技术领域
[0001] 本
发明属于材料领域，涉及一种传感器制备液及其应用，具体涉及缆式传感器制备液及其应用。
背景技术
[0002] 目前传感器在气体、压
力、
超声波、振动方面都得到了广泛的应用，随着集成
电路工艺的普及，开始出现了各种微型
薄膜类传感器，广泛用于工业和民用经济领域。
[0003] 但当前基于压电材料的传感器方向还存在另一个空缺，即在监测区域空间狭窄，或监测区域较大时，现有的压力材料制备的传感器往往无法满足实际需求。
[0004] 而传统的压电
电缆只是一种同轴结构的单芯电缆，其线芯之间有压电材料，但线芯和屏蔽金属层之间有较厚的绝缘层，工作
频率窄，自身柔性差，只能响应重磅压力导致的形变，使得现有的压电电缆只能用于压力数值较大(如数十公斤到数百公斤)的低频场合，如人体地面入侵，
汽车安检等地面压力的检测，而无法作为高灵敏度的传感器用于检测缝隙、高频振动、
温度等。
[0005] 本
专利一个典型的应用是：针对一个狭长区域的监测，比如说
桥梁的内部
缺陷监测，现有的微型传感器需要布置多个安装点，或者需要考虑优选一些监测
位置节省传感器布点数量，这显然不是一种非常有效的解决办法，因为传感器数量多了，必然产生传感器之间相互配合，组网及信息相互干扰的问题，如果监测点密集，某些区域的传感器不工作或工作异常，则可能对监测结果误判。
发明内容
[0006] 本发明的第一目的是提供一种传感器制备液，并提供传感器制备液的应用。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] 一种传感器制备液，所述制备液主要化学成分包括压电粉末、磁敏材料、有机
硅、环
氧树脂以及粘结剂；所述化学成分的体积占比为压电粉末5％-50％，
环氧树脂1％-30％，磁敏材料5％-15％，有机硅20％-50％，粘结剂1％-10％。
[0009] 所述环氧树脂为脂环族环氧树脂。
[0010] 所述压电粉末为
石英、铌酸锂、焦
硼酸锂、胆酸锂、锗酸铋、
钛酸钡、
硅酸镓镧、铌酸
钾、锆钛酸铅、铌酸钾钠、偏铌酸钾钠、偏铌酸锶钡、铌镁锆钛酸铅、铌锂锆钛酸铅、氧化
铝、氧化锌、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯中的一种或多种混合而成；
[0011] 所述磁敏材料为软磁
铁氧体、锰锌铁氧体、钴铁氧体、铁硅铝、镍-锌铁氧体、镍锌铁氧体、锰镁锌铁氧体中的一种；
[0012] 所述有机硅为硅烷
偶联剂，乙烯基硅烷、
氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、室温硫化硅
橡胶、硅树脂中的一种或多种。
[0013] 目前基于压电材料的传感器在气体、压力、
超声波、振动方面都得到了广泛的应用，但现有的压力材料制备的传感器往往无法满足实际需求。本发明所述传感器制备液不仅包含压电粉末还包括磁敏材料，利用电磁耦合和压电材料的机械-电气
信号转换技术的结合，利用该材料可制备出典型的电磁耦合
和声表面波复合传感器。
[0014] 为了提高传感器的性能，本
申请所使用环氧树脂采用脂环族环氧树脂，这类环氧树脂具有较高的压缩与拉伸强度；长期暴置在高温条件下仍能保持良好的力学性能；耐
电弧性、耐紫外光老化性能及耐
气候性较好。
[0015] 本发明还提供了所述传感器制备液在缆式传感器中的应用。
[0016] 采用所述传感器制备液制备缆式传感器，所述缆式传感器由带线芯、护套的电缆和传感器制备液组成：
[0017] 所述电缆为单芯电缆、多芯电缆、
泄漏电缆、
馈线电缆、硅胶管缆或聚氨酯管缆；
