配系数 （ fM,M,sM） 为相关峰最 大时对应的匹配系数值 ； 0033 步 骤 6a2 ： 进 行 温 度 搜 索，计 算 n 个 温 度 中 每 个 温 度 下 的 匹 配 信 号。
24、 g(f-fi),(t-i),si,并将匹配信号g(f-fi),(t-i),si与回波信号做相关运算， 得到相关峰值 ； 0034 步骤 6a3 ： 所有相关峰值的最大值 （ fM,M,sM） 对应的温度即为该声表面波传感 器对应的温度信息 ； 0035 步骤 6a4 ： 若第一编码信号有多个传感器信号， 则按照上述步骤 6a1、 6a2、 6a3 依次 获取温度信息。 0036 优选地， 所述声表面波传感器为通过如下步骤优化后的传感器 ： 0037 - 通过格林函数结合有限元工具， 优化 SAW 传感器换能器和反射栅结构， 降低插入 损耗， 具体为 ： 根据铌酸锂基片上不同取向、 换能器和开。
25、路、 短路、 浮动指条式反射栅在基频 及二次谐频下 ： 指条数、 金属化厚度、 金属化率及浮动指条拓扑加权、 位置加权与反射、 透射 系数的幅值和相位变化规律， 计算不同指条数、 金属化厚度、 金属化率等条件下反射栅的反 射系数和透射系数 ； 利用其规律性， 设计出各正交频率分量反射系数相同的 SAW 传感器 ； 利 说 明 书 CN 103868621 A 6 4/8 页 7 用 Lagrangian 描述下的温度系数， 带入格林函数， 优化出对各正交频率反射特性的温度变 化斜率最低的反射栅拓扑结构， 降低温度对反射率的影响， 保证传感器阅读距离不随着温 度升高而又显著下降。 0038 优选。
26、地， 包括 ： 阅读器、 宽带天线、 N 个声表面波传感器 ； 声表面波传感器包括 ： 单 向叉指换能器、 频率正交反射栅码片组 ； 0039 其中， 阅读器、 宽带天线、 N 个声表面波传感器用于实现权利要求 1 所述的电力设 备远距离无源无线温度监测方法。 0040 优选地， 还包括输电线、 螺钉、 微带天线、 绝缘层、 金属导热部、 隔热部 ； 0041 设置在输电线的金属外壳内的声表面波传感器通过金属导热部连接输电线的线 芯， 并通过隔热部连接输电线的金属外壳 ； 微带天线通过螺钉连接在输电线的金属外壳的 外侧， 微带天线与输电线的金属外壳之间设置有绝缘层。 0042 与现有技术相比，。
27、 本发明具有如下的有益效果 ： 0043 本发明提出基于正交频率和码分复用编码相结合的远距离、 多点连接和抗干扰的 声表面波无线传感器方法， 是创新之处， 因为该技术路线可以借助于正交频率技术， 较好地 解决码分复用编码的无源传感器系统的 “远近效应” ， 能够同时阅读多个无源 SAW 传感器作 用距离最远的系统， 满足智能电网对电力设备温度无线监测的要求。在具体的技术路线方 面， 有两处研究特色。 其一是针对正交频率编码受温度影响后会产生不正交的问题， 本发明 提出了在反射栅之间增加该保护填充可保证 SAW 传感器上各码片之间对各个子频率信号 的反射不会形成相互干扰， 即便是各码片受温度的影。
28、响， 反射频率发生偏移， 该段时隙也能 在时域空间对不同频率信号的叠加与相互影响形成隔断， 抑制各子频率间的干扰。其二是 在利用声表面波器件的反射栅表示正交频率编码时， 本发明利用广义格林函数结合有限元 理论， 精确分析稀疏电极组成的反射栅的 Rayleigh 波在基频及谐频下的反射、 透射和散射 等物理问题， 解决了国际上利用傅立叶变换方法中计算速度慢、 体波散射计算精度低等缺 点。 附图说明 0044 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显 ： 0045 图 1 为基于 OFC 声表面波传感器的电力设备温度监测方案整体框架 ； 0。
