專利名稱：用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種溫度傳感系統(tǒng)。
背景技術：
在各大中城市地埋電纜的鋪設越來越多。地埋電纜可以提高用電的安全性，并可 以減少因架空布置給城市上空帶來的線路“污染”。然而地埋電纜由于施工的因素，一旦出 現(xiàn)故障，維修起來是非常麻煩和費力的。因此，對地埋電纜的在線監(jiān)控，防范故障于未然顯 得十分必要。在各種地埋電纜中，熱效應是各種故障和異?，F(xiàn)象的重要原因，特別是電纜節(jié)點 處，電阻大，壓接頭可能松動等，長期運行可能造成電纜頭過熱、燒穿絕緣等不良狀況。因 此，對地埋電纜節(jié)點處的溫度實時在線監(jiān)控顯得十分必要。而地下空間小，不方便更換測量 儀器，埋地深等特點為在線的溫度監(jiān)測帶來極大不便。目前的測溫技術方案主要有熱電偶、分布式光纖測溫、光纖光柵和無線測溫等。 由于地下電纜外層有厚大的絕緣層和保護層，用熱電偶方式無法透過絕緣層直接接觸電纜 測量溫度。采用分布式光纖測溫技術因為解調(diào)比較復雜，目前價格非常昂貴。并且因為要求 光纖應被置于盡可能的靠近電纜的纜芯的位置來更精確地測量電纜的實際溫度。而將光纖 作為電纜的一部分，在加工電纜時就預埋進去的方法將會使得光纖不得不經(jīng)受一些高壓電 纜的制造程序中可能包括的高溫擠壓和各種各樣的彎曲操作，這種方法會大大提高電纜的 制造加工成本。目前，國外一些生產(chǎn)廠家所使用的加工方法是，將一根具有良好柔韌性的空 管子裝在電纜內(nèi)部或者是在電纜安裝好后固定在電纜表面，然后把光纖吹入空管子中。按 照這種方法，光纖的安裝不會受到任何由于電纜加工或者安裝造成的彎曲變形的影響。很 顯然這種表貼式光纖方法對于直埋動力電纜來說，實際上并不能準確地反映電纜負載和溫 度的變化。分布式光纖測溫的優(yōu)點是可以長距離地測量電纜沿線每個點的溫度變化，但是 對于任何一段均勻的電纜來說，如果電阻率相同，每段電纜沿線的溫度梯度應該是由它兩 個端點的溫度決定的。因此電纜節(jié)點處的溫度測量才是最重要的。適合點狀測溫的方法有 光纖光柵和無線測溫方式，其中光纖光柵仍然有無法透過絕緣層的困難，無線測溫方案可 以穿透厚大的絕緣層和保護層，因此更有實用價值?，F(xiàn)有的無線測溫方案中，有紅外測溫、采用電池或者小CT取能的測溫芯片等。紅 外測溫雖然屬于無線測溫方案，但埋地電纜有很厚的絕緣層，紅外線透過能力有限，并且安 裝設備復雜，價格昂貴，也無法實現(xiàn)實時監(jiān)控。采用電池或者小CT去能的測溫芯片，可以將 測溫信號通過射頻芯片無線發(fā)出，但是考慮到這種芯片屬于有源方案，傳感頭需要電池供 電或者小CT取能供電。前者需要定時的更換電池，而對于深埋地下的電纜來說，更換電池 的操作異常復雜和不便；采用小CT取能則存在接頭電流較大時，容易燒壞小CT直至燒壞傳 感頭，地埋電纜的電流值，高峰時可以高到數(shù)千安培，故采用小CT取能方式，在地埋電纜上 缺乏可行性。
實用新型內(nèi)容本實用新型針對上述現(xiàn)有技術的不足，設計了一種無源式無線溫度傳感系統(tǒng)，該 溫度傳感系統(tǒng)采用聲表面波溫度傳感技術，克服了傳統(tǒng)無線溫度傳感器存在的需要供電、 供電困難，結構復雜，安裝不便，等問題。本實用新型采用如下的技術方案一種用于地埋電纜的無線溫度傳感系統(tǒng)，包括一個或多個信號讀寫器，一個信號 讀寫器至少對應一個位于電纜節(jié)點處的聲表面波溫度傳感器，所述聲表面波溫度傳感器為 無源被動型，與內(nèi)置天線相連，所述信號讀寫器包括微處理器，與微處理器分別相連的射頻 信號發(fā)射模塊、射頻接收模塊以及通信模塊，其中，微處理器通過射頻信號發(fā)射模塊向聲表 面波溫度傳感器發(fā)出射頻信號，聲表面波溫度傳感器的叉指換能器通過逆壓電效應將接收 到的射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁暠砻嫘盘?，此聲表面信號在壓電晶體表面形成諧振，再將聲信號轉(zhuǎn) 變成載有溫度信息的射頻信號經(jīng)由與其相連的天線發(fā)射出去；微處理器通過射頻接收模塊 接收從聲表面波溫度傳感器發(fā)射出去的載有溫度信息的射頻信號，射頻接受模塊對接收到 的載有溫度信息的射頻信號處理成溫度數(shù)字信號并送入微處理器，由微處理器對聲表面波 溫度傳感器獲取的溫度數(shù)字信號處理、成幀后通過有線通信、無線通信或光纖通信方式傳 送到監(jiān)控主機。