《电力设备检测与声表面波传感器设计》聚焦于电力设备运维的智能化监测需求，深入探讨了声表面波（SAW）传感器技术在电力设备检测中的应用与设计。书中指出，传统测温、电化学传感器在高电磁干扰、高温振动等复杂环境下存在供电要求高、抗干扰能力弱等问题，而基于SAW技术的无源无线感知技术能够有效解决这些难题，为电力设备的智能运维和智能制造提供了新的技术路径。
《电力设备检测与声表面波传感器设计》从声表面波传感器的原理、发展历程及其在电力系统的应用现状出发，结合电力设备监测的智能化、多参量融合需求，提出了一系列创新性设计与解决方案。作者详细阐述了声表面波传感器的基片结构、工作原理及其在温度、湿度、振动等多参数监测中的应用潜力，并重点探讨了谐振型与延迟线型SAW传感器的结合设计，提出了一种阵列式、交叉译码的多参数测量架构。此外，书中还针对耐高温基材选取、阵列式传感器架构设计及神经网络算法优化等技术难点进行了深入研究，提出了全新的解决方案。
在实际应用方面，《电力设备检测与声表面波传感器设计》结合复合型单基片声表面波传感器的设计，讨论了其在气体绝缘组合电器（GIS）、变压器油中溶解气体组分监测、高温振动监测等电力设备检测领域的应用特点与关键要素。通过标定方法的优化与硬件设计的改进，进一步提升了传感器的稳定性和可靠性。
最后，《电力设备检测与声表面波传感器设计》展望了声表面波无线无源传感器技术在未来的发展方向，提出了设计规格标准化、开源等发展思路，旨在推动该技术的广泛应用与技术迭代。全书理论与实践相结合，为声表面波传感器的设计、电力设备监测及智能电力装备制造领域的研究与实践提供了重要参考。
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第一章 电力设备运维的现状与瓶颈 1
1.1 电力设备运维的现状 1
1.2 声表面波传感器技术用于电力设备 1
1.3 电力设备运维的瓶颈 3
第二章 声表面波传感器原理及其应用 8
2.1 声表面波传感器原理
2.2 谐振型声表面波传感器及其典型用途
2.3 延迟线型声表面波传感器及其典型用途
2.4 声表面波技术的应用 18
第三章 声表面波传感器的设计思路与方法 21
3.1 基于声速感知技术的传感器工艺设计 21
3.2 声表面波传感器多参数测量的技术关键点、难点及解决措施 26
3.3 基于SAW的多参数测量设计 29
3.4 耐高温基材选取 32
3.5 阵列式声表面波架构设计与算法 33
3.6 改进的阵列式SAW架构设计 34
3.7 多组分气体测量的SAW阅读器硬件与算法设计 36
第四章 复合型单基片声表面波传感器设计 41
4.1 材料设计
4.2 结构设计 42
4.3 算法设计 46
第五章 复合型单基片声表面波传感器标定方法 49
5.1 神经网络算法 49
5.2 气体标定 65
第六章 复合型单基片声表面波多参数监测传感器的应用 76
6.1 GIS气体组分监测 76
6.2 高温振动监测 81
6.3 气体标定 85
6.4 电力设备振动及温度监测 89
第七章 总结与展望 99
7.1 声表面波感知技术的研究进展与挑战 99
7.2 总结 100
7.3 展望 101
参考文献 103
1.1 电力设备运维的现状 1
1.2 声表面波传感器技术用于电力设备 1
1.3 电力设备运维的瓶颈 3
第二章 声表面波传感器原理及其应用 8
2.1 声表面波传感器原理
2.2 谐振型声表面波传感器及其典型用途
2.3 延迟线型声表面波传感器及其典型用途
2.4 声表面波技术的应用 18
第三章 声表面波传感器的设计思路与方法 21
3.1 基于声速感知技术的传感器工艺设计 21
3.2 声表面波传感器多参数测量的技术关键点、难点及解决措施 26
3.3 基于SAW的多参数测量设计 29
3.4 耐高温基材选取 32
3.5 阵列式声表面波架构设计与算法 33
3.6 改进的阵列式SAW架构设计 34
3.7 多组分气体测量的SAW阅读器硬件与算法设计 36
第四章 复合型单基片声表面波传感器设计 41
4.1 材料设计
4.2 结构设计 42
4.3 算法设计 46
