CN116381430A - 一种新型特高频-压电超声一体化传感装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型特高频‑压电超声一体化传感装置及其应用，属于放电检测技术领域。所述装置本体为叠层结构，包括：位于装置底部，用于接收超声波信号的压电陶瓷材料；位于压电陶瓷材料上表面中心，用于提高信号传输速度的低介电材料；位于压电陶瓷材料与低介电材料表面，用于接收电磁辐射脉冲信号，以及输出超声波和电磁辐射脉冲信号的第一金属电极材料和第二金属电极材料。所述现场实施方法通过改造设备可拆卸模块，将一体化传感装置固定于设备可拆卸模块，实现电力设备及航天器现场便捷的安装。
Description
技术领域
本发明涉及放电检测技术领域，尤其涉及一种新型特高频-压电超声一体化传感装置及其应用。
背景技术
电力行业作为国民经济的基础产业、支柱产业、战略产业，电能与工业生产和日常生活息息相关，如何有效地保障电力设备安全稳定运行至关重要。局部放电是造成电力设备发生故障的重要原因，也是绝缘劣化的重要特征。因此有效地监测电力设备局部放电，并对存在缺陷的电力设备及时做出停电和检修安排，是保障设备安全稳定运行的关键。同时，我国航天航空技术的发展，越来越多的卫星、航天器被送入太空。然而，卫星、航天器在轨运行期间，会与太空环境中存在的大量高能粒子的等离子体互相作用，导致电荷在航天器表面沉积，使其带有一定电位，当航天器各表面绝对电势或表面与表面之间的差分电势达到阈值时，将产生静电放电。静电放电会造成材料表面性能下降，对设备造成损伤，同时静电放电产生的电磁辐射脉冲信号会干扰甚至破环航天器内部系统，造成不可逆转的损害。
电力设备发生局部放电与航天器发生静电放电时，会产生一系列声、光、电和机械振动等特征信号，针对不同信号均有相应的检测方法，目前国内外使用较多的是特高频检测法和超声波检测法。
特高频检测法是利用传感器检测电力设备局部放电与航天器静电放电过程中产生的电磁辐射脉冲信号，特高频检测法的检测频段为300MHz~3GHz，且特高频法具有灵敏度高、抗干扰能力强、易于实现在线监测等优点；在电力设备局部放电与航天器静电放电过程中会向外界辐射超声波信号，当超声波信号传递至天线传感器所在位置，会引起天线传感器内部的压电材料的震动，压电材料表面会产生电荷，该电荷信号便会经信号线传出，检测频段一般为20KHz~200KHz。
目前，国内外常用于检测局部放电或静电放电电磁辐射脉冲信号的特高频天线传感器有单极子和偶极子天线、贴片天线、对数周期天线等；超声波检测法也随着压电元件材料的带载特性提高，传感器灵敏度的增强而变得广泛起来。但上述检测所用到的传感单元功能有限，无法满足智能化运维的需求，且相关传感单元在电力设备以及航天器现场的实施较为繁琐，存在技术性缺陷。
专利CN 107623068 A申请了一种基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机及制备方法，通过将电极嵌入压电薄膜中，实现在振动信号的驱动下输出电压信号。但该专利所提及的传感单元设计并未涉及电力设备局部放电以及航天器静电放电的检测领域，且该专利也并未对放电产生电磁辐射脉冲信号的感知能力进行相关优化设计。
为了解决上述问题，本发明设计了一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，引入低介电PI材料，将其嵌入压电陶瓷基底与金属电极之间，用于提高电磁辐射脉冲信号传输速度。并同时提供了一种该一体化传感装置在电力设备以及航天器现场的实施方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型特高频-压电超声一体化传感装置及其应用，以解决背景技术中提到的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，该装置可置于电力设备或航天器金属外壳表面，实现同时检测局部放电或静电放电产生的电磁辐射脉冲信号和超声波信号，装置本体采用叠层结构设计，具体为：位于装置底部，用于接收超声波信号的压电陶瓷材料结构；位于装置底部材料表面中心，用于提高信号传输速度的低介电材料结构；位于压电陶瓷材料与低介电材料表面，用于接收电磁辐射脉冲信号，以及输出超声波和电磁辐射脉冲信号的第一金属电极结构和第二金属电极材料结构。
优选地，所述压电陶瓷材料为PZT-5H，所述压电陶瓷材料结构为长方体，长为70cm，宽为70 cm，厚度为0.7 mm；所述压电陶瓷材料PZT-5H介电常数为1704，损耗正切角为2.3，密度ρ为7450 kg/m3，泊松比为0.33，压电应变常数d33为6.7E-10 C/N。