29、046 图 2 为多传感器码分复用编码的时 - 频特性 ； 0047 图 3 为基于码分多址的自适应匹配滤波示意图 ； 0048 图 4 为面向输电线路温度监测传感器结构。 0049 图中 ： 0050 101 为对口螺栓 ； 0051 102 为输电线的线芯 ； 0052 103 为螺钉 ； 0053 104 为微带天线 ； 0054 105 为声表面波传感器 ； 0055 106 为输电线的金属外壳。 说 明 书 CN 103868621 A 7 5/8 页 8 具体实施方式 0056 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明， 但不以。
30、任何形式限制本发明。 应当指出的是， 对本领域的普通技术 人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本发明 的保护范围。 0057 本发明提供了一种码分多址 （CDMA） 与 OFC 编码相结合的 SAW（无源无线） 传感器 技术。码分多址是解决移动通讯中多址访问的好方法。但无源 SAW 传感器不能像通信设备 那样主动地进行功率均衡， 即当多个传感器与阅读器存在 “远近效应” 时， 回波幅度相差很 大， 无法通过相关运算分离出各个传感器的信息， 因此单独采用 CDMA 编码的 SAW 传感阵列 并不实用。但若将正交频率编码与 CDMA 相结合， 则可以首先。
31、通过估计各个正交频率的频谱 大小， 实现功率均衡， 然后可以实现多传感器信息逐个分离解出。由于这种方式的 SAW 传 感器的所有反射回波信号允许在时间域相互重合， 但在时 - 频二维空间可以很好的分离， 此外， 设计出的传感器回波信号又可以实现码分复用的相关处理增益， 可以很轻易地实现 8 种以上不同传感器。 0058 正交频率与 CDMA 相结合编码的 SAW 传感器在进行测温时可以采用不同于目前 OFC-SAW温度传感器的解调方法。 一方面， 可以精确计算SAW反射栅对各正交频率反射特性 随温度变化关系， 从中优化出对各正交频率反射特性对温度变化斜率最低的反射栅拓扑结 构， 降低温度对反射。
32、率的影响， 保证传感器阅读距离不随着温度升高而又显著下降 ； 另一方 面， 可以采用一种根据测量温度自适应搜索、 匹配滤波的解调方法， 在获得匹配输出的同时 也获得了被测温度值。 0059 为解决 “智能电网” 电力设备， 特别是特高压电力设备对温度监测的需求， 本发明 提出基于正交频率编码与码分多址相结合的声表面波无源无线传感方法， 以实现远距离、 多点连接测量以及高可靠性的温度监测。 0060 下面对本发明系统的整体框架进行说明。 0061 如图 1 所示， 在所构建电力设备温度监测模型空间中， 包括 ： 阅读器、 宽带天线、 多 个声表面波传感器。 其中， 声表面波传感器包括 ： 单向叉。
33、指换能器、 频率正交反射栅码片组 ； 声表面波传感器 1N 任意分布 （根据电力设备监测实际需求， N 取值在 8 至 10 之间可满足 要求） 。 0062 温度监测信号处理流程如下 ： 0063 步骤 1 ： 阅读器通过宽带天线发射上线性调频 （upchirp） 查询信号， 上线性调频查 询信号在强电磁干扰信道 A 中传播至声表面波传感器 ； 0064 步骤 2 ： 声表面波传感器通过单向叉指换能器根据上线性调频查询信号接收 OFC 信号并转化为声表面波信号 ； 0065 步骤 3 ： 令声表面波信号经过频率正交反射栅码片组反射并经过单向叉指换能器 形成回波信号 ； 0066 步骤 4 ：。
34、 回波信号在强电磁干扰信道 A 中传播至阅读器， 阅读器通过宽带天线接收 回波信号并进行下线性调频 （downchirp） ； 0067 步骤 5 ： 阅读器对经下线性调频后的回波信号进行解调等信号处理过程， 进行多 说 明 书 CN 103868621 A 8 6/8 页 9 传感器识别与温度信息提取。 0068 其中， 上下线性调频可以增加 2050 左右的处理增益， 有利于提高声表面波传感 器作用距离。 0069 下面对 OFC 结合 CDMA 编码的技术路线进行说明。 0070 如图 1 右下角所示， 声表面波传感器含有 f0f78 个码片并构成一种编码， 其中， 码 片是指码片。 其。
