一种振动波微纳电容传感器及流体管道振动波监测阵列的制作方法

本发明涉及监测技术领域，尤其涉及一种振动波微纳电容传感器及流体管道振动波监测阵列。

背景技术：

管道输运是运输业中很重要的一种运输方式。管道输运具有自己特有的优势，效率高，污染小，成本低并且受外界影响小，所以几乎所有的流体都用管道来运输，近年来，管道输运更是得到了迅速的发展。中部某二线城市地下涉水管网已超过8000公里（2017年数据）；其中自来水管道4049公里，暖气输水管道1700公里，燃气管道1000公里。而我国现有原油管道2.7万公里、成品油管道2.1万公里、天然气主干道历程6.4万公里（2016年数据），并预计到2025年，我国油气管网规模将达到24万公里。以此为基础推断，包括石油、天然气输运管道在内，人类建造的流体运输管道网络长度已经是一个非常庞大的数字。

流体运输管道包括埋于地下的上水和下水管道、供暖热水管道、长距离输油和天然气等能源输运管道，以及建筑、大型流体存储、输运装备和飞机、舰船中难以直接观察、目视检查的输油、输气、输水管道。这些管道材质是球墨铸铁、镀锌钢管、钢铁水泥管、聚合物（pvc、ppr、ppp、pe）、不锈钢管、陶瓷管等，在使用过程中经常会出现由于腐蚀、应力、水锤效应振动、施工缺陷、材料失效和地面移动等导致管道应力集中、破裂、跑冒滴漏现象，极易造成输运流体损耗（＞20%）、环境污染、甚至引发火灾、生物毒害等。

非可视流体管道网络是现代文明的重要组成部分。远距离油气输送管道里程长，是重要的油气输送方式之一；而集中在城市地下的各种涉水、天然气管网基本上都是管道出现破损已经造成泄漏才能检查出来，被动检测方式对管道的破损点定位困难、常常造成输运流体损耗甚至环境污染、毒害动植物。

流体输运管道在长期运行过程相当建设初期管道物理特征而出现的破口漏点、渗漏点、管道腐蚀变薄区域、杂质堆积促使管道压力增大区域，称之为奇点，总结的说，输运管道已经或者在不远的将来会破裂造成流体泄漏的点，管道中不同于常规运行状态物理特性的特定位置为奇点。

目前，管道奇点定位的方式主要有以下几种：（1）依靠现有的探地雷达、听诊器、压力陡降、流体泄漏残留的环境检测等后发被动监测，这种检测方式显得相当困难，并造成资源浪费。（2）采用光纤或电缆分布式传感器进行主动检测，这种检测方式检测精度高、定位准确，但在管道铺设安装时就需要同步铺设光缆或电缆，修复或更新都比较困难，尤其是对于老旧流体管道网而言，补设光缆或电缆成本太高。（3）近年来逐渐发展起来的基于流体管道自身部分特性实现定位和测试，例如轻管、红外成像、声波法、负压波法、支持向量机法、磁流泄漏法、自适应无线传感器法、稀疏流量测量法、瞬态压力波震荡、灰色关联分析、遗传算法结合逆瞬态波、随机连续线形估计法、压力点沿线分析法、质量/提及平衡法、数字信号处理法等。这些检测方法依然依靠管道破裂后流体泄漏后才能够根据破口管道、流体特质进行检测，是后发检测，不可避免会造成流体损耗、环境污染、影响人们生活等等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种振动波微纳电容传感器，能够灵敏的反映流体管道振动波特性，并提供一种流体管道振动波监测阵列，利用监测阵列中均匀排布的振动波微纳电容传感器全面监测流体管道的振动波，振动波微纳电容传感器反映流体管道中的奇点，为定位流体管道中出现的奇点提供技术支持。

