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

司文荣; 傅晨钊; 卜剑; 倪鹤立; 李浩勇; 王谢君; 鞠登峰; 虞益挺

doi:10.37188/OPE.20212911.2613

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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

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-01-25

- 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
- MEMS fiber optic Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection
- 光学精密工程 2021年29卷第11期页码：2613-2621
- 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：
  
  [ "司文荣（1981-），司文荣（1981年-），男，江苏张家港人，博士研究生，高级工程师，2009年于西安交通大学获得博士学位，主要从事电力设备状态感知及诊断技术的研究。E-mail： siwenrong@126.com" ]
  [ "虞益挺（1980-），男，浙江宁波人，博士，教授，博士生导师，2003年、2006年、2010年于西北工业大学分别获得学士、硕士和博士学位，主要从事微纳光学成像与传感方面的应用基础研究。E-mail：yyt@nwpu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家电网有限公司科技项目(52094019000S)
- DOI：10.37188/OPE.20212911.2613
  中图分类号： TN253
- 收稿日期：2021-04-01，
  
  修回日期：2021-04-20，
  
  纸质出版日期：2021-11-15
- 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,2021,29(11):2613-2621.

SI Wen-rong,FU Chen-zhao,BU Jian,et al.MEMS fiber optic Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2613-2621.
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,2021,29(11):2613-2621. DOI： 10.37188/OPE.20212911.2613.

SI Wen-rong,FU Chen-zhao,BU Jian,et al.MEMS fiber optic Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2613-2621. DOI： 10.37188/OPE.20212911.2613.

摘要

基于微机电系统（Micro-electromechanical 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、质量轻等特点，对电力设备中局部放电所释放的超声信号有着良好的检测与定位能力。该型传感器的敏感结构通常为圆形完整膜片，其加工方法相对简单，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。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

Micro-electromechanical systems （MEMS）-based extrinsic optic fiber Fabry-Perot ultrasonic sensors have the characteristic of anti-electromagnetic interference. They have features such as long signal transmission distance， small size， and light weight， as well as good detection and positioning ability for ultrasonic signals released by partial discharge， Owing to these properties， they have potential for numerous application prospects. Currently， most of the sensitive structures that have been reported to use this type of sensor typically have completely circular diaphragms and are relatively simple to process. However， the temperature difference or pressure imbalance between the inside and outside leads to deviations. Thus， reducing or eliminating this effect is a basic prerequisite for promoting the industrial application of sensors. In this paper， we propose an optic fiber Fabry-Perot ultrasonic sensor based on a porous sensing diaphragm. The sensor was manufactured using the MEMS process with a thickness of only 5 μm. The results showed that the sensor had a good ultrasonic response in liquids. Moreover， the static pressure sensitivity could reach 1.25 V/Pa， and the performance of the distance decay and directional response was consistent with that in air. Additionally， the pores could prevent the air pressure imbalance inside and outside the sensing diaphragm. Therefore， the proposed sensor has potential for applications in the detection of partial discharge in liquids.

关键词

Keywords

references

姚维强，司文荣，吕佳明，等 . EFPI光纤超声传感器及其潜在局放检测应用综述［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 6 ）： 1855 - 1866 .

YAO W Q ， SI W R ， LÜ J M ， et al . Review on EFPI fiber-based ultrasonic sensors and its potentially partial discharge detection application ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 6 ）： 1855 - 1866 . （in Chinese）

MA J ， XUAN H F ， HO H L ， et al . Fiber-optic Fabry-Pérot acoustic sensor with multilayer graphene diaphragm ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2013 ， 25 （ 10 ）： 932 - 935 . doi: 10.1109/lpt.2013.2256343 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2013.2256343

LIU B ， LIN J ， WANG J ， et al . MEMS-based high-sensitivity Fabry–Perot acoustic sensor with a 45° angled fiber ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2016 ， 28 （ 5 ）： 581 - 584 . doi: 10.1109/lpt.2015.2506480 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2015.2506480

SI W R ， FU C Z ， LI D L ， et al . Directional sensitivity of a MEMS-based fiber-optic extrinsic Fabry–Perot ultrasonic sensor for partial discharge detection ［J］. Sensors ， 2018 ， 18 （ 6 ）： 1975 . doi: 10.3390/s18061975 http://dx.doi.org/10.3390/s18061975

ZHANG W ， LU P ， NI W J ， et al . Gold-diaphragm based Fabry–Perot ultrasonic sensor for partial discharge detection and localization ［J］. IEEE Photonics Journal ， 2020 ， 12 （ 3 ）： 1 - 12 . doi: 10.1109/jphot.2020.2982460 http://dx.doi.org/10.1109/jphot.2020.2982460

