一种三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用

1.本发明涉及数字化先进传感技术领域，具体为一种三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用。


背景技术：

2.先进的低成本智能化传感器是实现社会数字化更高水平发展的关键，温度信号、超声信号和电磁波信号是多种场合经常需要检测的特征信号，例如在电力设备，包括电力电缆、电力变压器和气体绝缘组合电器等，以及在军事装备，包括航天器、飞机动力系统和舰艇动力系统，绝缘故障特性信号检测领域。
3.经检索到中国专利cn115307775a并公开了声表面波温度传感器及电缆接头温度监测系统，通过叉指换能器在压电衬底材料上直接激励并无源检测出声表面波，再通过反射栅对声信号进行反射叠加形成谐振，返回以谐振频率为主频的衰减震荡信号，并由叉指换能器输出，并以eva-pzt-金属纳米颗粒作为压电基片的基底材料，pzt很大的压电系数可以保证该材料兼顾柔性和压电性能，当传感器的周围环境发生变化时，传感器的谐振频率也随之发生变化，同时传感器的回波信号也随之发生相应的变化，进而解决了现有技术中的分布式光纤测温无法实现对电缆接头内部温度的监测的问题，又检索到中国专利cn114966329a并公开了局部放电绝缘缺陷一体化检测传感器，通过选择柔性薄膜式压电材料作为介质底板，与敷设其上的金属电极结构构成压电式超声传感器和特高频传感器，金属电极结构的输出端能同时输出超声波信号与特高频信号，当检测电力设备局部放电绝缘缺陷时，可内置于电力装备金属外壳内壁，根据输出的超声波信号与特高频信号到达时间的不同或者二者对应频率的不同进行区别分析，做到准确定位局放位置。
4.然而该技术无法实现对电磁波信号的同时感知，除此之外，这些传感器多数都是刚性结构，对于复杂、狭窄应用空间和曲面等非规则结构设备应用场景，这些刚性结构传感器存在安装困难的问题，目前已有比较多的柔性传感器，包括柔性温度传感器、柔性压电超声传感器和柔性高频电磁波传感器，这些传感技术能够解决复杂、狭窄应用空间和曲面等非规则结构设备应用场景，但是这些传感技术无法实现对温度信号、超声波信号和电磁波信号的同时感知，鉴于此，提出了一种三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用，具备同时感知温度信号、超声波信号和电磁波信号的优点，解决了无法同时感知温度信号、超声波信号和电磁波信号的问题。
6.为实现上述同时感知温度信号、超声波信号和电磁波信号的目的，本发明提供如下技术方案：一种三信号同时感知无源柔性传感系统，包括电磁波信号感知单元、超声波信号感知单元和温度感知单元，所述电磁波信号感知单元、超声波信号感知单元和温度感知单元均含有电磁波信号传感电极和柔性基底，所述温度感知单元含有栅电极。
7.进一步，所述电磁波信号感知单元由电磁波信号传感电极和柔性基底组成。
8.进一步，所述超声波信号感知单元由电磁波信号传感电极和柔性基底组成，所述电磁波信号传感电极为压电超声信号感知的电信号输出电极。
9.进一步，所述温度感知单元由电磁波信号传感电极、柔性基底和栅电极组成，所述电磁波信号传感电极为换能器。
10.进一步，还包括天线以及信号输出口，所述柔性基底为柔性压电材料，所述柔性压电材料是pvdf聚偏二氟乙烯，所述栅电极为反射栅。
11.进一步，所述天线、信号输出口、电磁波信号传感电极和栅电极共同构成金属电极，所述金属电极和柔性基底共同构成同时感知柔性传感器。
12.进一步，所述金属电极敷设在柔性基底上下两个表面的任意一侧。
13.进一步，所述栅电极和金属电极的材质均为铜。
14.本发明要解决的另一技术问题是提供一种三信号同时感知无源柔性传感系统的应用，三信号同时感知无源柔性传感系统在电力电缆产生局部放电上的应用。
15.与现有技术相比，本发明提供了一种三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用，具备以下有益效果：
16.1、该三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用，通过设置柔性基底、柔性压电材料、电磁波信号传感电极和反射栅，能够组成电磁波信号感知单元、温度感知单元以及超声波信号感知单元，进而实现单一传感器同时对温度信号、超声波信号和电磁波信号三种不同性质信号的感知，简化了信号感知系统的复杂程度，降低了数字化建设成本，解决了无法同时感知温度信号、超声波信号和电磁波信号的问题。
17.2、该三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用，通过将同时感知柔性传感器使用柔性基底和金属电极组成，采用柔性基底设计方式，便于在复杂、狭窄应用空间和曲面等非规则结构设备检测应用场景的使用，提高了同时感知柔性传感器的使用范围。
附图说明
18.图1为本发明一种三信号同时感知无源柔性传感系统示意图。
具体实施方式
19.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。