本发明采用的技术方案为：

一种振动波微纳电容传感器，包括外壳，所述的外壳包括上半壳和下半壳，所述的上半壳和下半壳之间固定设置有隔离薄膜；所述的隔离薄膜与上半壳构成第一腔室，所述的隔离薄膜与下半壳构成第二腔室，所述的第一腔室和第二腔室体积相等；

所述的隔离薄膜的上壁镀有第一金属膜，所述上半壳的内壁对应第一金属膜镀有上金属膜，所述的第一腔室中充有第一气体作为电介质，从而构成第一电容，第一金属膜和上金属膜作为第一电容的两个极板；

所述隔离薄膜的下壁镀有第二金属膜，所述下半壳的内壁对应第二金属膜镀有下金属膜，所述的第二腔室中充有第二气体作为电介质，从而构成第二电容，第二金属膜和下金属膜作为第二电容的两个极板；

所述第一电容的两个极板引出第一组接线端子；所述第二电容的两个极板引出第二组接线端子。

所述的第一气体和第二气体的密度不同，第一腔室中的第一气体和第二腔室中的第二气体等体积、等压强。

所述的第一气体和第二气体均为纯净气体。

所述的第一气体为氮气，所述的第二气体为氩气。

第一电容和第二电容空间拓扑结构一致。

所述的外壳为薄膜状。

所述的上半壳和下半壳以隔离薄膜为对称面对称，所述的第一金属膜和第二金属膜以隔离薄膜为对称面对称且有效面积相等；所述的上金属膜和下金属膜与隔离薄膜为对称面对称且有效面积相等。

所述的外壳外壁上设置有卡接翼。

所述振动波微纳电容传感器的流体管道振动波监测阵列包括固定环，所述的固定环开设有多个传感器安装孔，所述的传感器安装孔沿固定环周向均匀排布；所述的振动波微纳电容传感器放置于传感器安装孔中，每个振动波微纳电容传感器的第一电容和第二电容的分别并联于供电回路中，每个振动波微纳电容传感器第一电容和第二电容的信号输出端连接外部的处理器的信号输入端。

所述的传感器安装孔中填充耦合剂。

本发明在外壳中设置隔离薄膜，并在外壳内壁和隔离薄膜两侧壁镀金属膜，形成第一电容器和第二电容器，隔离薄膜随振动波振动引起第一电容和第二电容值的改变，从而反映振动波的特性，从而将流体管道壁振动波特征参数检测出来，并根据特征参数集的变化趋势监测管道内部是否有奇点，并为奇点的精确定位提供技术支持；通过设置固定环以及均匀排布在固定环中的多个振动波微纳电容传感器，构成流体管道振动波监测阵列，流体管道振动波监测阵列直接、全面的检测到流体管道上时刻存在的振动波（水锤波），通过对阵振动波微纳电容传感器输出信号的波形特征参数变化进行分析管道中有无奇点，实现对流体运输管道主动型、预判型的管道网络自检测，可在漏点破裂泄漏之前、甚至存在渗漏等管道奇点出现之前提前高精度定位和开挖检修，并为后续进一步精确定位管道奇点提供技术支持，从而有效遏制流体损耗和污染使管道破损泄漏导致流体损耗得到有效控制、减少资源浪费、人员和环境损耗，且结构简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明振动波微纳电容传感器结构示意图；

图2为本发明振动波微纳电容传感器剖视示意图；

图3为本发明流体管道振动波监测阵列结构示意；

图4为本发明流体管道振动波监测阵列原理图；

图5为本发明工作原理示意图；

1、流体管道；2、奇点；3、外壳；3-1、上半壳；3-2、下半壳；4、隔离薄膜；5、第一腔室；6、第二腔室；7、第一金属膜；8、上金属膜；9、第二金属膜；10、下金属膜；11、卡接翼；12、固定环；13、传感器安装孔；14、总线；15、正极导线；16、负极导线；17、电源接口；18、总线接口；19、振动波微纳电容传感器；20、连接螺栓。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明所述的振动波微纳电容传感器19包括外壳3，所述的外壳3包括上半壳3-1和下半壳3-2，所述的上半壳3-1和下半壳3-2之间固定设置有隔离薄膜4；所述的隔离薄膜4与上半壳3-1构成第一腔室5，所述的隔离薄膜4与下半壳3-2构成第二腔室6，所述的第一腔室5和第二腔室6体积相等；

