什么是压电声表面波（SAW）传感器？看完就懂了

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。

声表面波温度传感器在电力系统状态监测中的应用

在当前国内智能电网的快速建设中，不同类型的传感器被用于对电网的状态监测。由于电力设备本身高电压、大电流、强磁场的环境中，恶劣的现场环境为状态监测带来极大困难。声表面波技术的应用让所述问题迎刃而解。声表面波传感器凭借体积小、无源、抗干扰能力强、适合远距离传输等特性，在复杂的电力系统状态监控中的应用具有巨大的优势和广阔的前景。

声表面波（SAW）技术起始于是60年代末期， 是声学、电子学、光学、半导体材料和工艺相结合的一门学科。我国对于声表面波技术的研究是从1970年前后开始，经过近四十年的研究和发展，已形成了从理论研究、材料开发到器件设计及制作、系统应用的完整体系。

声表面波传感器是近十几来年发展起来的新型传感器，其可以被开发成为测量机械应变、压力、气体、微小位移、以及温度等参数的传感器，用途广泛。另一方面声表面波传感器体积小、重量轻，抗干扰能力强，检测范围线性度好，同时具有良好的热性能和机械性，能适合远距离传输和实现遥测遥控。这些特性使得SAW传感器在复杂的电力系统状态监控中的应用前景广阔。

在电力系统中，发电厂的转子定子、变电站的高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关、电容器、电抗器、高压电缆、变压器等重要设备的异常、故障，最初都伴随着局部或整体的过热或温度分布相对异常，一旦出现故障，就会影响整个区域的电力供应，造成巨大的经济损失，成为重大的安全事故，所以对电力设备的温度在线监控显得十分必要。

目前，现有针对电力设备温度监测的技术方案主要有：红外热成像技术、有源无线测温、分布式光纤测温、无源无线测温等。使用红外热成像技术测温要求技术人员定期对电力设备逐个扫描巡检，定时周期长加上热像仪分辨率、环境条件变化、人员技术水平及对设备结构了解程度等因素的影响，较难准确分析判断，无法在线实时监控，使得难以发现和消除可能存在的隐患。

若采用有源无线测温方案，使用电池或是CT取能给测温芯片供电，传感距离非常远，可采用各种电路，控制和处理方便、灵活，方便分配设备ID便于实现传感器阵列，但是其在恶劣环境下的稳定性尚待验证。

同时，对于某些场合，如电容器组来说，面对电容器难以取能供电，传感位置电池不易更换的情况，这种有源无线传感方案显然不实用。分布式光纤测温的电网状态监控中有一定的应用，但在高电压，大电流、高湿度等恶劣的条件下存在严重的安全隐患，如粉尘、水雾在光纤线表面的积聚会使光纤的绝缘性降低，容易引发事故。同时光纤分布式光纤测温系统价格昂贵，设备复杂，使其实用性大大降低。

SAW温度传感器在电力设备的状态监控中优势明显。在电力系统中，电力设备出现发热的原因可能如下：

随着SAW传感器的开发应用，针对发电厂的转子定子、变电站的高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关、电容器、电抗器、高压电缆、变压器等电力设备的温度监控需求，SAW传感器在电力系统中的应用已全面展开：

一．大型火力、水力、核能发电设备

图1 电厂设备和发电机定子转子

大型火力、水力、核能发电设备的发电机组的长期、稳定、安全运行，离不开现场对系统的温度实时在线监测。图1所示发电设备中大部分设备处于高温、高湿、强电磁干扰等恶劣工作环境下，另一些设备如电机转子处于高速旋转的状态，对这些电力设备的监控，光纤传感或有源无线方案就显得力不从心，高湿度的环境使的绝缘光纤的绝缘性能大大降低，给发电设备带来了巨大的潜在风险，有源方案在高湿的环境下电池或取能CT将无法使用。

而声表面波传感器传感头无需供电，具有纯无源特性。高温、高湿、强电磁对于无电子线路结构的SAW传感器无任何影响。同时SAW芯片体积非常小，即使在高速旋转的电机转子上也安装方便。所以SAW传感器非常适合在大型火力、水力、核能发电设备中的应用。

二．高压输电线路

图2 架空高压线路

图2中架空高压输电线路输电过程中，线路的垂度关系到它运行的稳定性和安全性，线路垂度影响输电线路线运行温度，对线路温度的测量能很好监控输电线路状态。为了测量架空输电线路的导线温度，可以在架空高压铁塔的接头导线上安装温度传感器。

由于架空输电线路周围区域的高电应力和强磁场，普通传感器无法满足要求，利用无源声表面波温度传感器，安装点上导线的温度就可以被实时获取。并且数据可以通过无线网络上传至监控中心。通过实时监控获得导线运行温度，监测和分析输电网，监测输电线路状态，这对优化线路性能，保障电力供应方面起着至关重要的作用。

