论文部分内容阅读
本论文研究了一种基于法布里-珀罗干涉结构的光纤MOEMS超声传感器,该传感结构是将MOEMS技术与光纤超声传感技术相结合。在超声波信号检测中表现出灵敏度高、信噪比大、频带宽和一致性好等优势,本论文研究为工程应用中超声无源在线监测提供了一种新的技术手段。首先,论文对基于不同结构的光纤超声传感技术进行分析和研究,明确了干涉型光纤超声传感的结构优势。对MOEMS技术的发展、工艺和应用进行介绍,为MOEMS技术应用到光纤超声传感器的制作中提供了支撑。开展了对氮化硅材料特性进行研究,由于该材料具有较高的弹性模量、优异的尺寸稳定性、耐腐蚀性和无磁性等优点,因此作为本文研究声压敏感材料。论本文在干涉型传感器的结构基础上,对膜片结构进行优化设计,以减少残余应力对其声压响应灵敏度的限制。通过对该种膜片结构进行有限元仿真,设计了一种环状波纹结构,该结构可以显著提升膜片中心传感区域在声压作用下的位移量,并通过实验证明了该结构可以提高超声传感的响应灵敏度。其次,本文开展了基于光纤MOEMS超声传感器的性能研究,研究了传感器时域响应特性、频域响应带宽、信噪比方向性、响应线性度等主要参数指标。通过对多种环状薄膜结构的对比实验测试,最终获得了基于该超声传感器最优化的膜片结构参数:其膜片厚度为400nm、,波纹环数为1环。最后,本文针对该光纤MOEMS超声传感器在局部放电信号检测中的应用,开展了实验研究。实验中,通过与商用电学传感器进行对比测试。从检测结果可知,该光纤MOEMS超声传感器可实现的声压灵敏度为1.76?105 V/Pa,远高于参考电学传感器的1V/Pa,最小探测声压为2.66?PaHz-1/2,频率响应带宽为20kHz-470kHz,可以满足局部放电检测对频率带宽的要求。因此,本文所研究的光纤MOEMS超声传感器在电缆触头、变压器等电力设备局部放电的在线监测领域具有较好的应用潜力。