所述的隔离薄膜4的上壁镀有第一金属膜7，所述上半壳3-1的内壁对应第一金属膜7镀有上金属膜8，所述的第一腔室5中充有第一气体作为电介质，从而构成第一电容，第一金属膜7和上金属膜8作为第一电容的两个极板；

所述隔离薄膜4的下壁镀有第二金属膜9，所述下半壳3-2的内壁对应第二金属膜9镀有下金属膜10，所述的第二腔室6中充有第二气体作为电介质，从而构成第二电容，第二金属膜9和下金属膜10作为第二电容的两个极板。

所述第一电容的两个极板引出第一组接线端子；所述第二电容的两个极板引出第二组接线端子。第一组接线端子和第二组接线端子的引出为现有技术，图中未示出。

当外部振动信号传输至第一腔室5和第二腔室6时，隔离薄膜4随着振动波来回振动，隔离薄膜4振动引起第一金属膜7与上金属膜8之间和第二金属膜9与下金属膜10之间的距离发生变化。

根据两极板间电容公式c=εs/d,c表征电容值，ε为极板间介质的介电常数，s为极板面积，d为极板间的距离；第一金属膜7与上金属膜8之间和第二金属膜9和下金属膜10之间的距离发生变化引起第一电容和第二电容电容值的改变，从而改变振动波微纳电容传感器19输出的电信号。第一电容和第二电容的电容值变化与振动波的频率和振幅直接相关，因此，振动波微纳电容传感器19的输出信号可反映振动波的特性，从而将流体管道1壁振动波特征参数检测出来，根据特征参数集的变化趋势监测管道内部是否有漏点、杂物堆积、材质改性等奇点2以及奇点2位置定位。

本实施例中，所述的外壳3为椭圆囊状结构。所述的外壳3外壁上设置有卡接翼11，所述的卡接翼11为环形，采用uhmwpe（超高分子量聚乙烯）材质。

优选的，所述的上半壳3-1和下半壳3-2以隔离薄膜4为对称面对称，保证第一腔室5和第二腔室6完全对称，容量相等。所述的第一金属膜7和第二金属膜9以隔离薄膜4为对称面对称且有效面积相等；所述的上金属膜8和下金属膜10与隔离薄膜4为对称面对称且有效面积相等。

所述的第一气体和第二气体的密度不同，第一腔室5中的第一气体和第二腔室6中的第二气体等体积、等压强。在同压力、同体积情况下，第一气体和第二气体的密度不同，第一腔室5中的第一气体和第二腔室6中的第二气体质量不同，对隔膜振动幅度起到放大的效果，使得第一电容和第二电容随振动波改变的电容值更加明显，提升了振动波微纳电容传感器19的检测精度。

进一步的，第一电容和第二电容空间拓扑结构一致。

振动波微纳电容传感器19是四个电极结构，电极正对面积要一样、电极边界条件要相同、电极表面粗糙形貌要一致、电极物理材质相同，通过不同密度气体的惯性冲击放大，测试振动波传输到检测点的波特性，这样的电极结构能够更加敏感的区别由于奇点存在导致振动波传输到第一是的差异性，以及两个电容值改变的相位差值能够识别振动波从哪个方向传来等。通过现有的微纳加工工艺，上述要求能够满足。