35、中每个码片又由中心频率固定的电极组成， 形成对一个正交子频率的反射 ； 多个之间形成的子频率相互正交。应根据正交频率编码理论设计出每个码片中电极的数 量， 以确保每个码片反射信号的时域长度保持一致 （在时间响应上对应图 1 中的时延 C） ， 满足正交条件。各码片的排列顺序不同， 形成其他编码。例如 ： 图 1 中 f6、 f4、 f0、 f7、 f1、 f2、 f5、 f3的排列顺序构成一种编码 ； 若按 f4、 f7、 f6、 f0、 f1、 f2、 f3、 f5的排列顺序则构成另外一种 传感器。根据正交编码理论， 当器件响应进行自相关运算时， 可以有很高的相关峰 （理论上 具有N位正交频。
36、率编码的声表面波传感器， 通过压缩脉冲的方式处理回波信号， 可以形成N2 倍处理增益， 结合上、 下线性调频的处理增益 50， 因此可以在发射功率和接收灵敏度相同情 况下， 大大提高传感器无线作用距离） 。而两种不同编码的器件进行互相关运算时， 却有很 低的互相关峰。本发明研究仿真挑选那些两两互相关峰很低的编码组成一个传感器阵列， 即使这些传感器同时响应阅读器的查询信号， 回波在时域上都混叠在一起， 仍可通过码分 复用方法进行区分。 0071 在图 1 中还可看到 ： 各码片之间增加了一个相等的固定时延 D（保护填充） 。增 加该保护填充可保证 SAW 传感器上各码片之间对各个子频率信号的反射。
37、不会形成相互干 扰， 即便是各码片受温度的影响， 反射频率发生偏移， 该段时隙也能在时域空间对不同频率 信号的叠加与相互影响形成隔断， 抑制各子频率间的干扰。 0072 下面对多传感器检测识别、 频偏估计及基于自适应匹配滤波的温度检测进行说 明。 0073 为了实现多个声表面波传感器的识别， 在复杂电磁环境中提高编码的识别率， 对 于在回波信号处理中采取相关运算提高信号处理增益与身份识别方法而言， 需要降低各编 码信号之间的互相关性， 就需要优化对应各子频率码片的空间排序。可能的排列方法可借 鉴随机码、 基于载波干扰比最大的预编码或者 Turbo 码编码均可降低码间干扰， 保证信号 处理增益的。
38、提高。上述方法也是码分复用的多址访问原理。但在多传感器与阅读器之间距 离不等的情况下， 各传感器回波信号的功率及噪声水平不等， 只有消除阅读器与传感器之 间的 “远近效应” ， 才能在多传感器时域响应彼此混叠情况下， 有效分离出各传感器的响应。 0074 本发明使声表面波传感器阵列中的每个传感器编码的首个码片子频率不同， 而后 面n-1个频率的排列采用随机码、 基于载波干扰比最大的预编码或者Turbo码编码。 在解决 传感器基片上码间干扰时所增加的时隙同样对传感器识别起作用。如果时延 D大于调制 信号及其经过传感器响应之后的回波信号在信道中的传播时间之和， 如半径为 30 米的球 域空间， 该。
39、时延小于 200ns， 则该时延可保证阅读器在接收多传感器回波信号时， 任意传感 器回波的第二编码信号在时域空间内不会进入第一编码信号时间间隙。如图 3 所示， f(t) 为所有传感器时域响应信号的叠加， g(f- fi),(t-i),si 为自适应匹配滤波函数， 为 频率偏移， 时延， 功率匹配系数的函数， 最佳匹配系数 （ fM,M,sM） 为相关峰最大时对应的 匹配系数值。在解调后的回波信号第一段 （c+D） 时隙中， 所含不同频率成分的信号对应 说 明 书 CN 103868621 A 9 7/8 页 10 不同传感器。这样依照第一编码的信号即可初步识别混叠信号中含有几个传感器信息、 。
40、以 及这几个传感器的编码。本发明根据各回波信号功率谱的评估， 对不同编码传感器进行功 率均衡。 此时每个子频率频偏的大小精度不高， 不能用于温度检测， 但可以极大地缩小后续 匹配滤波过程的温度搜索范围， 提高搜索效率。 0075 然后可以按照图 3 所示的方法， 逐次进行自适应匹配滤波， 当生成某一特定编码 的匹配信号 g(f,s,t) 与时域混叠的多传感器信号 f(t) 的自相关运算相关峰达到最大值 时， 即可确定出该编码传感器对应的温度值。然后再更换阵列回波信号中存在的另外一个 编码重新按图3进行搜索。 需要说明的是， 生成的匹配信号g(f,s,t)看似为一个二维信号， 但其中的两个自变量。
