阅读说明：本技术 局部放电efpi光纤传感器法珀腔探头的制造方法 (Manufacturing method of Fabry-Perot cavity probe of partial discharge EFPI optical fiber sensor ) 是由 司文荣 吴旭涛 傅晨钊 李秀广 陆启宇 黄兴德 黄华 虞益挺 贺林 高凯 何宁辉 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头的制造方法,包括以下步骤：步骤1)局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头敏感膜片结构及辅助定位结构加工；步骤2)小孔即法珀腔加工；步骤3)大孔即光纤安装定位阶梯孔加工；步骤4)法珀腔敏感膜片内表面镀膜；步骤5)法珀腔探头光纤装配。与现有技术相比,本发明具有利用SOI片实现了μm级敏感膜片法珀腔探头的大批量加工制备等优点。(The invention relates to a method for manufacturing a Fabry-Perot cavity probe of a partial discharge EFPI optical fiber sensor, which comprises the following steps of: step 1) processing a Fabry-Perot cavity probe sensitive diaphragm structure and an auxiliary positioning structure of a partial discharge EFPI optical fiber sensor; step 2), processing small holes, namely Fabry-Perot cavities; step 3), machining a large hole, namely an optical fiber installation positioning stepped hole; step 4), coating the inner surface of the Fabry-Perot cavity sensitive membrane; and 5) assembling the Fabry-Perot cavity probe optical fiber. Compared with the prior art, the invention has the advantages that the large-scale processing and preparation of the micron-scale sensitive diaphragm Fabry-Perot cavity probe are realized by utilizing the SOI sheet, and the like.)

局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头的制造方法

技术领域

本发明涉及一种局部放电设备的制造技术，尤其是涉及一种局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头的制造方法。

背景技术

非本征型法珀干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)光纤传感器是一套使用敏感膜片结构将超声波转换为机械振动，再利用法珀干涉技术将机械振动转化为光学参量变化，最终被光电探测器等相关仪器转化、采集、解调的高性能声超波检测系统，目前已被用来检测大型电力变压器内部油纸绝缘缺陷产生局部放电的超声波信号。如图1所示，该传感器法珀腔探头一般由含光纤的芯体、圆形套筒和敏感膜片(超声波耦合振动元件)组成；主要工作参数有：振动膜片厚度为h、振动膜片有效直径2a、法珀腔腔长l以及法珀腔两个反射端面反射率R₁和R₂。根据多光束干涉原理经法珀腔的反射光强I、依据弹性力学原理四周完全约束圆形膜片的一阶固有频率f(谐振频率)以及在超声波信号产生的压强P之下膜片振动其中心产生的位移y即灵敏度S，如下所示：

式中：I₀(λ)是入射光波长；n是法珀腔内介质折射率；R₁和R₂是图1所示两个反射端面1和2的反射率；C为常数；a为敏感膜片有效半径；D为抗弯刚度；g为重力加速度；h为敏感膜片厚度；ρ为膜片材料密度；E为膜片材料弹性模量；μ为膜片材料泊松比。

根据式(1)～(3)，可以得出在材料选定，EFPI光纤传感器工作性能主要参数I、f和y由敏感膜片厚度h、半径a、法珀腔腔长l和法珀腔的两个反射端面反射率R₁、R₂决定。敏感膜片的固有频率f与其厚度h成正比，与膜片的有效半径a的二次方成反比；在保持膜片固有频率f不变时，振动膜片的厚度h越薄，膜片的灵敏度S越大。

目前，常用于变压器等电力设备局部放电超声波信号检测的EFPI光纤传感器法珀腔探头加工制备方法如图2所示，采用石英作为敏感振动膜片，利用粘结剂与石英管进行联接；光纤利用粘结剂与光纤准直器进行固定联接；最后利用粘结剂将石英管与光纤准直器进行固定联接，从而形成了具有敏感膜片厚度h、有效半径a和法珀腔腔长l的法珀腔探头。该方法在制作过程中容易出现端面损坏、污染等问题，仅适用于实验室初级阶段研制和试验用，需加工多种尺寸结构传感器且数量不多时具有容易实现、成本较低的优势，但由于是人工手动拼接，在局部放电超声波信号检测的谐振固有频率高达十数kHz，即法珀腔探头的主要结构参数如敏感膜片厚度h为微米级时，传感器结构参数重复性差，且无法实现大批量加工制备。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头的制造方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头的制造方法，包括以下步骤：

步骤1)局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头敏感膜片结构及辅助定位结构加工；

步骤2)小孔即法珀腔加工；

步骤3)大孔即光纤安装定位阶梯孔加工；

步骤4)法珀腔敏感膜片内表面镀膜；

步骤5)法珀腔探头光纤装配。

优选地，所述的敏感膜片结构及辅助定位结构加工具体过程如下：

由Si材料的器件层A、SiO₂间隔层B及Si材料的衬底层C组成的SOI片作为加工对象；SOI片经HF溶液去除表面氧化物后，采用感应耦合的离子干法刻蚀工艺得到敏感膜片结构及辅助定位结构，器件层A决定了敏感膜片的厚度h。

