基于光纤F-P干涉测量的高频声波传感器研究

作     者：任云飞 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于清旭

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080803[工学-高电压与绝缘技术] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：法布里-珀罗传感器 快速白光干涉 超声波检测 NI Vision图像采集 

摘      要：大型电力系统中变压器的局部放电往往会带来巨大的电力安全隐患,可能造成难以估量的经济损失。局部放电常会产生超声波等物理现象,通过对超声波信号的检测可以有效监测电力系统的运行状态,从而能够及时检修变压器以避免灾难性事故的发生。国内外学者提出了诸多声检测方法,但这些检测方法受限于电磁环境干扰、易受腐蚀、信号解调动态范围小、解调速度慢等因素,难以实现实时准确的监测。由于光纤传感技术具有抗电磁干扰能力和对恶劣环境的耐受性,被广泛运用于电网健康评估和监测。基于光纤传感技术的优势,本文提出了一种光纤法布里-珀罗（F-P）干涉测量的高频声波传感器以提高信号检测精度。并基于该传感器非本征（EFPI）结构的传感特性和快速白光干涉解调算法,设计了光纤F-P高频声波传感器的解调系统,解调速率可实现35kHz,解调分辨率达0.089nm。基于视觉采集模块NI MAX和NI-IMAQ驱动,开发了光谱数据高速采集软件,经过软件测试,验证了上位机采集功能、实时显示和解调运算功能。为设计高性能的光纤F-P高频声波传感器的传感探头,利用ANSYS Workbench平台分别对圆形膜片式结构和悬臂梁式结构的敏感膜片进行仿真,验证了两种结构几何参数对膜片固有频率和灵敏度的影响,最后优化设计了厚50μm,长1.0mm的悬臂梁式传感探头和厚90μm,半径2.6mm的圆形膜片式传感探头。为验证两种结构传感器对局部放电超声波的检测性能,设计了采用信号发生器驱动PZT做超声源的实验系统和基于ANSYS仿真的模拟实验,通过ANSYS仿真理论验证了悬臂梁结构的光纤F-P传感器在频率范围20kHz-35kHz内的响应灵敏度大于0.03nm/Pa,圆形膜片结构的光纤F-P传感器在频率范围20kHz-35kHz内的响应灵敏度大于0.06nm/Pa。并通过低频实验验证光纤F-P高频声波传感器可准确检测到声波信号,信噪比达到514.04。最后根据模拟结果推算出两种结构的声压分辨率分别为1.04Pa和0.18Pa。