[0018] 所述线芯为裸露或带绝缘包裹的线芯、微型PCB印制
铜线、叉指
电极。
[0019] 所述传感器制备液制备的缆式传感器，能够实现传感器灵活伸缩、可用于狭长区域、立体监测设备，也可用于平面宽阔区域的监测应用，从而有效提升了应用范围。
[0020] 所述的缆式传感器的制备方法为：将传感器制备液通过灌封、
喷涂或填充的方式加入所述电缆的护套与线芯之间，待传感器制备液
固化后，形成缆式传感器。
[0021] 所述缆式传感器具有以下优点：
[0022] 首先，它解决了传感器在平面或狭窄区域监测工作时的外部形状问题，可以根据现场情况直线铺设实现电缆沿线设备的状态监测，也可以将电缆弯曲形成较宽的
覆盖面，达到面监测的目地，避免多只传感器布置带来的匹配，供电复杂和安装可靠性问题。
[0023] 其次，它利用了线芯在制备液固化材料中的结构，将立体声表面波和
电磁感应原理结合，实现较好的探测灵敏度。比如采用单芯结构时，信号在线芯两端注入时，电
磁场效应会在线芯周围产生感应
电压，该感应电压与压电类材料形成电-机转换，产生振动信号。该振动信号在缆式传感器内部传播，当遇到外部压力或其他振动信号时，改变了缆式传感器内部的振动频率，从而改变了振动-
电信号的机-电转换频率，使得回馈到线芯中的电信号发生幅度和频率改变。
[0024] 本专利的缆式传感器即可用于有源状态驱动的数字测频的工作方式，又可用于无源状态的监测输出，因而有较高的灵活性。本发明利用了电磁感应和机电耦合原理实现的缆式传感器结构，具备模拟量输出和
数字量输出的特点，可以通过测量
输出电压的模拟方式实现，也可以通过测量
输出信号的频率的数字方式实现。
[0025] 所述缆式传感器可作为
数字传感器、模拟传感器或无线传感器使用：
[0026] 1)数字传感器：给缆式传感器注入电压信号，频率为f1；测试回馈的电压反射信号或
电流回馈信号，频率为f2；对输入电压信号和回馈电流信号或电压反射信号的频率进行比较分析(Δf＝f1-f2)，根据Δf数值大小获得缆式传感器的工作状态；
[0027] 2)模拟传感器：测试缆式传感器中
导线的电压信号：缆式传感器为单芯电缆结构的，测试线芯两端的电压信号；缆式传感器为多芯电缆，测试任意单芯电缆两侧的电压信号或两芯导体之间的电压信号；根据电压信号计算得到信号强度和频率；
[0028] 3)无线传感器：将缆式传感器制成螺旋状、管状、U型、J型或鱼骨型；在缆式传感器工作时，将内部的超声波或振动信号转换成的电信号通过线芯对外发射传递；远端接收到缆式传感器发射的无线信号后，通过2)或3)的方法获得缆式传感器的工作状态信号。
[0029] 本发明利用了电缆中的导线实现了探测信号的传输，实质是一种利用了电磁耦合和压电材料的机械-电气信号转换技术的结合，是一种典型的电磁耦合和声表面波复合传感器，既可以作为模拟传感器，又可以作为数字传感器。
[0030] 特别的，本发明的缆式传感器可用于电力电缆的状态监测，优选的，用于电力电缆中间接头的鼓包、放电的监测。
[0031] 本发明还提供了所述传感器制备液在电缆缺陷治理中的应用。
[0032] 所述电缆的缺陷治理方法包括：
[0033] 1)向需缺陷治理或需
预防缺陷产生的电缆中注入二氧化钛、钛催化剂或硅钛催化剂，清洁电缆内部的杂质；
[0034] 2)给所述电缆施加带偏置电压的高频单频率电压信号、扫频电压信号或调频信号；所述偏置电压占比为1％-49％；
[0035] 3)向电缆的线芯、铠装层、屏蔽层或护套层注入传感器制备液；
[0036] 4)在高频电压作用下，产生高频
电磁场和偏置电压下产生直流极化