第五章 复合型单基片声表面波传感器标定方法 49
5.1 神经网络算法 49
5.2 气体标定 65
第六章 复合型单基片声表面波多参数监测传感器的应用 76
6.1 GIS气体组分监测 76
6.2 高温振动监测 81
6.3 气体标定 85
6.4 电力设备振动及温度监测 89
第七章 总结与展望 99
7.1 声表面波感知技术的研究进展与挑战 99
7.2 总结 100
7.3 展望 101
参考文献 103
第一章 电力设备运维的现状与瓶颈
1.1 电力设备运维的现状
伴随着我国经济建设的高速发展，电力系统的发电、输电、变电、配电容量不断增大。目前，我国已建成多座1000kV变电站、500kV以上变电站数千座，各种传感、智控技术得到了飞跃发展。
随着城市化进程的加速推进，新能源技术、智感技术的发展，以及电力交通、人工智能、信息化服务的日趋完善，人们对电能的多样化需求和依赖程度不断增加。在当前形势下，电力设备负荷形态不断变化升级，这导致电力设备的数量与品质都加速更新换代，对电力设备的运维检修工作也提出了更高的要求。然而，在实际情况中，一些供电企业仍然在运用传统技术手段进行电力设备的运维检修与协调管理工作。对于出现故障的电力设备，仍然依靠过往的经验和周期性的少量数据来解决问题。
许多学者都在积极寻求新的技术手段，以改进电力设备的运维方式，适应新时代的发展需求。新技术的应用不仅可以提高电力设备的运行效率、降低故障率，还有助于提前发现和解决问题。通过引入新技术，电力设备的运维检修工作可以更加智能化、高效化，从而确保电力系统的稳定运行和安全供电。
1.2 声表面波传感器技术用于电力设备
在电力设备领域，声表面波传感器技术已广泛应用于开关柜触头、电缆终端头、电缆中间接头的测温，在其他行业（如汽车轮胎胎压监测、结构体的振动监测、高辐射环境的温度监测等）也得到发展和应用。声表面波感知技术的优势在于无线、无源、耐受高温，因此其适应的场景丰富，具有广泛的应用前景。
声表面波传感器的历史大概可追溯到20世纪70年代中期，1975年，首款压力传感器推出后，研究逐步扩展至温度、化学等领域。温度传感器利用延迟线和外围器件实现了温度测试。这种传感器具有数字传感器的概念，以频率偏移为算法基础，但它仍然是一种有源传感器，并未实现无源无线传输。此后经历数年的研究积累，伴随国内外无数科学家的努力创新，将声表面波传感器的测温上限提高到了1100℃的温度，同时也在传感器的应用场景上获得了更丰富的理解和沉淀。
在国内，尽管声表面波（surface acoustic wave，SAW）传感器研究起步较晚，如今却通过多领域的应用展现，在模型、数据、应用环境、功能化集成方面的综合积累上取得了显著进展。2006年，重庆大学的王军峰等实现了一款温度灵敏度为1kHz/℃的谐振型SAW传感器，其工作频率为144.25MHz。2016年，彭斌等提出了一种在TC4压电基底上集成AIN薄膜的SAW传感器，在350℃下，该传感器依然具有很好的频率温度线性度。2019年，有学者研制出了一款能够测量800C高温，且具有良好重复性的SAW传感器，该传感器以LiNbO；作为压电基底，以SiO2作为钝化层，以Pt作为金属电极，在800℃下，多个SAW传感器谐振频率的偏差小于0.03%。2021年，许红升等设计了一种在很宽的温度范围内都具有频率－温度特性的PVLGS传感器，该传感器在整个温度范围内都具有－167x10-6/K的高灵敏度。
纵观国内外的SAW温度传感器研究，在压电衬底和电极材料方面取得了显著进展。然而SAW传感器仍然存在寿命较短、长时间稳定工作能力差、参数不统一等问题。近年来，SAW温度传感器的常用压电衬底主要包括磷酸镓（Ga－PO.）、铌酸锂（LiNbO）、氮化铝（AIN）等材料，这些材料即使在极高温度下也不会发生相变，其物理和化学性质基本保持稳定。然而，它们在高温环境下长时间工作时，仍然存在一些技术挑战。例如，基于磷酸镓的SAW器件在连续工作时，可能会导致压电衬底产生形变，从而影响器件性能，产生误差偏移。基于氮化铝的SAW器件在工作时也存在一些问题，例如：在潮湿环境下，其易与水中的羟基发生反应形成氢氧化铝，导致其热导率下降，并改变其物理化学性质；氮化铝的价格昂贵，成本高；氮化铝粉末的制备需要耗费大量能源，且存在安全隐患，这使得一些高温制备方法难以实现工业化生产；氮化铝制备过程中存在碳化物副产品和氯化氢的处理问题，需要对产物进行纯化，增加了生产成本。这些因素共同导致氮化铝的价格高昂且制备过程复杂，限制了其应用范围。