作為優(yōu)選實施方式，聲表面波溫度傳感器包括壓電晶體以及設置在壓電晶體上的 至少一個叉指換能器；信號讀寫器包括射頻發(fā)射模塊、射頻接收模塊，兩個模塊分別通過射 頻屏蔽電纜與封裝在地埋電纜管道外層的接收天線相連；與聲表面波溫度傳感器的叉指換 能器相連的內(nèi)置天線設置在電纜節(jié)點附近的絕緣層表面，在聲表面波溫度傳感器外包覆有 厚絕緣層。信號讀寫器可以置于地面上，也可以置于地埋電纜溝內(nèi)，通過包括單模光纖和直 流電源線的特種光電綜合纜，實現(xiàn)對信號讀寫器供電以及時分復用控制信號和各節(jié)點溫度 信號的雙向傳輸。每一套聲表面波溫度傳感系統(tǒng)還包括一個監(jiān)控主機，所述的監(jiān)控主機通過光纖通 信與各個地面上的信號讀寫器相連，各個信號讀寫器以時分復用的方式輪流工作，并將收 集到的溫度數(shù)字信號傳輸給監(jiān)控主機。當距離間隔不超過0.5m時，安裝在電纜接頭處不同位置的聲表面波溫度傳感器 可以共享一根接收天線，聯(lián)結到同一個信號讀寫器；用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系 統(tǒng)容納1 100個信號讀寫器。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點1.純無源傳感頭，免替換，免維護，長期可靠性高(> 20年)；2.體積小，測溫探頭可直接安裝在電纜節(jié)點處，再被絕緣層封裝；3.成本低；4.采用頻分復用或時分復用方式支持多點探測；5.信號讀寫器置于地面或電纜溝安裝于地面時，通過射頻屏蔽電纜與地埋接收 天線相連通信，利用電池對信號讀寫器供電，安裝于電纜溝時，采用單模光纖和供電電纜混 合的特種光電綜合纜，實現(xiàn)信號讀寫器供電、時分復用控制信號和各節(jié)點溫度信號的雙向 傳輸，即信號讀寫器供電方便；[0019]6.信號讀寫裝置可對應多個探測點，即插即用，便于擴大規(guī)模和系統(tǒng)升級；7.信號讀寫器將溫度信號處理成數(shù)字信號發(fā)出，采用光纖傳輸，實現(xiàn)長距離傳感， 抗電磁干擾，可靠性高；8.后臺控制器采用時分復用方式可同時在線監(jiān)測多路數(shù)據(jù)，根據(jù)控制者要求隨時 查看任意節(jié)點處的溫度情況。提高了頻率的利用率，整個系統(tǒng)的無線功率低，避免了信號沖撞。


附圖1為本實用新型的無線無源傳感頭叉指換能器示意圖； 附圖2為本實用新型的裝置安裝示意圖； 附圖3為本實用新型的讀寫裝置工作示意圖； 附圖4為本實用新型信號讀寫器置于地面的系統(tǒng)構架圖； 附圖5為本實用新型信號讀寫器置于電纜溝時的系統(tǒng)構架圖, 附圖標注說明如下
1電纜 4內(nèi)置天線 7接收天線 10信號讀寫器 13直流電源線
2電纜節(jié)點連接裝置 5絕緣層
8天線數(shù)據(jù)輸出接口 11監(jiān)控主機 14光電綜合纜
3聲表面波溫度傳感器 6厚絕緣封裝層 9射頻屏蔽電纜 12光纖
具體實施方式
聲表面波技術是上世紀七、八十年代才逐漸成熟起來的一門新興科學技術領域， 它是聲學和電子學相結合的一門邊緣學科。聲表面波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。在 具有壓電性的晶體上由于存在壓電性，在電聲之間存在耦合。壓電晶體本身是換能介質(zhì)，在 傳播聲表面波的壓電晶體表面可以制作電聲換能器，使電能和聲能互相轉(zhuǎn)換。聲表面波器件是在壓電基片上制作一個或多個聲_電換能器——叉指換能器。圖 1中叉指換能器能有效地產(chǎn)生和接收聲表面波。這種換能器是在一個精確取向和拋光的壓 電晶體表面上沉積兩組互相交錯分布的、梳狀的金屬條帶111 (叉指)，每組叉指跟一個稱 之為匯流條110的金屬條相連接。通過匯流條110把電信號加在這兩組叉指上，就會產(chǎn)生以 一對叉指間隔為周期的電場分布。通過電聲耦合，即產(chǎn)生一個彈性應變的分布。