优选地，所述低介电材料具体为聚酰亚胺（PI），所述低介电材料结构为长方体，长为40 cm，宽为40 cm，厚度为0.6 mm；所述低介电材料聚酰亚胺介电常数为3.2，损耗正切角为0.02；由于介质底板的介电常数会影响天线信号的传输速度，通过在压电陶瓷材料中心处加设一层介电系数较低的材料PI，用以提高信号的传输速度。
优选地，所述第一金属电极结构和第二金属电极结构为铜质电极，其敷设在压电陶瓷材料结构和低介电材料结构之上；所述第一金属电极结构、第二金属电极结构为叉指结构，所述叉指结构具体参数为：叉指电极宽度为3.5 mm，相邻叉指电极间的空隙为3.5mm。
优选地，所述第一金属电极结构和第二金属电极结构与50Ω同轴信号线相连接，采用中心馈电方式，通过信号输出线同时输出检测出航天器静电放电产生的超声波信号与电磁辐射脉冲信号。
优选地，所述装置在设备现场实施方法，将设备外壳可拆卸模块进行钻孔改造并植入馈电导杆，将特高频-压电超声一体化传感装置固定于可拆卸部分内侧，信号线连接馈电导杆，馈电导杆另侧接有BNC接头，植入馈电导杆的设备可拆卸模块部分使用密封填充介质进行密封，以实现设备现场特高频-压电超声一体化传感装置方便快捷的应用。
与现有技术相比，本发明提供了一种新型特高频-压电超声一体化传感装置及其应用，具备以下有益效果：
本发明选择压电陶瓷材料PZT-5H与低介电材料PI作为介质基底，与敷设在其上的金属电极结构同时构成特高频-压电超声一体化传感装置，依据本发明提供的设备现场实施方法，通过同轴信号线同时输出特高频信号和超声波信号并对其进行分析，可便捷、可靠检测出电力设备或航天器是否发生放电。
附图说明
图1为本发明公开的一种新型特高频-压电超声一体化传感装置结构示意图；
图2为本发明实施例1中提到的所敷设铜质金属电极结构示意图；
图3为本发明实施例1中在ANSYS HFSS仿真软件中仿真得到的电压驻波比图（VSWR）；
图4为本发明实施例1中在COMSOL仿真软件中仿真得到的最大位移仿真图。
图5为本发明特高频-压电超声一体化传感装置在电力设备或航天器现场的实施示意图。
图中标号说明：
1、第一金属电极结构；2、第二金属电极结构；3、柔性材料结构；4、压电陶瓷材料结构；5、装置本体；6、电力设备或航天器设备外壳可拆卸模块；7、馈电导杆；8、BNC接头；9、密封填充介质。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
由于传统超声波传感器有夹层结构，双层结构，而特高频传感器一般采用双层结构，两种传感器具有类似的结构特征，且电磁波传播速度接近光速，远大于声速，也可以通过时延法区分这两种信号，因此可将两种方法融合在一起，构成特高频-压电超声一体化传感装置，能有效地检测出高频电磁辐射脉冲信号和超声波信号，实现超声波传感器与特高频传感器的一体化，有效地将特高频传感器和超声传感器结合在一起，实现了一个传感器输出两个信号的可能。本发明设计的一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，可同时用于电力设备产生的局部放电检测与航天器静电放电检测；该装置本体具有叠层结构，作为介质基底的PZT-5H压电陶瓷材料结构4，提高信号传输速度的聚酰亚胺（PI）低介电材料结构3，作为信号传输单元的第一金属电极结构1和第二金属电极结构2。第一金属电极结构1和第二金属电极结构2与压电陶瓷材料结构4构成压电式超声传感部分，第一金属电极结构1和第二金属电极结构2与压电陶瓷材料结构4和低介电材料结构3构成特高频天线传感部分。装置采用中心馈电，将敷设的铜质第一金属电极结构1、第二金属电极结构2与50Ω同轴信号线连接，局部放电或静电放电发生时，会同时产生电磁辐射脉冲信号和超声波信号，产生的电磁辐射脉冲信号被金属电极感应，金属电极将接收到的电磁辐射脉冲信号转换为高频电流信号输出；产生的超声波信号会引起压电材料的震动，并压电材料表面会产生电荷，该电荷便会经信号线流出。且根据电磁波传播速度远大于声速，可以通过时延法区分这两种信号，因此可将两种方法融合在一起，构成特高频-压电超声一体化传感装置，具体实例如下。
实施例1：
参照图1，本发明设计了一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，该装置包括底层压电陶瓷材料结构4，中间层低介电材料结构3，敷设在压电陶瓷材料结构4和低介电材料结构3上的铜质第一金属电极结构1、铜质第二金属电极结构2。