振动波在管道中阻尼传输，本身信号就很微弱，如果电极、腔室的一致性难以保障，产生较大误差，振动波传输过来产生的信号可能淹没在误差信号中，难以识别。第一腔室5中的第一气体和第二腔室6中的第二气体空间拓扑不一样，第一电容、第二电容电极边界电荷积累、毛糙部分电信号的畸变、同等应力情况下第一结构形变大小等都会导致检测信号失真，因此，第一腔室5中的第一气体和第二腔室6中的第二气体空间拓扑结构一致能够提升振动波微纳电容传感器19的精度。第一腔室5和第二腔室6拓扑结构相同，本身也是一种对检测信号的校对。

所述的第一气体和第二气体均为纯净气体。更进一步的，第一气体和第二气体均为纯净气体均为单质气体，单质气体有利于建模分析和计算。

优选的，所述的第一气体为氮气，所述的第二气体为氩气。氮气和氩气化学性能稳定，且氮气和氩气的分子量相差大，对于隔离隔膜4振动幅度起到放大的效果更为明显，从而进一步的提升振动波微纳电容传感器19的检测精度。

所述的外壳3为薄膜状。

本实施例中，所述的外壳3为采用uhmwpe（超高分子量聚乙烯）薄膜，所述的隔离薄膜4采用uhmwpe（超高分子量聚乙烯）薄膜。uhmwpe（超高分子量聚乙烯）具有耐高温性、耐磨性、自润滑性、抗冲击性、耐腐蚀性等性能，能够实现在其表面镀金属膜这一工艺。本实施例中，所述的在隔离薄膜4的上壁和下壁，上半壳3-1和下半壳3-2的内侧壁金属膜使用的是光刻和低温热塑压印技术，保证第一腔室5和第二腔室6结构尺寸参数的精度和均匀性，从而提升振动波微纳电容传感器19的检测精度。

将所述的外壳3也设置为薄膜状，能够尽可能小减轻外壳3对振动波的削弱，从而保证隔离薄膜4对振动波反应灵敏，振动幅度大，提升振动波微纳电容传感器19的检测精度。

所述的金属膜的材质采用金、银、铜、锌或铝。金、银、铜、锌和铝性能稳定，延展性好。

如图3和图4所示，本发明所述振动波微纳电容传感器19的流体管道振动波监测阵列包括固定环12，所述的固定环12开设有多个传感器安装孔13，所述的传感器安装孔13沿固定环12周向均匀排布；所述的振动波微纳电容传感器19放置于传感器安装孔13中，每个振动波微纳电容传感器19的第一电容和第二电容分别并联于供电回路中，每个振动波微纳电容传感器19第一电容和第二电容的信号输出端连接外部的处理器的信号输入端。

固定环12的设计保证监测阵列在不影响管道流体输运的情况下对管道特性进行监测。

振动波微纳电容传感器19外壳3上的卡接翼11发生形变，从而将振动波微纳电容传感器19卡接在传感器安装孔13中。

传感器安装孔13用于保护振动波微纳电容传感器19，固定环12的形状与流体管道1相匹配，从而轻松将多个振动波微纳电容传感器19组成的环形阵列放置于流体管道1内部。

所述的传感器安装孔13中填充耦合剂，所述的振动波微纳电容传感器19通过所述的耦合剂与固定环12连接，振动波微纳电容传感器19通过耦合剂采集流体管道1中的振动波。

本实施例中，所述的耦合剂选用的是石蜡油乳剂。传感器安装孔13为圆柱形。传感器安装孔13为设置于固定环12内部的盲孔或贯穿固定环12的通孔。传感器安装孔13为通孔，振动波微纳电容传感器19对振动波的采集精度更高。

流体管道振动波监测阵列的安装腔填充耦合剂，耦合剂填充振动波微纳电容传感器19与传感器安装孔13之间的空隙，不使这些空隙间的空气影响振动波的穿透；其次通过耦合剂“过渡”作用，使振动波和振动波微纳电容传感器19之间的阻抗差减小；耦合剂的使用进一步提升了振动波微纳电容传感器19的检测精度。