它激發(fā)固體 質(zhì)點的振動，并以伴有電場分布的彈性波形式在壓電基底介質(zhì)中沿表面?zhèn)鞑コ鋈?。聲表?波測溫的工作原理如圖1所示，當壓電晶體基片上的換能器通過逆壓電效應將輸入的無線 信號轉(zhuǎn)變成聲信號后，被左右兩個周期性柵條反射形成諧振。該諧振器的諧振頻率與基片 的溫度有關，而且諧振頻率的改變隨溫度的改變在一定溫度范圍內(nèi)呈非常線性的關系。當 同一個換能器通過壓電效應將聲信號轉(zhuǎn)變成無線應答信號輸出后，我們就可以通過測量頻 率變化得到溫度值。本實用新型地埋電纜節(jié)點測溫系統(tǒng)所采用的聲表面波溫度傳感器3為無源被動 型，可以長時間(大于20年)在地下穩(wěn)定工作，免替換、免維護，包括壓電晶體、設置在壓電 晶體上的叉指換能器，叉指換能器與內(nèi)置天線4相連，具體安裝如圖2所示，將聲表面波溫
5度傳感器3置于電纜連接節(jié)點處，與叉指換能器相連的內(nèi)置天線4纏繞在電纜節(jié)點附近的 絕緣層5表面，在電纜節(jié)點處用厚絕緣層6將電纜節(jié)點、聲表面波溫度傳感器3以及與叉指 換能器相連的內(nèi)置天線4封裝起來。接收天線7置于厚絕緣層6外層，與厚絕緣層6內(nèi)面 的天線進行無線通信，獲取射頻信號，接收天線7通過射頻屏蔽電纜9將射頻信號送往地面 上的信號讀寫器10，信號讀寫器10接收射頻信號并對頻率信號進行處理，得到溫度信號， 然后通過數(shù)據(jù)輸出接口將溫度信號傳輸出去。本實用新型可有多組信號讀寫裝置，信號讀寫器10既可安裝在地面，也可安裝在 電纜溝里。每組信號讀寫裝置至少對應一個無線無源溫度探頭，即聲表面波溫度傳感器3， 裝置內(nèi)部包括微處理器、射頻發(fā)射模塊、射頻接收模塊與通信模塊。參見圖3，所述射頻發(fā) 射模塊、射頻接收模塊、通信模塊與微處理器相連接。射頻發(fā)射模塊發(fā)射射頻信號給所述無 線無源溫度探頭，無線無源溫度探頭將帶有溫度信息的射頻信號反饋給所述信號讀寫裝置 的射頻接收模塊。所述射頻接收模塊包括一個信號放大器、濾波器和A/D變換單元。所述 信號放大器將反饋回來帶有溫度信息的射頻信號放大，所述濾波器對放大后的信號進行濾 波處理，濾掉噪聲，再傳給所述A/D變換單元進行模數(shù)變換，然后將數(shù)字信號傳遞給微處理 器，微處理器對數(shù)字信號進行重采樣、濾波、打包，發(fā)送給所述通信模塊，傳送至后臺監(jiān)控主 機11。信號讀寫器10能夠同時發(fā)射射頻信號和接受射頻信號，它的射頻發(fā)射模塊、射頻 接收模塊通過射頻屏蔽電纜9與封裝在地埋電纜管道外層的接收天線7相連。信號讀寫器10既可放置在地面，也可埋地放置。當信號讀寫器10放置于地面時， 用電池供電即可長時間工作，電池更換方便。當信號讀寫器10放置于地埋電纜溝里時，采 用包括了單模光纖和直流電源線13的特種光電綜合纜14，實現(xiàn)信號讀寫器10供電、時分復 用控制信號和各節(jié)點溫度信號的雙向傳輸，免除信號讀寫器10的電源更換問題。每一套聲表面波無線溫度傳感系統(tǒng)還包括一個上位監(jiān)控主機11，所述的上位監(jiān)控 主機11通過光纖通信與各個地面上的信號讀寫器10相連，各個信號讀寫器10以時分復用 的方式輪流工作，并將收集到的溫度數(shù)字信號傳輸給上位監(jiān)控主機11。信號讀寫器10能夠同時對應多個聲表面波溫度傳感器3，當距離間隔不超過0. 5m 時，安裝在電纜接頭處不同位置的聲表面波溫度傳感器3可以共享一根接收天線7，聯(lián)結到 同一個信號讀寫器10，因此每個信號讀寫器10可以容納多個聲表面波溫度傳感器3，一個 用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)可以容納1 100個信號讀寫器10。整個用于地埋 電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)可以同時在線監(jiān)測幾百、上千個地下電纜節(jié)點的溫度。