三．变电站电容器，电抗器组

图3 电力电抗器和电容器

变电站处于输电线路和用户设备之间，关系到电能质量和电网的稳定性，作用十分关键。在变电站里安装有大量的电力电容器、电抗器组，实物参考见图3。电力电容器是一种无功补偿装置。电力系统的负荷和供电设备如电动机、变压器、互感器等，除了消耗有功功率以外，还要“吸收”无功功率。如果这些无功电力都由发电机供给，必将影响它的有功输出，不但不经济，而且会造成电压质量低劣，影响用户使用。变电站的电容器能有效的无功补偿，改善电能质量。电容器工作过程中，温度对电容器的运行影响很大。

有试验表明，当温度升高10℃，电容器的电容量下降速度将加快一倍，电容器长期处于高场强和高温下运行将引起绝缘介质老化和介质损耗角的增大，使电容器内部温升超过允许值而发热，缩短电容器的使用寿命，严重时在高电场强度作用下导致电容器热击穿而损坏。针对电容器的状态监控，先前多数技术侧重于对电容器内的绝缘油在过热、放电作用下产生的故障特征气体的成分、含量等进行在线监测来监测电容器的性能。随着技术的进步，这种监测手段显得不够简洁，设备安装复杂，使用不够灵活。需要更先进的技术替代。

电抗器是用来吸收电缆线路的充电容性无功的。可以通过调整电抗器的数量和级联方式来调整运行电压、改善电能质量。电抗器在运行过程中,往往会因为一些外部环境、自身结构等原因，导致电抗器在运行过程中会产生局部温升过高、过热,并最终导致电抗器的局部烧坏,甚至报废。所以对电抗器温度的监控十分重要。目前针对电容器和电抗器的温度监测已经有多种技术手段，它们大多有或多或少的局限性。新型的SAW温度传感器在电容器、电抗器状态监控的应用中，优点突出。

无源的特点使探头几乎不受外界环境的影响，无线式温度信息读取方式使得工程应用摆脱了走线的苦恼。多个测温无源探头可以安装在任何需要监控的测温点，多点组合监控设备的温度变化。使得用户能实时迅速监测电容器和电抗器的状态变化，尽快的发现问题，排除故障，保证电网的可靠运作。

四．电力开关柜和断路器

图4 断路器触头和电力开关柜

高压开关设备母线室内空间狭小，母排、母排支架之间排列紧密，且高压条件下电气安全距离要求极其严格。

针对图4所示空间狭小的开关柜和断路器的温度监控，性能较高的常用测温方式包括光纤测温、有源无线电子式测温和红外测温，光纤传感测温不易或无法安装，工程实现难度大，甚至可能因为有线的连接方式而无法满足电气安全距离要求，给系统带来安全隐患。对于有源无线电子式测温最大的安全风险在于构成测温的电子线路无法经受接头处的高电压大电流或是放电冲击，可靠性和安全性尚待验证。

对于开关柜内设备和断路器，它们位于电气设备内部，位置复杂，红外测温巡检难以操作。与前面的测温方式相比，这些缺点正是声表面波无源无线测温的长处。目前声表面波无源无线测温系统已经有成熟的方案，一个完整的电力开关柜SAW无源无线温度监控系统由传感头、采集器与无线中继、后台监控系统三部分组成。

前端的传感头由小体积的无源的SAW传感器组成，可以方便安装在被测点上，准确的跟踪发热点的温度变化，并以无线方式将数据传到采集器上，采集器将收集来温度信号重新打包，发送至后台监控系统，实现对高压带电体的运行温度的非接触温度测量和实时监控。系统可运用于单个变电站中从后台实时监测该变电站所有监测点的温度变化；也可运用在多个变电站中，由后台监控所有被监控变电站中监测点的温度变化。下图为烽火富华电气有限公司完整的SAW无源无线温度监控系统方案图。

图5 SAW无源无线温度监控系统和SAW传感器

上文列举了声表面波温度传感器在电力设备状态中的典型应用。其还可以应用于变压器、绕组、压力释放阀等的状态监测中。根据应用需求，基于声表面波技术的加速度、压力、振动、位移、化学气体的传感器也可以被开发出来用于电力设备的状态监控。

总结

伴随物联网和智能电网的建设，传感器技术得到了迅速的发展。面对电网智能化要求，各种新型传感器被用来监控电力设备的状态，以声表面波技术发展起来新型的传感器，可以灵活被用来检测温度、压力、位移、加速度、化学气体等。凭借其自身优点必将在物联网和智能电网的建设中得到大规模的应用。

（本文选编自《电气技术》，作者为陈金、覃奇 等。）

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