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局部放电检测:具有两个谐振频率的MEMS光纤超声传感器

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  • 更新日期:2020-07-03 14:22
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详细介绍
本文展示了一种新颖的光纤外在法布里-珀罗干涉(EFPI)超声传感器,该传感器具有两个共振频率,可检测开关设备中的局部放电(PDs)。关键的感应元件由两个5 µm厚度、束支撑的硅膜片组成,膜片彼此的固有频率不同,从而使得传感器能够在两个不同的频率上获得共振响应,以获得更宽的频率响应。

开关设备是电力行业的主要设备,并且在相对恶劣的电磁环境下工作,通常伴随机械振动以及其他化学和物理相互作用,这些相互作用往往会导致绝缘损坏。这是最大的安全风险之一,有可能会导致巨大的经济损失和人员伤亡。好在,如今可以通过同时测量由此产生的局部放电来提前检测风险。

在实践中,有三种主要方法可用于检测开关设备中的局部放电,分别是瞬态接地电压(TEV),超高频(UHF)和超声波方法。具有高灵敏度和可靠性的TEV是无创检查开关设备状况的一项强大技术。但是,由于对电磁干扰(EMI)的抵抗力低,它对操作环境提出了很高的要求,极大地限制了其实际应用。UHF似乎是连续在线监视的一种合适方法,但是它很难确定PD的位置,并且需要很高的成本。超声波方法是一种广泛应用的PD检测方法,其明显优势之一是可以通过超声波的相位延迟或幅度衰减来定位PD的位置。超声方法在在线局部放电检测中显示出极大的抗噪优势。

光纤外在法布里-珀罗干涉仪(EFPI)传感器已成为检测PD产生的超声波的理想选择,因为它具有许多固有的优点,例如高灵敏度、低成本、小尺寸、轻巧、高频响应、电气绝缘和抗EMI噪声。超声波是动态信号,需要通过EFPI传感器的传感膜片将其转换为可检测的物理参数,这使其成为确定此类传感器性能的关键重要组件。

目前,传感图一般仍采用圆膜片,提高其灵敏度的方法主要集中在如何降低厚度上。例如,利用石墨烯、银、硅和其他材料来实现100 nm至450 nm的低厚度膜片。然而,当隔膜厚度被大大减小以实现所需的性能时,由于感测隔膜的固有频率较低,因此传感器难以检测超声波。 Qichao Chen等人提出了一系列使用圆形硅胶膜片进行PDs检测的EFPI超声传感器,膜片厚度低至20 µm。同样,在大多数使用EFPI传感器检测PD的研究中,膜片厚度很大,通常采用完整的圆形结构。

本文提出了一种具有两个共振频率的光纤EFPI超声传感器,适用于开关设备中的PD检测。为了减少机械振动的衰减,并提高共振灵敏度,厚度为5 µm的传感膜片由四个束支撑。在EFPI传感器的传感元件上设计并制造了两个具有不同固有频率的束支撑膜片,它们可以使传感器实现两个不同的共振响应,从而获得更宽的频率响应,从而提高对弱PD的检测能力。最后,通过使用微机电系统(MEMS)技术,将传感元件成功地制造在绝缘层覆硅(SOI)晶圆上。

测试结果表明,我们所开发的传感器的受噪声限制最小可检测超声压力(MDUP)在两个谐振频率下分别达到251µPa/Hz1/2和316µPa/Hz1/2。振动膜片的阻尼比约为0.1,与两倍或一半频率相比,共振频率下的灵敏度至少增加16 dB。据我们所知,市面上还没有出现过使用两个不同共振频率的传感膜片进行PD检测的EFPI传感器。我们开发的传感器具有很大的潜力,可以增强检测最初较弱的局部放电的能力。

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