基于DSP的声表面波温度测量系统设计

邵明强

(浙江浙能嘉兴发电有限公司，浙江 嘉兴 314201)

高压开关柜的温度监测一直是电力工业安全运行的重大课题之一，随着智能电网技术与微电子技术的发展，新型测量传感技术目前成为研究热点.现在已经应用于高压开关柜测温且相对成熟的技术有红外测温、光纤测温、光纤光栅测温等.文献[1]提出了一种基于红外传感并结合GIS开关柜结构特点的在线监测方法.文献[2]设计了一种利用气体传递过温信号的中高压开关柜过温监测系统.文献[3]针对光纤绝缘可靠且传输信号不受电磁场影响的特点介绍了光纤温度监测技术及其应用.文献[4]介绍了光纤布喇格光栅测量原理，并对其在开关柜、电缆等电力系统设备中的应用进行了论述.

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)测温是近年来新兴的一项测温技术.SAW波速会随外界环境因素的变化而发生改变，SAW传感器正是利用了SAW的这种特性，将波速的变化量转换成射频信号频率的偏移量，通过天线传递信号，是一种被动式的感应器件，无需额外供电.因此，与之前的有源无线传感器相比，其没有复杂的布线，不用更换电池，不受磁电干扰影响.本文针对SAW温度传感器的特点，设计了基于数字信号处理器(Digtial Signal Processor，DSP)的 SAW 温度测量系统，并采用了具有低通特性的滑动平均数字滤波算法来提高测量精度.

1 系统工作原理与硬件设计

1.1 SAW温度传感器工作原理

SAW传感器由压电基片、声反射栅、叉指换能器(IDT)及天线构成，如图1所示.[5]

图1 SAW传感器结构

SAW波速v会受外界诸多因素的影响，其变化量公式如下:

式(1)表明，当外界温度t，质量m，压力P，弹性系数c，介电常数σ，电导率ε等变化时，都会引起v的变化.笔者选用对温度敏感的复合型压电材料，使温度成为影响波速的主导因素，其他影响因素则可忽略.IDT可以将SAW波速的变化转换成谐振频率的变化，转换关系式为:

因此，温度的变化量最终转换为谐振频率的偏移量，两者的关系如图2所示.[6]

温度与频率的函数关系为:

式中:T0——初始温度;

T——待测温度;

f0——温度为T0时的初始谐振频率;

f——温度变化后返回的谐振频率;

a0——一阶系数.

综上可知，温度与谐振频率呈良好的线性关系，SAW的这一特性使其应用于测温时能达到较高的精度.

图2 SAW传感器频率-温度曲线

1.2 系统结构设计

整个测温系统硬件部分由温度测量模块、数据处理模块和输入输出模块3部分组成.温度测量模块包括信号采集电路和SAW温度传感器.数据处理模块包括 TMS320F2812芯片、SPI和SCI外设.输入输出模块包括I/O接口、TFT液晶屏和薄膜按键.DSP与温度采集器通过RS232连接，DSP与PC机通过RS485连接，温度采集器与SAW传感器则通过天线发射电磁波进行通讯.系统框图如图3所示.

图3 测温系统原理示意

SAW温度采集模块的具体结构如图4所示.

图4 SAW温度采集模块结构

通过可调本振和固定本振混频，得到一个射频信号，该信号经过带通滤波和功率放大后，由天线发射给SAW传感器，等待传感器返回脉冲信号后，由天线接收，经射频放大，接着与固定本振混频，得到一个低频信号，再经过低通滤波和A/D转换后，通过RS232将数据送入DSP进行处理.

2 软件设计

2.1 SAW测温程序设计

DSP芯片能够实时快速地实现各种数字信号处理算法，并且拥有丰富的外设接口，已广泛应用于工业控制领域.本系统选用 F2812芯片，在CCSv3.3编程平台上进行程序的开发工作.程序的开发流程如图5所示.

图5 程序设计流程

首先，系统初始化，包括系统函数、PIE控制寄存器、PIE中断向量表、GPIO口和外设的初始化.然后，使能三级中断，并查询按键是否按下.当检测到按键被按下时，开启CPU定时器和T1周期中断，输入周期T后，程序就会每隔T秒调用一次测温函数和采样函数.测得的数据经过运算和处理后通过TFT显示函数显示在液晶屏首页，温度曲线显示在第2和第3页.当检测到上位机有指令发来时，立即进入 RS485中断函数，发送数据给上位机.

本程序的3个中断函数的优先级为CPU定时器0中断＞T1周期中断＞RS485中断函数，程序在运行时，如果同时检测到多个中断，先执行优先级高的，如果在运行低优先级的中断时有高优先级的中断进来，则执行完本次中断后再执行高优先级的中断.