如图1所示，所述压电陶瓷材料结构1为PZT-5H，压电陶瓷材料PZT-5H介电常数为1704，损耗正切角为2.3，密度ρ为7450 kg/m3、泊松比0.33、压电应变常数d33为6.7E-10 C/N。压电陶瓷材料结构4长为70 cm，宽为70 cm，厚度为0.7 mm。
如图1所示，所述低介电材料为PI，低介电材料PI介电常数为3.2，损耗正切角为0.02。低介电材料结构3为长为40 cm，宽为40 cm，厚度0.6 mm。
如图2所示，为敷设在压电陶瓷材料结构4和低介电材料结构3上的金属电极结构，铜质第一金属电极结构1、铜质第二金属电极结构2为叉指结构，叉指电极宽度为3.5 mm，相邻叉指电极间的空隙为3.5 mm。
如图3所示，通过利用ANSYS HFSS三维有限元仿真软件对图1所示结构进行建模仿真所得的驻波比图，仿真结果可知，在0.3GHz~3GHz，VSWR<5，在0.6GHz~3GHz，VSWR<3，该装置能很好地接收到放电所产生的电磁辐射脉冲信号。
如图4所示，通过利用多功能物理场仿真软件COMSOL对图1所示装置进行仿真分析测其谐振频率及最大表面位移。通过在其表面金属电极施加10V电势差，测得在超声波频段20 KHz-200 KHz不同频率作用下PZT-5H压电薄膜层产生的表面位移图像。仿真结果表明，在超声波频段内，均有一定位移，且中心频率为80 KHz，该频率下表面位移最大。
参照图5，本发明提供适用于特高频-压电超声一体化传感装置在电力设备或航天器现场的实施方法。将电力设备或航天器设备外壳可拆卸模块6进行钻孔改造并植入馈电导杆7，将装置本体5固定于电力设备或航天器设备外壳可拆卸模块6内侧，信号线连接馈电导杆7，馈电导杆7另一侧接有BNC接头8，植入馈电导杆7的电力设备或航天器设备外壳可拆卸模块6的部分使用密封填充介质9进行密封处理，以此实现设备现场特高频-压电超声一体化传感装置方便快捷的应用。
本发明所设计的一种新型特高频-压电超声一体化传感装置及其应用，有效地将特高频传感器和超声传感器结合在一起，可同时检测出航天器静电放电产生的电磁辐射脉冲信号和超声波信号，并通过本发明提供的传感装置在设备现场实施方法，实现对电力设备局部放电与航天器静电放电产生的电磁脉冲信号和超声波信号的便捷、可靠检测，保证运行安全。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，其特征在于，装置本体（5）采用叠层结构设计，具体为：底层为压电陶瓷材料结构（4），中间层为低介电材料结构（3），顶层为敷设的第一金属电极结构（1）和第二金属电极结构（2）。
2.根据权利要求1所述的一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，其特征在于，所述压电陶瓷材料为PZT-5H，所述压电陶瓷材料结构（4）为长方体，长为70 cm，宽为70 cm，厚度为0.7 mm；所述压电陶瓷材料PZT-5H介电常数为1704，损耗正切角为2.3。
3.根据权利要求1所述的一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，其特征在于，所述低介电材料具体为聚酰亚胺，所述低介电材料结构（3）为长方体，长为40 cm，宽为40 cm，厚度为0.6 mm；所述低介电材料聚酰亚胺介电常数为3.2，损耗正切角为0.02。
4.根据权利要求1所述的一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，其特征在于，所述第一金属电极结构（1）和第二金属电极结构（2）为铜质电极，其敷设在压电陶瓷材料结构（4）和柔性材料结构（3）之上；所述第一金属电极结构（1）、第二金属电极结构（2）为叉指结构，所述叉指结构具体参数为：叉指电极宽度为3.5 mm，相邻叉指电极间的空隙为3.5 mm。
5.根据权利要求1所述的一种新型特高频-压电超声一体化传感装置，其特征在于，所述第一金属电极结构（1）和第二金属电极结构（2）与同轴信号线相连接，采用中心馈电方式，通过信号输出线同时输出检测出航天器静电放电产生的超声波信号与电磁辐射脉冲信号。
6.如权利要求1-5所述的一种新型特高频-压电超声一体化传感装置在电力设备以及航天器外壳上的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述装置本体（5）固定在电力设备或航天器外壳可拆卸模块（6），并由馈电导杆（7）将传感装置与外部BNC接头（8）连接，钻孔植入馈电导杆（7）的电力设备或航天器外壳可拆卸模块（6）部分使用密封填充介质（9）进行密封。
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