所述的流体管道振动波监测阵列还包括总线14，所述的每个振动波微纳电容传感器19第一电容和第二电容的信号输出端均通过总线14连接外部的处理器的信号输入端。总线14的设置优化了振动波微纳电容传感器19信号输出线的排布，使得监测阵列结构更加简洁。

本实施例中，所述的总线14采用柔性纳米总线14。

优选的，所述的固定环12内部开设有正极布线孔、负极布线孔和总线布线孔；所述的正极布线孔、负极布线孔和总线布线孔均为环形通孔，所述的正极布线孔、负极布线孔和总线布线孔分别与传感器安装孔13连通，所述的固定环12的外壁上设置有电源接口17和总线接口18；所述的正极布线孔中设置有正极导线15，所述的电源接口17正极通过正极导线15连接每个振动波微纳电容传感器19第一电容和第二电容的正极；所述的负极布线孔中设置有负极导线16，所述的电源接口17负极通过负极导线16连接每个振动波微纳电容传感器19第一电容和第二电容的负极；振动波微纳电容传感器的第一电容和第二电容相位差为90°；所述的总线14排布于总线布线孔中，所述的总线接口18通过总线14连接振动波微纳电容传感器19第一电容和第二电容的信号输出端。

在固定环12内部开设环形的正极布线孔、负极布线孔和总线布线孔，使得正极导线15、负极导线16和总线14整齐的排布于固定环12内部，环形的设计进一步优化了监测阵列的布线，使得监测阵列的布线简洁、整齐。

所述的固定环12包括第一圆环、第二圆环和连接螺栓20；所述的第一圆环和第二圆环通过连接螺栓20连接，构成固定环12；所述的正极布线孔、负极布线孔和总线布线孔均设置于第一圆环和第二圆环贴合处，便于正极导线15、负极导线16和总线14布线以及提升正极导线15、负极导线16和总线14与振动波微纳电容传感器19接线端子和信号输出端的接线速度。

总线接口18处还设置有微处理器和无线信号传输模块的发射端，外部处理器处设置有无线信号传输模块的接收端，微处理器与无线信号传输模块的发射端相连接，无线信号传输模块与外部处理器新连接，从而实现监测阵列和外部处理器之间的无线信号传输，避免了监测阵列和外部处理器信号线的使用，使得监测阵列更适用于流体管道1，也使得监测阵列是安装和使用更加方便、快捷。

所述的固定环12表面封装有防渗透膜，所述的防渗透膜采用柔性复合防渗透薄膜，保证监测阵列在流体管道1中不轻易被液体渗透，保证了监测阵列的密封性能。

本实施例中，所述的固定环12采用聚合物材料，聚合物材料保证振动波微纳电容传感器19在管道振动挤压时不受损坏。

本发明的工作原理如下：

如图5所示，流体管道1每100～1000米设置一个节点，节点之间的距离为l，节点可视为拓扑形态，在每个节点处安装一个流体管道振动波监测阵列。

流体管道振动波监测阵列中的振动波微纳电容传感器19随着振动波改变第一电容和第二电容的电容值，直接检测到流体管道1时刻存在的振动波（水锤波）；通过阵列结构精确定位管道出现故障（奇点2）的具体位置，流体管道1壁上奇点2的形成在流体管道振动波监测阵列的振动波微纳电容传感器19中都会产生波形特征参数变化。通过波形参数集的变化，用时差定位法确定该奇点2的位置。振动波微纳电容传感器19环状均匀排布的结构检测振动波传输差异能够判断流体管道是否出现奇点2，实现对流体运输管道主动型、预判型的管道网络自检测，可在漏点破裂泄漏之前、甚至存在渗漏等管道奇点2出现之前提前高精度定位和开挖检修，并为后续进一步精确定位管道奇点提供技术支持，从而有效遏制流体损耗和污染使管道破损泄漏导致流体损耗得到有效控制、减少资源浪费、人员和环境损耗。