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摘要：超声波法是电力设备检测的重要手段之一。本文简单介绍了局部放电超声波检测技术和超声传感器的发展现状，又对两种性能优良的超声波传感器的材料、结构、原理与特性进行着重的分析介绍。最后对超声波传感器的应用前景进行了展望。
关键字：局部放电 超声波传感器 PVDF V形背槽板
随着我国经济总量的迅速发张，我们对电力能源的需求也日益增加，电力行业也迅速地发展。目前我国的电力系统有向大容量、特高压的方向发展的趋势，形成了极为庞大的区域大电网。随着我国的工业体系和人民的生产生活对电力的依赖程度越来越高，对电力系统运行的可靠性也提出了越来越高的要求。
要增大运行可靠性，除了要提高相关设备的制造工艺，也要更新提升电气设备的故障诊断方法，特别是在线故障诊断的方法更是对提升系统运行可靠性有重要意义。电力设备发生故障前一般都会有局部放电的现象发生，所以，局部放电的检测对于整个系统的可靠性都有很大意义。
电气设备中的故障状态会产生超声波信号，可以通过固定在设备上的超声波传感器来接受信号，以确定故障的类型和位置。鉴于现场的声音干扰多为音频（20Hz~20000Hz）[1]，选用超声波法可以有效地防止干扰。虽然人们使用超声波法测量局部放电已久，但缺乏较为系统的研究，灵敏度也保持在较低的水平，在实际中应用的并不多。
为了追其较宽的带宽和更为平坦的频率响应曲线，国内外的专家学者都进行了一系列的研究，下面介绍两种性能优良的超声传感器：
1、曲面PVDF超声传感器
聚偏氟乙烯（PVDF）材料现在已被广泛地应用于医疗，非破坏检测等多个领域，其具有良好的柔顺性、高机械强度和高韧性，并且有不错的压电特性，可以被作为超声传感器。意大利人Fiorillo设计了一种PVDF超声传感器[2]。通过弯曲一个15毫米×3毫米，厚度为40微米的带钢的单轴向拉伸的聚偏氟乙烯矩形膜片实现，如图1所示。首先，该条带的两面均通过真空喷涂200纳米厚的铝层而金属化，之后通过使用一个标准的程序使其沿3方向极化。长度延伸模式谐振器的最小两侧 受制于一个100微米厚的导电银层的有机玻璃支持物。两个终端之间的距离为8毫米，因而能够使传感器成半圆柱形。银层使得连接到电子单元的微同轴电缆和电极的表面能够相连接。由于l=πr，随着半圆柱半径r的改变，PVDF膜的膜长l也随之改变。根据膜的压电特性，沿膜厚度方向的电压与l的改变成正比。这样，此传感器可以有两种工作形式：当电压作用于薄膜时，可以当做发射器；当声波作用于薄膜时，可以做为接收器。
图1 曲面PVDF传感器结构
2、V形槽背板的静电超声传感器
静电超声传感器近年来也发展较快，其具有频带宽、灵敏度高、无须直接接触的优点。这类传感器以电容传声器为基础，由背电极和金属薄膜组成。把一偏置电压加到背电极与金属上，一旦有声波作用于金属薄膜，薄膜就会发生震动，金属薄膜与背电极之间的电容量会发生变化，所以背电极与金属薄膜之间的电压会发生变化。声波的在薄膜上产生的声压与电容量的变化能够相互对应。
在静电超声传感器中，采用微米级到纳米级的微气隙结构是一个研究热点。安徽大学的葛立峰教授提出的V形槽背板的静电超声传感器可以算作一中宽带超声传感器[3]。其结构图为图2。其中，膜片厚度为8μm，槽深为250μm，槽宽为500μm，膜片半径为33.5mm。这种V形槽背板静电超声传感器的工作原理可以用空气弹簧支撑的板模型来解释，这也说明了这种传感器的共振频率有多个。膜片做刚性震动时产生的共振频率是基频，背板弯曲一阶震动产生另一个共振频率，而这个共振频率与基频频率比较接近，由此可以大大拓展传感器的带宽。
图2 V形槽背板的静电超声传感器
近年来，随着新材料和新技术的发展，超声波测量灵敏度有了大幅提高，有了较高的应用价值。相信在不久的将来，超声波传感器会以其优良的性能、低廉的价格等优势，成为电力设备状态评估和在线监测的“主力军”。
参考文献
[1]Pompili M, Mazzetti C. Simultaneous measurements of PD in oil using conventional narrow band and ultra wide band detection system.12th International Conference on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids. Roma, Italy, 1996, 185~188
[2] Antonino Fiorillo，Design and Characterization of a PVDF Ultrasonic Range Sensor[J]，IEEE transactions on ultrasonics，ferroelectrics and frequency control，November 1992
[3]葛立峰. 微气隙结构静电超声传感器的理论模型[J]. 科学通报,1997,22:2387-2391.
论文作者:许潇,曹东亮,李雪艳,牟春晓,孙睿,罗成
论文发表刊物:《电力设备》2016年第13期
论文发表时间:2016/9/30
标签：传感器论文; 超声论文; 薄膜论文; 背板论文; 静电论文; 超声波论文; 电极论文; 《电力设备》2016年第13期论文;