非本征光纤法珀传感器的振动特性研究

本 文研究 油介 质 中传感 器振 动膜 （或 板 ）的振 动特 性 时采 用集 中参 数 的二 阶 振 动 数 学模 型 ，以振 动 板 中 心速度 对振 动质 量 、力 阻抗 进 行 等效 ，获得 振 动 板 共 振 频 率 、振 幅灵 敏度 与结 构 参数 的关 系 ，通 过对 计 算 结 果 实验测 试 ，制作 高 灵敏 度 的 ＦＰ传 感器 。研究 结 果 对 该 类传 类感 器设 计具 有参 考 意义 。
ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｉｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｕｍ ｐｅｄ
ｐａｒａｍｅｔｒｅｒｓ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ｌｕｍｐｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍａｓｓ，ｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｅｆｆ ｉｃｉｅｎｔ，ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｆｏｒｃｅ）ｉｎ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＦＰ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｗｅｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅｎｓｏｒ＇ｓ
ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｆｏｒ ａ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｐｌａｔｅ ｗｉｔｈ ２．５２ ｍＩｎ— ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ １５０ Ｉｘｍ－ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ２０５ ｋＨｚ ｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ａｎｄ １ １５ ｋＨｚ ｉｎ ｗａｔｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ａｂｏｕｔ １ ８ ｐｍ／Ｐａ ａｔ １ １ ５ ｋＨｚ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎ ｗａｔｅｒ． Ｔｈｅ ｍ ｉｎｉｍｕｍ ｄｅｔｅｃｔａｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉＳ ａｂｏｕｔ １ Ｐａ．
第 ３５卷第 ２期
振 动 与 冲 击
ＪＯ ＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｖ ＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨ ＯＣＫ
非 本征 光 纤 法 珀传 感 器 的振 动特 性研 究
郭少朋 ，方光荣 ，刘俊标 ，鞠 昱
（１．中国科学院 电工研究所 ，北京源自文库１００１９０；２．中国科学 院大学 ，北京 １０００４９）
中共振频率振 幅灵敏度约 １８ ｐｍ／Ｐａ。制作 的传感器可测试局放产生超声波 的最小声压约 １ Ｐａ。
关键词 ：局部放 电；超声 波传感器 ；集 中参数 ；力 阻抗 ；共振频率 ；频率 响应
中 图分 类号 ：ＴＰ２１２．１４ 文 献 标 志 码 ：Ａ
ＤＯＩ：１０．１３４６５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊＶＳ．２０１６．０２．０２６
基 金 项 目 ：国 家 自然科 学 基金 项 目（５１３７５４７０） 收稿 日期 ：２０１４—１０—１４ 修改稿收到 日期 ：２０１５一Ｏｌ一３０ 第 一作 者 郭 少 朋 男 ，博 士 生 ，助理 研 究 员 ，１９７４年 １Ｏ月 生 通信作者 韩立 男 ，博士 ，研究 员，１９７０年 ９月生
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ；ｌｕｍｐｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ； ｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ
光 纤法 珀 （Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ，ＦＰ）传感 器 不仅有 一般 光 纤 传感 器绝 缘 、耐 腐 蚀 、抗 电磁 干扰 等 优 点 ，亦 有 易 制 作 、成本 低 、稳 定性 高 等 特 点 ，在 温 度 、压 力 、智 能 结 构 应 变 、振动 、声 波 等测 量 中广 泛应 用 Ⅲｌ Ｊ。油 浸变 压 器 内局部 放 电会 对 绝 缘 介 质造 成破 坏 ，通 过 局 部 放 电产 生 的超声 波可 定位 放 电源 位置 ，修 复 绝 缘缺 陷 ，避 免 酿 成重大电力事故。虽 已有对该类用途传感 器结 构、振 动 膜 自由频率 及静 压 力 下 挠 度 的研 究 ，但 针 对 共 振频率 、振幅灵 敏度等关键参数研究 尚少 。传感器整 体 性 能取决 于 振 动 膜 的 振 动 特性 及 光 学 参 数 ，而 传 感 器 振 动特性 为传感 器整 体性 能 的基础 。
２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆ ｉｂｅｒ Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ（ＦＰ）ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｅｄ ｆ ｏｒ
Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｆｉｂｅｒ Ｆａｂｒｙ·Ｐｅｒｏｔ ｓｅｎｓｏｒｓ ＧＵＯ Ｓｈａｏ－ｐｅｎｇ ｒ，ＦＡＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｒｏｎｇ ， Ｊｕｎ—ｂｉａｏ ，Ｉ， （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ；
摘 要 ：针对光纤法珀（Ｆａｂｒｙ．Ｐｅｒｏｔ，ＦＰ）超声波传感器振动特性，将传感器薄板振动简化为具有集中参数的二阶
振动 ，推导二阶振动方程的集 中参 数（力阻抗 、等效质量 、弹性系数 、集 中力 ），获得传 感器共振 频率 、振 幅灵敏度 与结构参
数设计关 系。测试直径 ２．５２ ｍｍ、厚度 １５０ ｍ玻璃振动薄板在空气 、水 中的共振频 率分别 为 ２０５ ｋＨｚ及 １ １５ ｋＨｚ，水介质