41、都只是温度的函数， 根据搜索的温度， 即可确定出各自的值。 因此整个 搜素速度是可以保证的。 0076 下面对传感器的优化响应进行说明。 0077 为保证正交频率编码在 SAW 传感器上的低损耗表征， 本发明重点研究叉指换能器 频响特性， 换能效率和反射栅的反射特性与频响特性， 并对其参数进行优化设计。 因正交频 率编码的反射栅金属化厚度相同， 但反射栅周期数、 反射电极根数相差很大， 可以根据铌酸 锂基片上不同取向、 换能器和开路、 短路、 浮动指条式反射栅在基频及二次谐频下 ： 指条数、 金属化厚度、 金属化率及浮动指条拓扑加权、 位置加权与反射、 透射系数的幅值和相位变化 规律， 计算不。
42、同指条数、 金属化厚度、 金属化率等条件下反射栅的反射系数和透射系数。得 到其规律性， 以确保设计出各正交频率分量反射系数相同的 SAW 传感器。利用 Lagrangian 描述下的温度系数， 带入格林函数， 优化出对各正交频率反射特性的温度变化斜率最低的 反射栅拓扑结构， 降低温度对反射率的影响， 保证传感器阅读距离不随着温度升高而又显 著下降。 0078 在传感器结构方面， 应综合考虑传感器安装、 传感器精度与动态性以及消除安装 应力、 阅读器晶振温漂等干扰因素等问题。图 4 是本发明采取的面向输电线路温度检测传 感器结构。如图 4 所示传感器安装的位置， 可通过金属与线芯很好接触， 同时。
43、通过隔热绝缘 材料与外壳金属隔开， 保证温度能很好地跟随芯线温度的变化， 同时又不会因为外壳金属 的散热影响测量的精度。微带天线与外壳板之间用绝缘材料隔开， 通过螺钉固定。利用有 限元软件等工具优化传感器结构尺寸和封装的热容量与导热结构。提高传感器动态性指 标。传感器的封装和引线是影响传感器稳定性的重要因素， 由于 SAW 对质量加载非常敏感， 灰尘、 油渍、 潮湿等因素可能会使传感器完全失效。如何通过合理封装既保证基片表面与 外界完全隔离， 又保证在传感器安装后被测量能高效加载到基片上， 达到机械上牢固， 抗振 动， 抗冲击， 同时避免热应力和封装寄生效应对敏感元件和高频表面波的影响， 是表。
44、面波传 感器封装时必须要考虑和解决的问题。 0079 在天线设计方面， 采用微带线天线形式。采用全波仿真软件 Ansoft HFSS 进行建 模， 仿真计算天线的反射系数、 增益、 方向图和阻抗曲线等参数。馈电系统的正确设计对于 提高天线辐射， 接收效率是十分重要的。声表面波器件本身的阻抗与发射天线的阻抗可通 过微带馈线网络结构来实现匹配。 根据天线的阻抗特性曲线， 设计微带巴伦馈线， 使天线在 设计频带内阻抗渐变至50。 天线的频带根据电力设备监控现场电磁干扰信号的特性初步 选择在中心频率为 915MHz 的 890MHz-940MHz。 0080 根据本发明实现的实现 8-10 个传感器 。
45、30 米内的无干扰同步阅读， 温度检测范 说 明 书 CN 103868621 A 10 8/8 页 11 围 -50 +150， 检测误差 1以内。其中的 915MHz 无线 SAW 传感器的作用距离已可达 5 米。通过降低传感器反射损耗 12-13dB， 上下线性调频带来处理增益 50 乘以码分复用解 调处理增益 64， 两项共折合 30dB， 因此， 将传感器的作用距离提高到 30 米能够得以实现。 0081 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是， 本发明并不局限于上述 特定实施方式， 本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影 响本发明的实质内容。 说 明 书 CN 103868621 A 11 1/2 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103868621 A 12 2/2 页 13 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103868621 A 13 。