电场，与传感器制备液中的磁敏材料实现电磁耦合，从而在电缆线芯中快速产生均匀的高频电磁场；
[0037] 5)高频电磁场及高频电流共同作用下，压电材料发生电-机转换，产生振动信号或超声波信号，剥离线芯氧化层和绝缘层的积
碳、灰尘、
微生物或污垢，振动信号还推动制备液在电缆本体中的均匀渗透。
[0038] 所述步骤3)中注入传感器制备液时，加入正电荷牺牲剂或负电荷牺牲剂。
[0039] 交流电场作用下，压电材料持续产生机-电转换，分解
水性分子，将水性分子分解为氢氧化物：当加入一种正电荷牺牲剂时，如亚
硫酸钠正电荷牺牲剂，会使得水分解后的产物为氢气和氢氧化物；当加入负电荷牺牲剂时，水将分解为氧气和氢氧化物。
[0040] 特别的，本发明涉及的电缆的缺陷治理，还可用于新型电力电缆的生产(智能传感、抗老化等)、用于电缆中间接头制作过程中的预防缺陷的关键技术，或用于废旧电缆的可靠性提升、废旧电缆的
回收利用、电缆中间接头或防爆盒的智能化升级改造、护套层脱锈、清除微生物等。
[0041] 本发明具有如下优点和有益的效果：
[0042] 本发明的缆式传感器制备方法，实现了将电缆作为传感器的经济可靠的解决方案，同时实现了电缆缺陷的治理方案，该缺陷治理方案有如下优势：
[0043] (1)通过程序化的分布式治理，解决了现有的电缆老化修复方案中将修复液作为调制后的化学成品，可能导致杂质物与修复
液化学反应并停留在电缆内部的问题；
[0044] (2)通过高频磁材料和压电材料的混合，结合高频磁场作用，实现了制备液在电缆内部的均匀渗透和除尘功能，解决了现有的电缆老化修复过程中并未充分考虑线芯氧化层、绝缘层放电遗漏杂质的问题；
[0045] (3)实现了制备后，内部保留了磁和压电材料，将电缆既作为电力或信息通信设备，又可作为传感器的功能，便于后期维护；
[0046] (4)实验证明，在工作电压下，实现了内部压电材料和磁敏材料的持续作用，优化电缆绝缘防护层和线芯的结果，将微小颗粒物停留在线芯缝隙中，有防止颗粒物进入绝缘层产生破坏，并使得电缆绝缘层中的微小缝隙产生微振动，自脱离放电残留物，保持较好的弹性系数，产生缝隙自恢复的作用。
[0047] (5)适用于对带缺陷电缆的可靠性提升，可以对电缆内部的积碳和杂质通过超声波或微振动进行清除，结合高频偏置电场和制备液与潮气进行中和，同时还可以优化内部电场结构，降低电缆损耗，提升抗
腐蚀、抗老化的能力。
附图说明
[0048] 图1双线芯缆式传感器示意图；
[0049] 图2三线芯缆式传感器示意图；
[0050] 图3弯曲型缆式传感器示意图；
[0051] 图4弯曲型缆式传感器用于桥梁振动监测示意图；
[0052] 图5缆式传感器用于温度检测示意图；
[0053] 图6缆式传感器用于用于高压电力电缆中间接头检测示意图；
[0054] 图7缆式传感器用于空气污染粒子探测示意图。
[0055] 图中：1、线芯1；2、线芯2；3、护套；4、传感器材料；5、线芯3；11、信号发生器；12、采集器；13、模拟数字转换器；18、敏感涂层；19、缆式传感器；20、弯曲型缆式传感器；21、桥梁；22、铜铲；23、高温设备；24、高压电力电缆中间接头；25、高压电力电缆线芯
具体实施方式
[0056] 下面将结合本发明
实施例及实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057] 实施例1