20.请参阅图1，一种三信号同时感知无源柔性传感系统，包括电磁波信号感知单元、超声波信号感知单元和温度感知单元，电磁波信号感知单元、超声波信号感知单元和温度感知单元均含有电磁波信号传感电极和柔性基底，温度感知单元含有栅电极。
21.并且，电磁波信号感知单元由电磁波信号传感电极和柔性基底组成，超声波信号感知单元由电磁波信号传感电极和柔性基底组成，电磁波信号传感电极为压电超声信号感知的电信号输出电极，也就是使得电磁波信号传感电极充当压电超声信号感知的电信号输出电极，温度感知单元由电磁波信号传感电极、柔性基底和栅电极组成，电磁波信号传感电
极为换能器，也就是使得电磁波信号传感电极充当换能器的作用，从而实现对热、超声和电磁三信号的同时柔性感知。
22.另外，还包括天线以及信号输出口，柔性基底为柔性压电材料，柔性压电材料是pvdf聚偏二氟乙烯，栅电极为反射栅。
23.其中，天线、信号输出口、电磁波信号传感电极和栅电极共同构成金属电极，天线用于和外部通讯天线之间的通讯，金属电极敷设在柔性基底上下两个表面的任意一侧，栅电极和金属电极的材质均为铜，金属电极和柔性基底共同构成同时感知柔性传感器。
24.本发明还提供三信号同时感知无源柔性传感系统在电力电缆产生局部放电上的应用。
25.1)将同时感知柔性传感器贴到容易产生局部放电绝缘缺陷的电缆外表面；
26.2)当电缆产生局部放电绝缘缺陷时，同时感知柔性传感器的信号输出口会先后输出电磁波信号和超声波信号，先输出的信号的电磁波信号，经过一段时间输出的信号为超声波信号，该时间差约等于局部放电源距离同时感知柔性传感器之间的距离除以超声波传播速度；
27.3)根据该时间差可以进行局部放电绝缘缺陷的初步定位。
28.其中，电磁波信号感知单元感知电磁波信号，通过信号输出口输出被检测到的电磁波信号，超声信号感知端元感知超声波信号，被检测到的超声波信号也通过信号输出口输出，信号输出口同时输出的电磁波信号和超声波信号可以根据两者信号达到时间差或者能量频谱的不同进行区分。
29.需要说明的是，对于同一端口输出的超声波信号和电磁波信号的区分可以通过时间差区分，也可以通过能量频谱的不同进行区分，对于信号源的定位是通过计算同一端口输出的超声波信号和电磁波信号之间的时间差，然后以该时间差乘以超声波传播速度，获取信号源距离热、超声和电磁信号同时感知柔性传感器的空间距离，来实现信号源的定位，具体在缺陷产生的时候会辐射超声波信号和电磁波信号时，超声波信号能量频谱主要集中在20khz-200khz，而电磁波信号能量频谱主要集中在300mhz-3000mhz，通过对电磁波信号输出口输出信号的频谱分析也可以实现对超声波信号的电磁波信号的明显区分，根据电磁波信号输出口先后输出电磁波信号和超声波信号的时间差，该时间差乘以超声波信号传播速度，可以定位出信号源的位置。
30.在通过检测超声波信号、电磁波信号和温度信号可以实现局部放电绝缘缺陷的有效检测、预警，防止局部放电绝缘缺陷演变成击穿放电故障，避免供电安全事故的发生。
31.还有，对于电磁波信号输出口，该输出口同时也是超声波信号输出口，同时输出超声波信号和电磁波信号时，由于信号源和传感器之间的空间物理距离是一定的，超声波的传播速度为数千米每秒，电磁波的传播速度则接近光速级别，二者在传播速度上有很大差别，对于相同空间物理距离，超声波信号和电磁波信号从信号源传播到同时感知柔性传感器并从电磁波信号输出口输出时，则会有一个时间差，根据该时间差可以明显区分输出的信号是超声波信号还是电磁波信号。
32.另外，温度感知单元是利用同时感知柔性传感器的天线、外部阅读器、外部通讯天线进行通讯，通过获取同时感知柔性传感器对应的声表面波谐振频率与温度之间线性对应关系，实现对温度信号的检测，电磁波信号的感知是通过电磁波信号传感电极和柔性基底
构成的电磁波信号感知单元实现对电磁波信号的感知和输出，电磁波信号输出端为电磁波信号传感电极上的一个信号输出口，超声波信号的感知是通过电磁波信号传感电极和柔性压电材料构成的超声波信号感知单元实现对超声波信号的检测，超声波信号的输出端和电磁波信号的输出口是同一个输出口。
33.上述实施例的有益效果为：
34.该三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用，通过设置柔性基底、柔性压电材料、电磁波信号传感电极和反射栅，能够组成电磁波信号感知单元、温度感知单元以及超声波信号感知单元，进而实现单一传感器同时对温度信号、超声波信号和电磁波信号三种不同性质信号的感知，简化了信号感知系统的复杂程度，降低了数字化建设成本，解决了无法同时感知温度信号、超声波信号和电磁波信号的问题。
35.同时，通过将同时感知柔性传感器使用柔性基底和金属电极组成，采用柔性基底设计方式，便于在复杂、狭窄应用空间和曲面等非规则结构设备检测应用场景的使用，提高了同时感知柔性传感器的使用范围。
36.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
37.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。

