MEMS optic fiber Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection

Wen-rong SI; Chen-zhao FU; Jian BU; He-li NI; Hao-yong LI; Xie-jun WANG; Deng-feng JU; Yi-ting YU

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MEMS optic fiber Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection

更新时间：2021-07-28

- MEMS optic fiber Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection
- Optics and Precision Engineering Pages: 1-9(2021)
- 作者机构：
  
  1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437
  2.西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，陕西西安 710072
  3.全球能源互联网研究院有限公司，北京 102209
- 作者简介：
  
  E-mail： yyt@nwpu.edu.cn
- 基金信息：
- DOI：
  CLC： TN253
- Received：01 April 2021，
  
  Revised：20 April 2021，
- 稿件说明：
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司文荣,傅晨钊,卜剑等.基于多孔式敏感膜片的MEMS光纤珐珀传感器及其局部放电检测[J].光学精密工程,

SI Wen-rong,FU Chen-zhao,BU Jian,et al.MEMS optic fiber Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection[J].Optics and Precision Engineering,
司文荣,傅晨钊,卜剑等.基于多孔式敏感膜片的MEMS光纤珐珀传感器及其局部放电检测[J].光学精密工程, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

SI Wen-rong,FU Chen-zhao,BU Jian,et al.MEMS optic fiber Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection[J].Optics and Precision Engineering, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

摘要

基于微机电系统（Microelectromechanical systems，MEMS）的非本征光纤珐珀超声传感器具有抗电磁干扰、信号传输距离远、体积小、重量轻等特点，对电力设备中局部放电（Partial discharge，PD）所释放的超声信号有着良好的检测与定位能力，具有十分广泛的应用前景。目前，大多数已报道的该型传感器敏感结构通常为圆形完整膜片，它的加工方法相对简单，但是膜片的内外温度差异或压力不平衡会导致传感器性能指标的偏移，减小或消除这种影响是促进光纤珐珀超声传感器工业化应用的基本前提。本文提出了一种基于多孔式敏感膜片的光纤珐珀超声传感器，敏感膜片采用MEMS工艺制造，其厚度仅有5 μm，加工方法简单，成本低廉；进一步地，结合3D打印技术与防水透声膜完成了敏感膜片的保护性封装。实验结果表明：该传感器在液体中具有良好的超声响应，静压灵敏度可达到1.25 V/Pa，距离衰减、方向响应与静态压力等性能与空气中保持相同规律，且通气孔避免敏感膜片内外出现气压不平衡的情况。因此，该传感器在液体中局部放电检测领域展现出较好的应用潜力。

Abstract

MEMS（Micro-electromechanical systems）-based extrinsic optic fiber Fabry-Perot ultrasonic sensor has the characteristics of anti-electromagnetic interference. It has long signal transmission distance， small size， light weight， etc. Also， it has good detection and positioning ability for ultrasonic signals released by partial discharge （PD）. It has a very wide application prospect. Currently， most of the reported sensitive structures of this type of sensors are usually circular complete diaphragms. And they are relatively simple to process. But the temperature difference or pressure imbalance between the inside and outside will lead to deviation. So reducing or eliminating this effect is the basic prerequisite to promote the industrial application of sensors. In this paper， we propose an optic fiber Fabry-Perot ultrasonic sensor based on porous sensing diaphragm. In addition， it is manufactured by the MEMS process with thickness of only 5 μm. The results show that the sensor has good ultrasonic response in liquid. Moreover， the static pressure sensitivity can reach 1.25V/Pa. And the performance of distance decay， directional response all keep the same rule as in air. And pores can avoid the air pressure imbalance inside and outside the sensing diaphragm. Therefore， the proposed sensor shows a wide application potential in partial discharge detection in liquids.

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