[0058] 如图1所示，所述缆式传感器为双线芯缆式传感器，长度20cm，线芯1 1和线芯2 2作为输出信号的两个端点，所述传感器材料4由传感器制备液固化生成，所述传感器制备液：压电粉末50％，环氧树脂10％，磁敏材料15％，有机硅20％，粘结剂5％。其中压电粉末采用铌酸钾(KNbO3)，环氧树脂为脂环族环氧树脂，有机硅采用室温硫化硅橡胶，磁敏材料为锰锌铁氧体，粘结剂为E-44环氧树脂胶。
[0059] 信号发生器11通过线芯1 1，线芯2 2
端子给缆式传感器注入
测试电压信号，并在另一端的输出端经采集器12获得输出电压值和输出电压信号的频率值。这里输出端连接的采集器12是并联连接关系，所述采集器可包括信号采集器和/或计数器，为方便说明，本发明不进行具体区分。
[0060] 设该缆式传感器用于监测高压
开关柜的振动信号，将该传感器垂直方向布置在电气开关柜体上面。当开关柜正常工作时，线芯之间输出端的电压信号经采集及计数器测量得0.1V，中心频率为100kHz。当在线芯1和线芯2之间施加1MHz电压信号时，在线芯之间输出端信号通过采集及计数器的频率为1MHz。当开关柜内部发生放电时，产生超声波振动信号，缆式传感器之间输出电压为2.6V。线芯之间施加1MHz电压信号时，输出信号频率为0.95MHz，差异频率为0.05MHz。
[0061] 由此可见，该传感器即可以通过测试模拟电压方式工作，也可以实现高频信号穿越传感器时获得的频率差得到传感器的状态输出。
[0062] 需要说明的是，当缆式传感器只有单芯电缆时，则可以在传感器单芯线芯两侧测试输出电压值，由于缆式传感器内部的压电材料作用，在感应外部振动时，会产生机-电转换，并结合内部的磁敏材料的作用，迅速将高频
信号传输出来。因此，如果需要对单芯结构的缆式传感器作为数字传感器使用，即通过测试频率变化的方式获得传感器工作状态，则直接对单芯电缆两端输入高频信号f1，并同时测量反射的高频信号f2，或测量电流信号f3,通过f1-f2或f1-f3获得差频信号。显而易见，当采用单芯电缆时，需要在1，2信号注入端连接
波形采集器或示波器用于测量反射信号，这里不再做描述。
[0063] 实施例2
[0064] 当线芯数量较多时，既可实现传感多路输出，如图2所示，与实施例1不同之处，增加了一条线芯3 5：
[0065] 设传感器测试信号为1MHz，信号发生器11通过线芯3 5注入，在缆式传感器内部磁敏材料和压电材料作用下，通过线芯3端子注入的高频信号经传感器材料4中压电材料产生电-机械信号转换，同时在另一条线芯2 2产生机械-电信号转换，获得电信号。需要说明的是，由于电磁场感应的原因，当在线芯3端子中注入高频信号时，在另外两条线芯之间产生耦合电压，该耦合电压与压电材料的
电机-机电转换后的信号进行
叠加，获得最终的信号。因此，在另外两条线芯1和线芯2之间均可以获得相同频率的信号。
[0066] 设线芯1端子与模拟数字转换器13相连，直接进行电压值的测量，线芯2端子与采集器12相连，所述采集器为频率计数器，获得频率信号。由此可见，本实施例完成了线芯之间通过电磁和压电耦合两种方式实现测试，其中压电耦合可以灵敏的感应缆式传感外部感应的压力或振动或温度信号，而电磁耦合方式也可以感应外部的压力信号，如产生压力时，在线芯之间的等效电容发生变换，或线芯自身的等效电感发生变化，都会影响信号传输特性。基于本发明缆式传感器的结构，可以获得丰富的状态信息用于分析。当然，也可以通过调整制备材料的比例，降低或提高电磁耦合系数，或降低或提高机电耦合系数等。
[0067] 实施例3
[0068] 如图3所示，缆式传感器为单芯结构，传感器制备液选择为：压电粉末70％，环氧树脂10％，磁敏材料5％，有机硅10％，粘结剂5％。缆式传感器长度为2000cm，弯曲成如下形状，作为弯曲型缆式传感器用于桥梁振动监测，外部尺寸为：800cm×50cm。