FU C Z ， SI W R ， LI H Y ， et al . A novel high-performance beam-supported membrane structure with enhanced design flexibility for partial discharge detection ［J］. Sensors ， 2017 ， 17 （ 3 ）： 593 - 604 . doi: 10.3390/s17030593 http://dx.doi.org/10.3390/s17030593

YAACOB M M ， ALSAEDI M A ， RASHED J R ， et al . Review on partial discharge detection techniques related to high voltage power equipment using different sensors ［J］. Photonic Sensors ， 2014 ， 4 （ 4 ）： 325 - 337 . doi: 10.1007/s13320-014-0146-7 http://dx.doi.org/10.1007/s13320-014-0146-7

WU Q ， OKABE Y . High-sensitivity ultrasonic phase-shifted fiber Bragg grating balanced sensing system ［J］. Optics Express ， 2012 ， 20 （ 27 ）： 28353 - 28362 . doi: 10.1364/oe.20.028353 http://dx.doi.org/10.1364/oe.20.028353

ZHANG T Z ， PANG F F ， LIU H H ， et al . A fiber-optic sensor for acoustic emission detection in a high voltage cable system ［J］. Sensors ， 2016 ， 16 （ 12 ）： 2026 . doi: 10.3390/s16122026 http://dx.doi.org/10.3390/s16122026

陈起超，赵洪，张伟超 . 外置油腔耦合局放超声非本征光纤法布里-珀罗传感器［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 7 ）： 1471 - 1479 . doi: 10.37188/OPE.20202807.1471 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202807.1471

CHEN Q C ， ZHAO H ， ZHANG W CH . External oil cavity coupled with EFPI partial discharge ultrasonic detection sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 7 ）： 1471 - 1479 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202807.1471 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202807.1471

冯文林，彭进，余佳浩，等 . 端面腐蚀的双法布里-珀罗光纤温度传感器［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 4 ）： 766 - 770 . doi: 10.3788/ope.20192704.0766 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192704.0766

FENG W L ， PENG J ， YU J H ， et al . Double Fabry-Pérot fiber optic temperature sensor based on end-face corrosion ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 4 ）： 766 - 770 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192704.0766 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192704.0766

黄俊，文溢，姜飞，等 . 光纤F-P腔传感器特性研究［J］. 传感器与微系统， 2017 ， 36 （ 4 ）： 68 - 70 . doi: 10.13873/J.1000-9787(2017)04-0068-03 http://dx.doi.org/10.13873/J.1000-9787(2017)04-0068-03

HUANG J ， WEN Y ， JIANG F ， et al . Research on characteristics of optical fiber F-P cavity sensor ［J］. Transducer and Microsystem Technologies ， 2017 ， 36 （ 4 ）： 68 - 70 . （in Chinese） . doi: 10.13873/J.1000-9787(2017)04-0068-03 http://dx.doi.org/10.13873/J.1000-9787(2017)04-0068-03

李敏 . 液体电介质局放声测的光纤非本征法珀型传感器的研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨理工大学， 2009 .

LI M . Fiber Extrinsic FP Sensor for Detection of PD-induced Acoustic Emission in Liquid Dielectrics ［D］. Harbin ： Harbin University of Science and Technology ， 2009 . （in Chinese）

高超飞，宋树，童中宇，等 . 基于EFPI光纤超声传感器的油中局部放电定位［J］. 高压电器， 2019 ， 55 （ 4 ）： 90 - 95， 101 .

GAO CH F ， SONG SH ， TONG ZH Y ， et al . Partial discharge location in oil based on EFPI optical fiber ultrasonic sensor ［J］. High Voltage Apparatus ， 2019 ， 55 （ 4 ）： 90 - 95， 101 . （in Chinese）

罗勇芬，李彦明，刘丽春 . 基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究［J］. 电工技术学报， 2004 ， 19 （ 1 ）： 35 - 39 . doi: 10.3321/j.issn:1000-6753.2004.01.009 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-6753.2004.01.009

LUO Y F ， LI Y M ， LIU L CH . Simulation of PD location method in oil based on UHF and ultrasonic phased array receiving theory ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2004 ， 19 （ 1 ）： 35 - 39 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1000-6753.2004.01.009 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-6753.2004.01.009

王巧云 . 光纤法布里-珀罗声波传感器及其应用研究［D］. 大连：大连理工大学， 2010 .

WANG Q Y . Study on Fiber Optic Fabrt-Perot Acoustic Sensor and its Application ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2010 . （in Chinese）

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