声表面波温度传感器:声学所设计出新型声表面波温度传感器件

2021/11/11 23:45 · 传感器知识资讯 ·  · 声表面波温度传感器:声学所设计出新型声表面波温度传感器件已关闭评论
摘要:

声表面波温度传感器:声学所设计出新型声表面波温度传感器件高温环境引起的热辐射损耗会导致传感器器件有较大的声波衰减,因此在这种环境下工作的传感器应具有足够大的品质因数(Q)且损耗较低。传统的有线有源传感器不能用于高温环

声表面波温度传感器:声学所设计出新型声表面波温度传感器件  第1张

声表面波温度传感器:声学所设计出新型声表面波温度传感器

  高温环境引起的热辐射损耗会导致传感器器件有较大的声波衰减,因此在这种环境下工作的传感器应具有足够大的品质因数(Q)且损耗较低。传统的有线有源传感器不能用于高温环境下的温度测量,而基于声表面波(surface acoustic wave,SAW)的无线无源温度传感器为此提供了良好的解决方案。
  中国科学院声学研究所超声技术中心博士生李学玲及其导师王文等,采用短脉冲法提取精确的反射系数,并用典型的耦合模 (coupling of modes,COM)模型,对LGS/Pt结构声表面波温度传感器件进行优化设计,仿真和试验证明该器件具有良好的高温传感性能。相关研究成果在线发表在Sensors上。
  研究人员基于不同Pt膜厚与波长比的LGS/Pt器件的结构开展实验研究。科研人员采用最小二乘法对实验数据进行拟合,得出反射系数计算公式,利用有限元方法提取Pt/LGS的其他COM参数,通过典型的COM模型对Pt/LGS结构的单端口谐振器进行模拟,并确定了具有较大Q值的最佳设计参数。
  研究人员利用光刻技术研制400MHz单端口声表面波谐振器,用网络分析仪对其测量得到较高的Q值,测量结果与模拟结果吻合良好。在50~650℃的温度范围里,测试所制备的传感器件的高温特性,测试结果显示其具有良好的稳定性和线性TCF( ~25 ppm/°C.),证明该器件具有较好的高温传感性能。
  研究表明,声表面波高温传感技术可用于极端高温环境下的高灵敏度温度监测和预警。
  研究工作得到国家自然科学基金联合重点基金项目等的资助。
  图1.用于提取反射系数的声表面波装置的结构(上)和反射系数测量实验装置(下)(图/中科院声学所)
  图2.反射系数测量与高温传感器响应(图/中科院声学所)
  

声表面波温度传感器:声表面波传感器产品简介(温度传感器).pdf

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SAW 无源无线温度监测系统
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—智能电网测温的最优解决方案
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SAW 无源无线温度监测系统
系统概述?
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电力系统中,各类设备的开断接触点可能因为松动、老化、电弧冲击等原因造成接触电
阻增大。这会使触点的温度不断上升,给电网安全带来隐患。如果不及时发现,容易引起起
火爆炸、大面积停电、人员伤亡等灾难事故,直接和间接经济损失巨大。因此,对电力设备
的温度进行在线监测并及时排除隐患,越来越得到行业的认可和重视。?
传统的红外、光纤和有源无线测温系统在安全性、可靠性、经济性、实时性等方面存在
一定的技术缺陷。WTS‐SG‐1 型无源无线温度监测系统采用了声表面波(SAW )传感技术,
兼有“无源”和“无线”两大特点,具有安全可靠、成本低、实时性好、便于维护等优点,
为电力测温提供了最优解决方案。?
测温原理?
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系统主要由声表面波无线测温探头(传感器)和
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基于雷达原理的温度读取器组成。?其工作过程是:
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读取器发出电磁扫描信号,探头接收到电磁波信号并
由叉指换能器转换成其内部工作的声表面波;声表面
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波再经叉指换能器转换成电磁波信号经由天线返回
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到读取器;声表面波的传播特性与温度有线性特征关
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系,从而使探头返回的回波信号具有温度特征;读取
器提取探头返回的电磁波信号特征,就能获得温度信
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息,从而实现无线且无源的温度监测。?
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技术优势?
? 无线方式不影响高压绝缘,避免有线方式“爬电”的隐患,安全性极高。?
? 可靠性高。传感器完全无源,不带电池,避免了电池高温爆炸和化学泄露等隐患。?
? 安装简单。无源温度传感器体积小,与读取器之间数据无线传输,安装方便灵活,不受
设备结构和空间影响。?
? 测温实时性好。在线测温,可随时监测设备温度变化。?
? 维护方便。传感器完全无源,不需定期更换电池,使用寿命长。安装成功后基本免维护。?
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系统配置?
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●必选
设备? 型号? 功能及适用范围?
○可选
TSAX00XXX? U 型音叉式,螺母固定或粘接。
无线测温传感器? ●?
其它? 可根据用户具体应用环境定制
RS485 串口通信方式,可单独 DC5V 供电,亦
温度读取器? TRAX00XXX? 可温度显示仪输出供电。可通过背面卡槽固 声表面波温度传感器:声学所设计出新型声表面波温度传感器件  第2张