本书从声表面波传感器的基片结构、工作原理出发，结合电力设备检测在功能、性能指标、应用场景领域的多元化需求，介绍了延迟线型单基片声表面波传感器的工作方法、标定量化方法。在此基础上，提出一种多参量监测的声表面波传感器架构，寻找新的压电衬底和压电材料，解决声表面波传感器不能长时间在高温环境下工作和其成本较高的问题。
1.3 电力设备运维的瓶颈
电力设备可宏观理解为是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费服务的综合系统部件。它将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电力，再经输电、变电和配电将电力供应到各个用户。
在电力系统的每一个环节，承担不同工作性质的电力设备是核心部件，它是输配电网中的心脏、枢纽和通道，在使用年限的增加过程中，在各种环境、外力作用及不规律的负荷需量情况下，设备的各项性能指标逐步衰减。设备从投入运行到最终报废的过程中，其运行状态不仅影响着设备的价值发挥曲线，也影响维护人员的人身安全和运维团队的资源成本。因此，通过有效手段及时了解和掌握电力设备的状态至关重要。
根据不同用途，电力设备可以分为发电机及其辅助设备、输电线路及其配套设施、变电站设备、配电系统化装备等类型。发电机及其辅助设备主要将其他形式的能源转换为电能，输电线路及其配套设施则用于将输送到变电站的高压电能分配到各个用户或不同的变电站，变电站设备是将高压电能通过变压器变成低压电能后供给用户或再次输送的重要设备。
设备产生缺陷或逐步衰老的原因多种多样，具体包括以下几个方面。
（1）电力设备在运行中受到电场、热场机械、有害性刺激性闪络光谱的作用，同时受自然环境因素（如气温、气压、湿度、污染等）的影响，长期工作会导致介质老化、分解、疲劳、磨损，其性能逐渐下降，可靠性逐渐降低。
（2）设备的绝缘材料在高电压、高温度、非稳定电场长期作用下，其成分、结构、均匀性、相变特性会发生变化，介质损耗增大，绝缘性能降低，最终导致薄弱点扩张、绝缘性能破坏；在大气中工作的绝缘子还易受环境污染的影响，表面绝缘性能降低，导致沿面放电、碳积物堆积等故障。
（3）设备中的导电材料在长时间承受高温负载作用下，会发生氧化腐蚀，导致电阻、接触电阻增加，机械强度下降，热损增大，逐渐丧失原有工作性能。
……
1.1 电力设备运维的现状
伴随着我国经济建设的高速发展，电力系统的发电、输电、变电、配电容量不断增大。目前，我国已建成多座1000kV变电站、500kV以上变电站数千座，各种传感、智控技术得到了飞跃发展。
随着城市化进程的加速推进，新能源技术、智感技术的发展，以及电力交通、人工智能、信息化服务的日趋完善，人们对电能的多样化需求和依赖程度不断增加。在当前形势下，电力设备负荷形态不断变化升级，这导致电力设备的数量与品质都加速更新换代，对电力设备的运维检修工作也提出了更高的要求。然而，在实际情况中，一些供电企业仍然在运用传统技术手段进行电力设备的运维检修与协调管理工作。对于出现故障的电力设备，仍然依靠过往的经验和周期性的少量数据来解决问题。
许多学者都在积极寻求新的技术手段，以改进电力设备的运维方式，适应新时代的发展需求。新技术的应用不仅可以提高电力设备的运行效率、降低故障率，还有助于提前发现和解决问题。通过引入新技术，电力设备的运维检修工作可以更加智能化、高效化，从而确保电力系统的稳定运行和安全供电。
1.2 声表面波传感器技术用于电力设备
在电力设备领域，声表面波传感器技术已广泛应用于开关柜触头、电缆终端头、电缆中间接头的测温，在其他行业（如汽车轮胎胎压监测、结构体的振动监测、高辐射环境的温度监测等）也得到发展和应用。声表面波感知技术的优势在于无线、无源、耐受高温，因此其适应的场景丰富，具有广泛的应用前景。