權利要求一種用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，包括一個或多個信號讀寫器，一個信號讀寫器至少對應一個位于電纜節(jié)點處的聲表面波溫度傳感器，其特征在于，所述聲表面波溫度傳感器為無源被動型，與內(nèi)置天線相連，所述信號讀寫器包括微處理器，與微處理器分別相連的射頻信號發(fā)射模塊、射頻接收模塊以及通信模塊，其中，微處理器通過射頻信號發(fā)射模塊向聲表面波溫度傳感器發(fā)出射頻信號，聲表面波溫度傳感器的叉指換能器通過逆壓電效應將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁暠砻嫘盘枺寺暠砻嫘盘栐趬弘娋w表面形成諧振，再將聲信號轉(zhuǎn)變成載有溫度信息的射頻信號經(jīng)由與其相連的天線發(fā)射出去；微處理器通過射頻接收模塊接收從聲表面波溫度傳感器發(fā)射出去的載有溫度信息的射頻信號，射頻接受模塊對接收到的載有溫度信息的射頻信號處理成溫度數(shù)字信號并送入微處理器，由微處理器對聲表面波溫度傳感器獲取的溫度數(shù)字信號處理、成幀后通過有線通信、無線通信或光纖通信方式傳送到監(jiān)控主機。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 的聲表面波溫度傳感器包括壓電晶體以及設置在壓電晶體上的至少一個叉指換能器。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 的信號讀寫器包括射頻發(fā)射模塊、射頻接收模塊，兩個模塊分別通過射頻屏蔽電纜與封裝 在地埋電纜管道外層的接收天線相連；與聲表面波溫度傳感器的叉指換能器相連的內(nèi)置天 線設置在電纜節(jié)點附近的絕緣層表面，在聲表面波溫度傳感器外包覆有厚絕緣層。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 信號讀寫器被置于地面上。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 信號讀寫器置于地埋電纜溝內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，每一 套聲表面波溫度傳感系統(tǒng)還包括一個監(jiān)控主機，所述的監(jiān)控主機通過光纖通信與各個地面 上的信號讀寫器相連，各個信號讀寫器以時分復用的方式輪流工作，并將收集到的溫度數(shù) 字信號傳輸給監(jiān)控主機。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，安裝 在電纜接頭處不同位置的聲表面波溫度傳感器，若相互之間距離間隔不超過0. 5m，則通過 同一根接收天線與同一個信號讀寫器相連。
8.根據(jù)權利要求1所述的用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 的用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)容納1 100個信號讀寫器。
專利摘要本實用新型屬于溫度測量技術領域，涉及一種用于地埋電纜的聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，包括一個或多個信號讀寫器，一個信號讀寫器包括至少一個位于電纜節(jié)點處的聲表面波溫度傳感器，所述聲表面波溫度傳感器為無源被動型，與內(nèi)置天線相連，所述信號讀寫器包括微處理器，與微處理器分別相連的射頻信號發(fā)射模塊、射頻接收模塊以及通信模塊，微處理器通過射頻信號發(fā)射模塊向聲表面波溫度傳感器發(fā)出射頻信號，聲表面波溫度傳感器的叉指換能器通過逆壓電效應將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁暠砻嫘盘?，射頻接受模塊對接收到的載有溫度信息的射頻信號處理成溫度數(shù)字信號并送入微處理器。本實用新型能實時在線監(jiān)測多個(巡檢)地埋電纜節(jié)點溫度，具有方便、快捷、低成本的優(yōu)點。
文檔編號G01K7/32GK201757684SQ20092031241
公開日2011年3月9日 申請日期2009年10月14日 優(yōu)先權日2009年10月14日
發(fā)明者劉 文, 周雪峰, 范林濤, 譚冰, 龔貽文 申請人:武漢烽火富華電氣有限責任公司