华林科纳表面声波传感器工作原理

新型表面声波器件自上世纪60年代以来，已经有40多年的历史了。其中应用最广泛的是表面声波滤波器，其次是表面声波传感器，由于表面声波的传播速度与衰减和它所处的传播环境以及介质的参量有很大的关系，所以利用了表面声波传感器制作器件，会具有很高的灵敏性。

表面声波传感器一般利用两种不同的石英晶片为基片,前者有高压电系数,后者温度稳定性较好。在表面声波传感器件表面涂抹某种特殊物质及催化膜，这样与周围环境里的气体、液体或固体粒子接触时，通过对它们的吸附，使器件质量发生变化，形成质量、化学或生物传感器。

如果要提高灵敏度，还得要改进传感器的结构，比如选取适当的基片及适当的对基片的切割方向进行更改，并适当选取换能器电极的材料，优化设计换能器的结构等方法。对于如果是用在化学或生物领域，还需要优化选择传感器的催化膜的材料以及厚度。

表面声波传感器的应用：

1. 瑞利波传感器

瑞利波传感器也成为表面声波传感器，因为瑞利波传感器的位移轨道为椭圆形轨道，所以在液固环境传播时，能量容易漏向液体。因为不适用于液体环境的传感检测，只能应用在气体环境里。目前瑞利波传感器较成熟，部分已达到商用要求，多用于毒品、毒气以及有害气体的检测。

2. 切向水平板模传感器

瑞利波传感器在液体环境中无法使用，通常选择水平位移的声波模式，比如切向水平板模传感器，切向水平板模传感器是一种声波导，质量检测灵敏度依赖于板的厚度，板越薄灵敏度越高。优点是上下表面均有切向水平位移，这样的话两面都可用于传感。缺点是由于板太薄，无法承受一定的机械强度，所有近年来较少研究。

表面声波传感器因为具有灵敏度高、分辨率高、稳定性高、体积小以及输出信号易处理等优点而得到广泛应用。利用多种波型发展了多种结构、多种材料的表面声波传感器,在气体和液体环境下,应用于物理、化学和生物方面的参量传感 和检测。

科研进展：应用于变压器油箱壁外侧的EFPI光纤声波传感器

采用EFPI传感器检测变压器局放超声信号时，通常将传感器安装在变压器内部进行检测，此方法虽然检测精度可以得到保证，但在实际使用时会遇到诸多问题，而且对于已经投产运营的变压器更是无法进行内部安装。

针对于上述实际问题，目前有外置固体介质耦合EFPI传感器和外置油腔耦合EFPI传感器两种检测方法，实现在变压器油箱壁外侧安装EFPI传感器检测局放超声信号。

1 外置固体介质耦合EFPI传感器

外置固体介质耦合EFPI传感器如图1所示。局放超声信号传播到油箱壁，经油箱壁后传播到与之紧密耦合的钢片上，钢片受迫振动并同时带动贴附在其上的石英膜片振动，此时石英膜片在复频域局放超声信号的作用下以谐振的工作方式获得较大振幅。该传感器前段钢片采用与变压器油箱壁同种材料加工而成，以减少声波信号在不同阻抗边界的传播衰减，套管与石英膜片及固定结构之间采用胶水粘接的方式来固定[73]。

图1 外置固体介质耦合EFPI传感器

2 外置油腔耦合EFPI传感器

外置油腔耦合EFPI传感器的结构如图2所示，该传感器利用局放超声信号在液-固-液复合界面的传播特点设计并制备而成，并结合实验获得EFPI传感器输出信号强度和传感器膜片与油箱壁距离L的关系，确定传感器的最佳安装距离。

图2 外置油腔耦合EFPI传感器结构

该外置油腔耦合EFPI传感器与传统PZT传感器联合检测局放超声信号的安装示意图如图3所示。通过多次实验结果对比发现，其检测灵敏度要优于传统的PZT传感器。

图3 EFPI传感器与PZT传感器安装示意

上述两种检测方法都实现了EFPI传感器在变压器油箱壁外侧的安装使用，解决了EFPI传感器在电力变压器内部复杂工况下难以保障稳定运行的问题，同时为已投产的变压器利用EFPI传感器进行局放超声信号检测提供了新的思路和方法，具有一定的研究意义。

本文编自2022年第5期《电工技术学报》，论文标题为“非本征光纤法-珀传感器局部放电检测研究进展”。本文第一作者为陈起超，1988年生,博士研究生,研究方向为高压电力设备绝缘检测。通讯作者为张伟超，1984年生,博士,副教授,研究方向为光纤传感及高压绝缘检测。本课题得到了国家自然科学基金青年基金、黑龙江省普通高校基本科研业务费专项资金和国网浙江省电力有限公司科技项目的资助。

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