声表面波温度传感器:武汉大学张俊教授:装备健康监测——基于境况的智能预诊与维护

压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料,在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。
压电材料在压电传感器件中的应用多种多样,其核心在于机械能和电能的相互转换:压电材料受机械振动(压电振动传感器)、声波传导(压电声传感器)等机械外力作用时晶格形变,引起极化状态的变化,输出传感电信号,或通过对压电材料受电场作用产生的形变进行测量来反映电场大小(压电电压传感器)。
声波信号可较好地实现与电信号的耦合与相互转换。根据声波激励、传播和耦合方式的不同,压电声传感器可分为压电超声传感器、声表面波传感器、电声脉冲传感器、压力波传感器等。
声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)是一种沿弹性基体表面传播的声波,被广泛应用于压电传感器件。实际制备压电SAW传感器时,通常采用半导体加工工艺在压电基体上沉积叉值换能器(Interdigital Transducer,IDT),如图1所示。当电压加到发射IDT上时,发射IDT发射SAW沿基体表面传播,当温度、压力、气体等物理或化学参量作用到压电SAW传感器表面时,SAW传播速度/频率发生改变,并通过接收IDT测量得到。
图1 压电SAW传感器
压电SAW传感器主要基于延迟线作为其传感单元,因SAW传播速度与温度直接相关,被广泛应用于温度传感场景。
为提高传感器灵敏度,一般选取TCD较高的材料如铌酸锂、钽酸锂、石英晶体等材料。C.E.Weld等采用ST切割石英压电晶体(TCD=32×10-6/℃)作为SAW温度传感器敏感材料,分辨率可达0.22℃。另有研究者基于128°YXLiNbO3材料(TCD=75×10-6/℃)制备压电SAW温度传感器。实际应用时该类传感器受环境质量负载效应影响较大,需采用密封封装。
压电SAW温度传感器在电网中得到了实际应用,有研究者将压电声表面波温度传感器安装于某10kV配电网架空电力线路杆塔刀开关螺栓处,如图2所示,监测输电线路温度变化情况,实测结果显示传感温度数据变化趋势与实际用电情况相符。丁永生等选用(0,126°,0°)及(0,126°,39°)AT切石英构成差动式SAW温度传感器,用于配电变压器油温监测,其在常温段具有较好的线性度,在高温段具有较高的灵敏度,可有效补偿高温对器件性能的影响。
图2 基于压电SAW温度传感器测量电力杆塔温度
压电SAW传感器件也可用于气体传感,其基本原理是传感器表面敏感膜材料对特定待测气体产生吸附,导致声表面波传播速度波动,从而引起振荡频率的变化,完成对待测气体的检测。研究者先后基于YZ-LiNbO3、ST-X石英、128°YXLiNbO3等压电基体,完成对CO2、H2、NO2等气体的检测,有望用于变压器油分解气体检测和电缆脱气检测等领域。此外,压电SAW传感器在压力传感、湿度检测、角速度检测等方面也已展开实际应用。
与传统传感器相比,SAW传感器在检测精度及灵敏度等方面仍存在不足,亟需对器件性能和系统稳定性进行改善,需要从其物理结构、电路设计、器件拓扑、敏感膜选取和制备等方面来改善其精度、检测下限及稳定性。
本文编自2021年第7期《电工技术学报》,论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”,作者为姚睿丰、王妍 等。
举报/反馈声表面波温度传感器:声学所设计出新型声表面波温度传感器件  第3张

声表面波温度传感器:研究人员设计出新型声表面波温度传感器件

  高温环境引起的热辐射损耗会导致传感器器件具有较大的声波衰减,因此在这种环境下工作的传感器应具有足够大的品质因数(Q)且损耗较低。传统的有线有源传感器不能用于高温环境下的温度测量,而基于声表面波(surface acoustic wave,SAW)的无线无源温度传感器为此提供了一种良好的解决方案。
  中科院声学所超声技术中心的博士生李学玲及其导师王文等人采用短脉冲法提取精确的反射系数并用典型的耦合模 (coupling of modes,COM)模型对LGS/Pt结构声表面波温度传感器件进行优化设计,仿真和试验证明该器件具有良好的高温传感性能。
  相关研究成果2020年4月在线发表于国际学术期刊 Sensors 。
  研究人员基于不同Pt膜厚与波长比的LGS/Pt器件的结构开展实验研究。采用最小二乘法对实验数据进行拟合,得出反射系数计算公式,利用有限元方法提取Pt/LGS的其它COM参数,通过典型的COM模型对Pt/LGS结构的单端口谐振器进行模拟,并确定了具有较大Q值的最佳设计参数。
  研究人员利用光刻技术研制了一个400MHz单端口声表面波谐振器,用网络分析仪对其测量得到较高的Q值,测量结果与模拟结果吻合良好。在50~650℃的温度范围里,测试了所制备的传感器件的高温特性,测试结果显示其具有良好的稳定性和线性TCF( ~25 ppm/°C.),证明该器件具有较好的高温传感性能。
  研究结果表明,声表面波高温传感技术可用于极端高温环境下的高灵敏度温度监测和预警。
  本研究得到国家自然科学基金联合重点基金项目(No.U)等资助。
  
  
  图1 用于提取反射系数的声表面波装置的结构(上)和反射系数测量实验装置(下)(图/中科院声学所)
  
  图2 反射系数测量与高温传感器响应(图/中科院声学所)
  关键词:
  声表面波;Pt/LGS;短脉冲方法;高温传感器;COM模型
  参考文献:
  LI Xueling, WANG Wen, FAN Shuyao, YIN Yining, JIA Yana, LANG Yong, LIU Mengwei. Optimization of SAW devices with LGS/Pt structure for sensing temperature. Sensors 2020, 19(2), 310. DOI: 10.3390/s.
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