[0069] 典型的应用于桥梁21，设桥梁21需监测的长度为8米，高度为0.5米，如按照传统的点监测传感器，每只点监测传感器监测仅0.1平方米范围，则至少需要40个点监测传感器才能达到精密监测的目的。传感器布点多了，显而易见还会引入传感器之间的信息和供电互联、安装的各种问题，影响可靠性。由图4所示，该弯曲型缆式传感器布置于桥梁之下，一端与信号发生器11相连，另一端与采集器12相连，可实现4平方米范围的探测。设在工作状态下，感应的振动信号范围3000Hz-400kHz,则通过弯曲结构的线圈电感作用，实现将信号对外发射。如需要增加发射功率，可以在线芯两端连接一500欧姆
电阻值，提高线圈内部的电流，从而实现更远距离的发射。
[0070] 实施例4
[0071] 如图5所示，与实施例1-3不同的之处在于，设缆式传感器为双线芯结构，其中一根线芯与外部的铜铲22相连，铜铲22与高温设备23相连，实现高温传递。设缆式传感器长度为6cm，外部铜铲22长度为1cm。设常温25℃下，给缆式传感器通过信号发生器11注入433MHz信号，另一端采集器12获得的回馈电流信号频率为432.6MHz，差频为0.4MHz.
[0072] 经过铜铲
接触外部高温设备后，设高温设备温度为480℃。在另一根线芯中注入433MHz信号后，获得的回馈电流信号频率为430.1MHz，差频为2.9MHz。由此可见，差频信号和缆式传感器内部感应到的温度有直接关联，通过对实验室模拟对比测试，可以获得较准确的差频信号和温度的对应关系，这里不做具体描述。
[0073] 实施例5
[0074] 如图6所示缆式传感器长度为80cm，双芯结构，用于监测高压电力电缆中间接头的状态。
[0075] 将缆式传感器19缠绕在外部，所述高压电力电缆中间接头24为10kV XLPE绝缘电缆中间接头，正常状态下，缆式传感器双芯线缆之间的电压为0.16V，当被检测的XLPE高压电缆内部高温发生鼓包时，缆式传感器内部的压电材料
感知到该形变，在内部产生机械-电信号转换，耦合到线芯中。设线芯探测的电压由0.16V增加到了0.33V，可判断为鼓包现象。设被监测电缆在鼓包一段时间后，在外绝缘产生了缝隙，有潮气进入，带动内部绝缘性能下降，产生了高压放电现象。该高压放电产生了高频超声波信号并带动外部护套振动，缆式传感器感知到后，在内部产生快速的机械-电信号转换，并结合内部的磁敏材料快速耦合到线芯，线芯端监测到的电压达到3.6V，通过
频谱仪观测电压频谱，其中心频率为60kHz。很显然，本实施例也可以通过在线芯两侧或线芯之间注入高频信号，采集反馈电压或电流信号，计算
频率偏差的方式获得高压电缆中间接头的变化，这里频率偏差的方法和实施例1，实施例4的方法雷同，不另作描述。
[0076] 实施例6
[0077] 与实施例1-5不同，采用对缆式传感器涂抹敏感材料进行相关参数的探测。设缆式传感器19长度为10cm，在中心点两侧0.2cm范围，将外部护套剥离，并在该剥离后的区域涂抹碳
纳米材料，形成敏感涂层18，用于空气中污染粒子的探测。当敏感涂层在缆式传感器19驱动电压下，形成微弱的电场信号，该电场信号由于碳纳米的敏感涂层对外部环境敏感的原因，迫使缆式传感器线芯之间的耦合效率和信号传播速度发生改变，从而可以通过反射电压或回馈电流，或其他线芯的耦合输出信号频率和幅度变化进行识别。本实施例压电和磁敏材料为立体灌封结构，并不是单纯平面薄膜结构，它实质利用了横向和纵向波传输的立体声表面波的概念，通过改变立体声表面波的速度达到传感目的。改变涂层材料可以达到测量其他参数如电磁场、化学气体的目的，如多个传感器涂抹不同的敏感材料联合使用，还可用于对色谱、声谱、
