超声传感器优化设计与应用拓展：推动输变电设备检测技术创新 CNR223-110

项目背景

本文针对电力生产中的实际痛点，研发了超声传感器优化设计与应用拓展：推动输变电，有效提升了作业效率与安全水平。输变电设备局部放电检测对超声传感器的灵敏度和频带响应有明确要求。传统压电超声传感器多用于高频声学信号的发射或检测，随着技术发展，其频带范围已扩展至低频领域，如几十kHz甚至10kHz以下。这一变化拓宽了压电传感器的应用场景，凭借高稳定性、一致性和灵敏度等优势，逐步在低频声学市场中占据主导地位。

在空间站域、GIS和变压器等场景中，设备局放信号频带分布差异明显，对传感器的振动模态和指向性提出不同要求。若传感器轴向振动损耗大、径向振动抑制不足，会导致频带响应特性偏离目标，影响检测灵敏度。

本项目通过仿真计算与试验相结合的方法，对超声传感器结构进行改进设计，旨在减小轴向振动损耗，加强径向振动抑制，实现振动模态准确调控，并调节频带响应特性，提高指向性，开发针对多场景的高灵敏度超声传感器。

存在问题

• 轴向振动损耗大。传统结构在轴向振动中能量损失明显，导致有效信号强度下降，影响检测距离和信噪比。
• 径向振动抑制不足。径向振动未被有效约束，造成振动模态不纯，指向性变差，难以适应空间站域等场景的定位需求。
• 频带响应特性固定。传统传感器频带范围较窄，无法兼顾低频与高频段检测，难以适应GIS和变压器等不同设备的局放信号特征。
• 低频段灵敏度有限。当频带扩展至几十kHz甚至10kHz以下时，传统压电传感器灵敏度下降，检测微弱声压信号的能力不足。
• 国产化替代需求迫切。输变电设备局放检测用超声传感器长期依赖进口，成本高、供货周期长，制约在线监测装备的推广。

创新目标

通过结构改进与频带调控，开发出非接触式和接触式两类高灵敏度超声传感器，涵盖20kHz至60kHz和20kHz至200kHz检测频带，在距离声源1米条件下可检测声压级不大于33dB的超声波信号，并促进产业化应用，服务输变电设备局放检测。

技术方案

结构原理方面，项目采用仿真计算与试验相结合的方法，对超声传感器结构进行改进设计。通过调整压电元件与匹配层的结构参数，减小轴向振动损耗，加强径向振动抑制，使传感器振动模态得到准确调控。在此基础上，调节频带响应特性，提高指向性，形成针对空间站域、GIS和变压器等场景的专用传感器。

操作流程方面，非接触式传感器检测频带为20kHz至60kHz，在距离声源1米条件下，能够检测到声压级不大于33dB的超声波信号。接触式传感器检测频带为20kHz至200kHz，通过向传感器输入端注入特定脉冲信号，可观察到被测仪器数值的显著变化。两类传感器分别适用于不同检测距离和信号强度场景。

目前，该技术已在实验室环境中得到验证，展现出良好的应用前景。后续将促进产业化进程，促进超声波传感器国产化，以替代进口产品，更好服务于输变电设备局放检测。

创新亮点

• 模态准确调控：通过结构改进减小轴向振动损耗，加强径向振动抑制，使振动模态更纯净，指向性明显提高。
• 频带可调：非接触式涵盖20kHz至60kHz，接触式涵盖20kHz至200kHz，兼顾低频与高频检测需求。
• 高灵敏度：非接触式在距离声源1米条件下可检测声压级不大于33dB的超声波信号，微弱信号捕捉能力突出。
• 多场景适配：针对空间站域、GIS和变压器等场景开发专用传感器，适应不同设备局放检测要求。
• 国产化替代：促进超声波传感器国产化，降低对进口产品依赖，服务在线监测装备生产企业。

落地应用效果

该技术已在实验室环境中得到验证，并展现出良好的应用前景。预计在北京等地进行初期工程应用验证后，将首先在系统内在线监测装备生产企业进行推广应用，并逐步拓展至系统外其他生产企业。通过积累应用数据和经验，不断改进和完备产品性能，以适应更广泛的应用需求。

产出物：非接触式超声传感器、接触式超声传感器及配套检测方案。

适用场景：空间站域、GIS和变压器等输变电设备局放检测，以及在线监测装备生产企业的集成应用。

常见问题

Q：该传感器与传统压电超声传感器的主要区别是什么？

A：主要区别在于结构优化后轴向振动损耗减小、径向振动抑制加强，振动模态和频带响应特性可精准调控，指向性和低频灵敏度明显提高。

Q：非接触式和接触式传感器分别适用于什么条件？

A：非接触式检测频带为20kHz至60kHz，适合距离声源1米条件下的微弱信号检测；接触式检测频带为20kHz至200kHz，适合通过注入脉冲信号观察被测仪器数值变化的场景。

Q：该技术目前的验证状态和推广计划如何？

A：目前已在实验室环境中得到验证。预计在北京等地进行初期工程应用验证后，先在系统内在线监测装备生产企业推广，再逐步拓展至系统外其他生产企业。

数据来源：项目验收报告及现场应用统计，单位信息已脱敏处理。