2.2 滤波算法研究与设计

为了对被测点温度进行高精度的测量，必须消除被测信号中的噪声和干扰，该部分的研究主要是通过软件设计对数据进行适当的处理，从而屏蔽掉噪声和干扰信号，获得较高精度的数据，常用的软件滤波方法有限幅滤波法、中位值滤波法、算数平均值滤波法、递推平均滤波法、一阶滞后滤波法、消抖滤波法.文献[7]比较分析了以上几种方法的优缺点，给出了数字滤波算法的选择原则.文献[8]通过对常见数字滤波方法的频域和时域分析对比，提出了一种结合可变限幅滤波法和一阶低通滤波法的改进方法.

综合以上对软件滤波方法的分析，结合SAW测温系统干扰信号的特点，即A/D采集的信号一般含有小幅度高频A/D量化噪声，容易降低数据曲线的平滑度，所以在本系统中采用具有低通特性的滑动平均数字滤波器来解决上述问题.

滑动平均滤波原理是把M个采集数据看成一个队列，队列的长度固定为M，每次新采样结果就会被放入队尾，并且去掉队首的一个旧数据，最后把队列中的M个数据求和取平均值，其结果就为最终的滤波结果.滤波算法的数学模型描述如下:

M——滤波滑动平均的点数;

Xm－i——未经过滤波的第m －i次采样值.

综合考虑DSP逻辑资源、A/D采样频率等因素，将滤波滑动平均点数定为8.

为了验证算法是否有效，在实验室进行测温实验，设置烘箱温度为20～70℃，设置 SAW 传感器测量周期为1 min，对每个设定温度持续测温30 min，记录实验数据如表1和表2所示.

由表1与表2可知，直接测量的绝对误差值为0.825，加入滤波算法后，绝对误差值为0.247.表明此滤波算法可以提高SAW温度测量的精度，将测量误差范围控制在±0.5℃内.

表1 SAW传感器的实测值与标准值 ℃

表2 加入滤波算法后SAW传感器的实测值与标准值 ℃

3 现场试验

本系统在某变电站35 kV高压开关柜内进行现场试验.首先，安装传感器，将6个传感器探头分别固定在进线和出线的A相，B相，C相母排触头处，将测量天线置于距离传感器1.5 m处，将显示器安装在高压开关柜内，整个安装过程不到半小时，可见SAW传感器的安装十分方便灵活.然后，设置系统参数，测量周期为1 min，最高报警温度为75℃，最大温度变化为2℃，设置校验温度为当前室温(排除环境温度对测量值的影响).系统连续运行24 h，记录数据如表3所示.

分析表3可知，0时至6时，用电负荷小，母线电流小，而且气温低，所以测得3相触点的温度低.6时以后，负荷开始增加，同时气温回升.9时至15时，温度保持稳定.晚上6时，用电负荷再次增加，至晚上9时，达到一天的最大温度点，之后触点测量温度缓慢下降.

试验结果表明，该系统运行良好，能同时检测到3相母排触点的实时温度.当一个周期内测量到的温度之差大于设定的最大温度变化值时能及时预警，当超过最高设定温度时也能及时报警.

表3 开关柜24 h的温度测量值 ℃

4 结论

(1)针对高压开关柜强电磁场与高电压的特点，比较了目前应用较多的几种测温技术.

(2)采用新颖的SAW无线无源温度传感器，设计了基于DSP的温度测量系统，并使用具有低通特性的滑动平均数字滤波算法将传感器的测量误差控制在±0.5℃内.

(3)通过现场试验，证明该系统安装方便，运行稳定，具有极强的扩展性，对高压开关柜的在线监测和实现智能变电站具有一定的借鉴意义.

[1]丛浩熹，李庆民，齐波，等.基于红外传感的GIS隔离开关触头温度在线监测技术研究[J].电力自动化设备，2014(3):144-148.

[2]杨志淳，乐健，靳超，等.基于气体传感器技术的中高压开关柜过温监测系统[J].电力自动化设备，2011(4):116-119.

[3]邬钢，李进.光纤在开关柜触头温度监测中的应用[J].高电压技术，2006(2):122.

[4]李成榕，马国明.光纤布喇格光栅传感器应用于电气设备监测的研究进展[J].中国电机工程学报，2013(12):114-122.

[5]龚贻文.声表面波温度传感器及其通信天线的研究[D].武汉:华中科技大学，2012.

[6]JACQUELINE H Hines，LELAND P Solie. Coded wireless temperature sensors with design specified sensitivity[J]. Solar Enery，2010，24(4):18-19.

[7]王颖，金志军.常用数字滤波算法[J].中国计量，2012(3):99-100.

[8]吕文祥，张金柱，杨跃，等.可变限幅滤波方法的参数分析与改进[J].清华大学学报:自然科学版，2012(8):1 106-1 111.