优选地，所述的辅助定位结构为在敏感膜片结构***环绕一个圆环凸台，凸台厚度为珐珀腔长l，圆环凸台直径为用于装配的光纤直径。

优选地，所述的凸台厚度可通过镀膜工艺调节；所述的凸台***由圆环凹槽和四个定位箭头组成，装配时圆环凹槽作为固定光纤时的滴胶槽以防止胶体流入敏感膜片表面，并观察箭头以确定光纤外径与圆环凸台外径重合，从而实现较好的同轴度。

优选地，所述的小孔即法珀腔加工具体为：

在步骤1)得到敏感膜片结构及辅助定位结构后，根据敏感膜片有效半径a对SOI片进行反面套刻，形成小孔即法珀腔。

优选地，所述的大孔即光纤安装定位阶梯孔加工具体为：

根据法珀腔腔长l和光纤外径2b刻蚀大孔，形成光纤安装定位阶梯孔并准确控制法珀腔腔长l以及法珀腔与光纤的同轴度。

优选地，所述的法珀腔敏感膜片内表面镀膜具体为：

在步骤3)刻蚀结束后，采用电子束蒸镀仪镀金反射膜提高膜片反射率，并对敏感膜片内侧进行反射率端面反射率R₁与光纤端面反射率R₂进行优化配对。

优选地，所述的法珀腔探头光纤装配具体为：

选用的光纤利用步骤1形成的辅助定位结构加工与步骤4后形成的法珀腔探头进行装配，在光纤护套上涂覆密封胶水，基于安装定位阶梯孔实现牢固联接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、EFPI传感器工作性能主要参数由敏感膜片厚度h、膜片工作半径a、法珀腔腔长l和法珀腔的两个反射端面反射率R₁、R₂决定，本发明法珀腔探头加工制备工艺可以实现敏感膜片厚度h、膜片工作半径a、反射端面反射率R₂的精准控制，利用SOI片实现了μm级敏感膜片法珀腔探头的大批量加工制备。

2、采用辅助定位结构及阶梯孔，保证了光纤芯径和膜片中心反射区域的同轴度和法珀腔腔长l的精准控制，确保了法珀腔按设计腔长长度l处于稳定工作点。

附图说明

图1为光纤EFPI超声波传感器法珀腔探头结构和参数示意图；

图2为现有的局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头加工制备方法；

图3为本发明所示的局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头加工制备工艺。

图4为采用本发明所示工艺加工的显微镜下的阶梯孔支撑梁臂式敏感膜片。

图5为采用本发明所示工艺加工的局部放电EFPI光纤传感器检测超声波信号示例。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

一种局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头制造方法，如图2所示，包括局部放电EFPI光纤传感器法珀腔探头敏感膜片结构及辅助定位结构加工、小孔即法珀腔加工、大孔即光纤安装定位阶梯孔加工、法珀腔敏感膜片内表面镀膜和光纤装配5个步骤组成。

所述的步骤1：敏感膜片结构及辅助定位结构加工。采用各层厚度可以制定的，由Si材料的器件层A、SiO₂间隔层B及Si材料的衬底层C组成的SOI片作为加工对象；SOI片经HF溶液去除表面氧化物后，采用感应耦合等离子干法刻蚀工艺得到敏感膜片结构及辅助定位结构，器件层A决定了敏感膜片的厚度h。该辅助定位结构，在敏感膜片结构***环绕一个圆环凸台，凸台厚度为珐珀腔长l，可通过镀膜工艺调节，圆环凸台直径为用于装配的光纤直径；凸台***由圆环凹槽和四个定位箭头组成，装配时圆环凹槽作为固定光纤时的滴胶槽以防止胶体流入敏感膜片表面，并观察箭头以确定光纤外径与圆环凸台外径重合，从而实现较好的同轴度。

所述的步骤2：小孔即法珀腔加工。在步骤1基础上，得到敏感膜片结构及辅助定位结构后，对SOI片进行反面套刻，根据敏感膜片有效半径a，形成小孔即法珀腔。

所述的步骤3：大孔即光纤安装定位阶梯孔加工。在步骤2的基础上，根据法珀腔腔长l和光纤外径2b刻蚀大孔，形成光纤安装定位阶梯孔并可以准确控制法珀腔腔长l以及法珀腔与光纤的同轴度。

所述的步骤4：敏感膜片内表面镀膜。刻蚀结束后，采用电子束蒸镀仪镀金反射膜提高膜片反射率，改善珐珀腔光学性能，增强反射光强变化，提高传感器信噪比。即根据(1)对敏感膜片内侧进行反射率端面反射率R₁与光纤端面反射率R₂进行优化配对，实现法珀腔在选定光源下稳定工作。

所述的步骤5：法珀腔探头光纤装配。选用的光纤利用步骤1形成的辅助定位结构加工与步骤4后形成的法珀腔探头进行装配，在光纤护套上涂覆专用密封胶水，基于安装定位阶梯孔实现牢固联接。

采用本发明加工制备工艺的实施案例：形成的法珀腔探头端部尺寸为3×3mm，略大于光纤直径2.5mm，敏感膜片固有频率覆盖局部放电超声波频带20kHz-200kHz，一张4英寸SOI片上可一次加工出500多个法珀腔探头。图4所示为显微镜下的阶梯孔支撑梁臂式敏感膜片，支撑梁臂的长度L＝142μm、截面宽度w＝15μm，中心敏感单元的有效半径a＝79μm，膜片厚度h＝5μm。图5为本发明所示工艺加工的局部放电EFPI光纤传感器检测超声波信号示例。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。