声表面波传感器的历史大概可追溯到20世纪70年代中期，1975年，首款压力传感器推出后，研究逐步扩展至温度、化学等领域。温度传感器利用延迟线和外围器件实现了温度测试。这种传感器具有数字传感器的概念，以频率偏移为算法基础，但它仍然是一种有源传感器，并未实现无源无线传输。此后经历数年的研究积累，伴随国内外无数科学家的努力创新，将声表面波传感器的测温上限提高到了1100℃的温度，同时也在传感器的应用场景上获得了更丰富的理解和沉淀。
在国内，尽管声表面波（surface acoustic wave，SAW）传感器研究起步较晚，如今却通过多领域的应用展现，在模型、数据、应用环境、功能化集成方面的综合积累上取得了显著进展。2006年，重庆大学的王军峰等实现了一款温度灵敏度为1kHz/℃的谐振型SAW传感器，其工作频率为144.25MHz。2016年，彭斌等提出了一种在TC4压电基底上集成AIN薄膜的SAW传感器，在350℃下，该传感器依然具有很好的频率温度线性度。2019年，有学者研制出了一款能够测量800C高温，且具有良好重复性的SAW传感器，该传感器以LiNbO；作为压电基底，以SiO2作为钝化层，以Pt作为金属电极，在800℃下，多个SAW传感器谐振频率的偏差小于0.03%。2021年，许红升等设计了一种在很宽的温度范围内都具有频率－温度特性的PVLGS传感器，该传感器在整个温度范围内都具有－167x10-6/K的高灵敏度。
纵观国内外的SAW温度传感器研究，在压电衬底和电极材料方面取得了显著进展。然而SAW传感器仍然存在寿命较短、长时间稳定工作能力差、参数不统一等问题。近年来，SAW温度传感器的常用压电衬底主要包括磷酸镓（Ga－PO.）、铌酸锂（LiNbO）、氮化铝（AIN）等材料，这些材料即使在极高温度下也不会发生相变，其物理和化学性质基本保持稳定。然而，它们在高温环境下长时间工作时，仍然存在一些技术挑战。例如，基于磷酸镓的SAW器件在连续工作时，可能会导致压电衬底产生形变，从而影响器件性能，产生误差偏移。基于氮化铝的SAW器件在工作时也存在一些问题，例如：在潮湿环境下，其易与水中的羟基发生反应形成氢氧化铝，导致其热导率下降，并改变其物理化学性质；氮化铝的价格昂贵，成本高；氮化铝粉末的制备需要耗费大量能源，且存在安全隐患，这使得一些高温制备方法难以实现工业化生产；氮化铝制备过程中存在碳化物副产品和氯化氢的处理问题，需要对产物进行纯化，增加了生产成本。这些因素共同导致氮化铝的价格高昂且制备过程复杂，限制了其应用范围。
本书从声表面波传感器的基片结构、工作原理出发，结合电力设备检测在功能、性能指标、应用场景领域的多元化需求，介绍了延迟线型单基片声表面波传感器的工作方法、标定量化方法。在此基础上，提出一种多参量监测的声表面波传感器架构，寻找新的压电衬底和压电材料，解决声表面波传感器不能长时间在高温环境下工作和其成本较高的问题。
1.3 电力设备运维的瓶颈
电力设备可宏观理解为是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费服务的综合系统部件。它将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电力，再经输电、变电和配电将电力供应到各个用户。
在电力系统的每一个环节，承担不同工作性质的电力设备是核心部件，它是输配电网中的心脏、枢纽和通道，在使用年限的增加过程中，在各种环境、外力作用及不规律的负荷需量情况下，设备的各项性能指标逐步衰减。设备从投入运行到最终报废的过程中，其运行状态不仅影响着设备的价值发挥曲线，也影响维护人员的人身安全和运维团队的资源成本。因此，通过有效手段及时了解和掌握电力设备的状态至关重要。
根据不同用途，电力设备可以分为发电机及其辅助设备、输电线路及其配套设施、变电站设备、配电系统化装备等类型。发电机及其辅助设备主要将其他形式的能源转换为电能，输电线路及其配套设施则用于将输送到变电站的高压电能分配到各个用户或不同的变电站，变电站设备是将高压电能通过变压器变成低压电能后供给用户或再次输送的重要设备。