光谱等进行测量，这里不做详述。
[0078] 实施例7
[0079] 10kV XLPE电缆长度为100米，运行了19年，内部介质存在大量的放电间隙，部分间隙中还存在潮气和其他化学腐蚀物质，如果直接采用填充化学物质的方法，有可能部分填充化学物质无法有效的进入间隙，如果要达到较好的治理效果，则需要大量的化学材料并在高气压下长期将化学物质注入并保持在绝缘体内，高气压对电缆本体存在机械强度的损伤威胁，如果电缆内部积碳或氧化物形成的颗粒物较多，单纯的注入修复液可能造成颗粒物堆积或阻塞，长期高气压作用还可以导致颗粒物刺伤和破坏绝缘层，增加故障隐患。
[0080] 设在电缆线芯对屏蔽接
地层之间施加300kHz高频电压，峰值电压为100V，偏置直流电压占比为峰值的20％，即20V。
[0081] 给XLPE电缆首先注入500mL硅钛催化剂，注入30分钟后，给电缆注入制备液，制备液包括钛酸钡(体积比10％)、环氧树脂(10％)、软
磁铁氧体(5％)、甲基丙烯酰氧基硅烷(65％)、粘结剂(10％)。
[0082] 在高频信号作用下，电缆内部产生高频电场和高频电流，该高频信号同样作用在制备液
基础上，内部的压电材料产生高频振动。在高频振动下产生固体超声波信号，高压电缆绝缘层的间隙残留物脱落，制备液部分开始向缝隙渗透，进入间隙与间隙内部的潮气或水分进行反应生成部分固化物填充缝隙。
[0083] 同时在高频信号作用下，压电材料填充在金属缝隙中因金属导电作用，在压电颗粒边缘还会继续形成机械振动，该机械振动带动近邻压电颗粒产生微弱的电压信号。由于高频电压具有直流偏置的成分，压电材料产生的微弱电压信号同样具有直流偏置成分，因而可对绝缘层中的水分进行
电解，分解为氢氧化物、氢气和氧气。
[0084] 由于电缆绝缘材料由多种化学物质和多层结构构成，在地下运行环境又面临各种污垢，在电缆内部的微水纯度很低，因此产生的氢氧化物较多，而单纯的氢气和氧气较少。
[0085] 再加上带偏置高频电场的作用，可以在电解水的化学反应过程中，将部分正离子或负离子吸收中和，而主要剩下氢氧化物。
[0086] 实践证实，在高频信号和高频振动联合作用下，可以降低注入制备液的灌封压力，提升制备液在电缆内部的流速，提升电缆缺陷治理的均匀度，并降低制备液的用量。
[0087] 设单独采用甲基丙烯酰氧基硅烷进行电缆缺陷治理，100米电缆需要的制备液容量为30L(升)，制备时间为2小时，而采用本发明的配方，并在高频电信号作用下制备液容量为20L(升)，制备时间为50分钟，可以显著提升工作效率，并减少电缆在高压强灌封下的承受时间。
[0088] 如高压电缆运行年限仅为3年，只有内部少量区域有放电现象，则可以采用更少量的制备液(如1L-5L)完成。
[0089] 同样，本实施例的方法还同样可采用少量的制备液(典型如2L)用于高压电缆护套层与主绝缘层之间的铠装间隙层的缺陷治理，通过在铠装间隙注入制备液，利用高频电压作用产生高频振动，有效剥离铠装层的锈蚀物、微生物和虫蚁等，从而提升高压电缆护套层的可靠性。
[0090] 显而易见，经制备液治理后的高压电缆也具有了传感器功能，可以通过采集制备后电缆的高频振动信号，或高频电信号的强度和频率状态，形成参考或经验数据，用于有效
跟踪高压电缆的运行状态，减少在电缆外部布置各种探测传感器的投资和运维
费用。
[0091] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由所附
权利要求及其等同物限定。