技术特征：
1.一种三信号同时感知无源柔性传感系统，其特征在于，包括电磁波信号感知单元、超声波信号感知单元和温度感知单元，所述电磁波信号感知单元、超声波信号感知单元和温度感知单元均含有电磁波信号传感电极和柔性基底，所述温度感知单元含有栅电极。2.根据权利要求1所述的一种三信号同时感知无源柔性传感系统，其特征在于：所述电磁波信号感知单元由电磁波信号传感电极和柔性基底组成。3.根据权利要求1所述的一种三信号同时感知无源柔性传感系统，其特征在于：所述超声波信号感知单元由电磁波信号传感电极和柔性基底组成，所述电磁波信号传感电极为压电超声信号感知的电信号输出电极。4.根据权利要求1所述的一种三信号同时感知无源柔性传感系统，其特征在于：所述温度感知单元由电磁波信号传感电极、柔性基底和栅电极组成，所述电磁波信号传感电极为换能器。5.根据权利要求1所述的一种三信号同时感知无源柔性传感系统，其特征在于：还包括天线以及信号输出口，所述柔性基底为柔性压电材料，所述柔性压电材料是pvdf聚偏二氟乙烯，所述栅电极为反射栅。6.根据权利要求5所述的一种三信号同时感知无源柔性传感系统，其特征在于：所述天线、信号输出口、电磁波信号传感电极和栅电极共同构成金属电极，所述金属电极和柔性基底共同构成同时感知柔性传感器。7.根据权利要求6所述的一种三信号同时感知无源柔性传感系统，其特征在于：所述金属电极敷设在柔性基底上下两个表面的任意一侧。8.根据权利要求6所述的一种三信号同时感知无源柔性传感系统，其特征在于：所述栅电极和金属电极的材质均为铜。9.一种采用如权利要求1-8中任一项所述三信号同时感知无源柔性传感系统的应用，其特征在于，三信号同时感知无源柔性传感系统在电力电缆产生局部放电上的应用。

技术总结
本发明涉及数字化先进传感技术领域，且公开了一种三信号同时感知无源柔性传感系统，包括电磁波信号感知单元、超声波信号感知单元和温度感知单元，所述电磁波信号感知单元、超声波信号感知单元和温度感知单元均含有电磁波信号传感电极和柔性基底，所述温度感知单元含有栅电极。该三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用，通过设置柔性基底、柔性压电材料、电磁波信号传感电极和反射栅，能够组成电磁波信号感知单元、温度感知单元以及超声波信号感知单元，进而实现单一传感器同时对温度信号、超声波信号和电磁波信号三种不同性质信号的感知，简化了信号感知系统的复杂程度，降低了数字化建设成本。字化建设成本。字化建设成本。


技术研发人员：徐卓砾 张国治 张晓星 王江帆 崔兆然
受保护的技术使用者：湖北工业大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/21