设备产生缺陷或逐步衰老的原因多种多样，具体包括以下几个方面。
（1）电力设备在运行中受到电场、热场机械、有害性刺激性闪络光谱的作用，同时受自然环境因素（如气温、气压、湿度、污染等）的影响，长期工作会导致介质老化、分解、疲劳、磨损，其性能逐渐下降，可靠性逐渐降低。
（2）设备的绝缘材料在高电压、高温度、非稳定电场长期作用下，其成分、结构、均匀性、相变特性会发生变化，介质损耗增大，绝缘性能降低，最终导致薄弱点扩张、绝缘性能破坏；在大气中工作的绝缘子还易受环境污染的影响，表面绝缘性能降低，导致沿面放电、碳积物堆积等故障。
（3）设备中的导电材料在长时间承受高温负载作用下，会发生氧化腐蚀，导致电阻、接触电阻增加，机械强度下降，热损增大，逐渐丧失原有工作性能。
……
现有的主流测温、电化学传感器都面临供电要求高、抗电磁干扰能力弱等问题，尤其在运行的气体绝缘类高压电力设备监测领域，面临强电磁脉冲、强振动特殊环境，以及一系列可靠性问题。在此基础上，本书提出了声表面波无源无线高抗干扰感知技术，不仅能够提升电力设备智能运维技术水平，还能够推动电力设备的智能制造技术发展。
本书阐述了声表面波技术的原理和发展历史，探讨了声表面波技术在电力系统的应用现状，并提出了全新的探测方法。书中展望了该技术在未来电力设备中的应用前景。首先，本书结合电力设备运维监测的智能化、多参量融合需求，提出多参量无线无源监测技术以及射频识别技术深入研究了声表面波传感器技术在监测温度、湿度以及振动等多组分参数应用的可能性。其次，本书在压电基材、芯片工艺、架构设计和神经网络算法方面提出了全新的应用方向，并重点提出了谐振型SAW传感器与延迟线结合的设计框架，实现了声表面波单基片结构的阵列式、交叉译码、多参数测量功能。再次，本书结合复合型单基片声表面波传感器的设计，讨论了单基片声表面波传感器技术的优点、标定方法。最后，本书探讨了声表面波无线无源传感器技术在SF。及混合气体绝缘组合电器、变压器油中溶解气体组分监测领域的应用特点、关键要素，以及技术迭代面临的闭源障碍。针对这些问题，本书提出了设计规格标准化、开源等发展思路，旨在推动该技术的发展和应用。
本书将理论与实际相结合，既可作为声表面波传感器的设计、电力设备监测、智能电力装备制造等领域的课题研究、实践教学辅助用书，也可作为科研爱好者的参考用书。由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请读者与行业专家不吝赐教，提出宝贵意见与建议，以进一步完善内容，为相关研究奠定更加坚实的基础。
罗佐胜
2025年4月
本书阐述了声表面波技术的原理和发展历史，探讨了声表面波技术在电力系统的应用现状，并提出了全新的探测方法。书中展望了该技术在未来电力设备中的应用前景。首先，本书结合电力设备运维监测的智能化、多参量融合需求，提出多参量无线无源监测技术以及射频识别技术深入研究了声表面波传感器技术在监测温度、湿度以及振动等多组分参数应用的可能性。其次，本书在压电基材、芯片工艺、架构设计和神经网络算法方面提出了全新的应用方向，并重点提出了谐振型SAW传感器与延迟线结合的设计框架，实现了声表面波单基片结构的阵列式、交叉译码、多参数测量功能。再次，本书结合复合型单基片声表面波传感器的设计，讨论了单基片声表面波传感器技术的优点、标定方法。最后，本书探讨了声表面波无线无源传感器技术在SF。及混合气体绝缘组合电器、变压器油中溶解气体组分监测领域的应用特点、关键要素，以及技术迭代面临的闭源障碍。针对这些问题，本书提出了设计规格标准化、开源等发展思路，旨在推动该技术的发展和应用。
本书将理论与实际相结合，既可作为声表面波传感器的设计、电力设备监测、智能电力装备制造等领域的课题研究、实践教学辅助用书，也可作为科研爱好者的参考用书。由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请读者与行业专家不吝赐教，提出宝贵意见与建议，以进一步完善内容，为相关研究奠定更加坚实的基础。
罗佐胜
2025年4月
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