導電液體微量泄漏定位檢測織物的制備及檢測系統設計

摘 要：機織結構的導電液體傳感織物能檢測微量導電液體的泄漏，但不能反饋泄漏位置。因此，基于交叉掃描原理設計了導電液體微量泄漏定位檢測織物。該織物布邊設有2n根導電經紗，將他們平均分成兩組，每組中的經紗通過重經組織與均勻布設的導電緯紗交叉地電氣相連，形成n²個檢測組合，對應織物經向上n²個定位分區。采用織樣機試織了含有6根導電經紗、9個定位分區的織物，并對織物進行了切片觀察、電氣測試、功能驗證試驗和適配檢測系統的開發。結果發現：重經組織結構可以實現織物中導電經緯紗在交匯時的可靠絕緣；重經組織結構重復性良好，可以適應規模化生產；交叉掃描方式能正確反饋泄漏所在分區；由自動選通電路和導通鑒別電路構成的檢測系統與織物匹配良好。

關鍵詞：智能紡織品；電子織物；織物結構；液體傳感器；檢測系統

中圖分類號：TS101.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2025）03-0110-08

收稿日期：2024-09-20 網絡出版日期：2024-12-23

基金項目：江蘇省高職院校教師專業帶頭人高端研修項目（2023GRFX079）；江蘇高校優秀科技創新團隊項目（蘇教科〔2023〕3號）；江蘇高校“青藍工程”中青年學術帶頭人培養對象項目（蘇教師〔2024〕14號）

作者簡介：徐帥（1983—），男，江蘇鹽城人，副教授，碩士，主要從事智能紡織品方面的研究

泄漏檢測的對象包括氣體和液體。由于氣體有較強的擴散作用，單點安裝的氣敏傳感器即能收到較好的檢測效果；對于液體的泄漏，單點安裝傳感器只能在液體流經到傳感器所在位置時才能起效，微量泄漏難以及時被檢測。此外，單點檢測往往只能檢測泄漏的發生與否，不能反饋泄漏的發生位置。

為解決導電液體微量泄漏難以及時檢測的問題，相關傳感器經歷了由線到面的發展。較早出現的是一種用于電腦機房的液體泄漏傳感電纜，電纜上的每一點都能對液體作出響應，實現了泄漏檢測由點到線的擴展^［1］，但其仍不能滿足液體微量泄漏檢測要求（微量指低至一滴液體，0.05 mL，下同）。近年來，隨著智能紡織品的發展，出現了能夠檢測壓力、溫度、濕度等多種物理量的傳感織物^［2］，這些織物能實現其存在范圍內整塊面域的檢測，這是單點或線狀傳感器無法實現的。課題組前期研發了基于機織結構的導電液體傳感織物，該傳感織物整個表面每一點均可檢測液體的存在，實現了微量泄漏的及時檢測^［3-4］。近期，國內相關學者研究了用于漏尿頻次監測的智能織物和系統，進一步展示了織物在微量檢測場合的應用優勢^［5］。類似地，國外相關研究將導電紡織紗線及其構成的織物復合到樹脂材料和混凝土結構，用于監測裂縫與泄漏的產生^［6-7］。基于織物的泄漏檢測利用的是導電液體導致特定紗線短路的原理，優點是檢測較可靠，不足則是不能反饋泄漏發生位置。

為解決導電液體泄漏位置檢測的問題，出現了連續定位和分區定位兩種解決方案。上述液體泄漏傳感電纜既能檢測泄漏發生，又能反饋泄漏位置，采用的是連續定位方案，利用的是電阻定律原理，即電阻與導體長度成正比的規律。這種線纜結構上包括內外層和多根線芯，外層遇水保持不變，內層遇水膨脹，遇水時由于外層限制，內層的膨脹會導致原本不接觸的兩根導電線芯接觸，測量接觸線芯的電阻可反推出泄漏發生位置^［1］。這種方法定位準確，已應用于機房漏水檢測場合，能達到厘米級精度。另一類泄漏位置檢測則是采用分區法，如英國Sensor公司針對土工膜的泄漏，采用預埋3 m×3 m的電極格柵進行微量泄漏位置的分區檢測；獲得泄漏所在區域后，再由人工通過電弧法測知土工膜破損孔洞的具體位置^［8-9］。兩種方案中，連續法的傳感電纜因其特殊的結構，外形尺寸過大，尚難以織入織物以實現面域范圍內的檢測；分區法能實現面域檢測，并且這種方法實際應用時，先在幾十米到上百米的范圍自動反饋出泄漏精確至米級的發生區域，再由人工在該發生區域內找尋泄漏點，是目前較實用的做法，因為泄漏發生后始終需要人工到現場進行干預。分區定位的挑戰主要是用盡可能少的輸出導線形成較多的分區。

基于以上現狀，本文面向在幾十米到上百米的范圍內反饋微量泄漏發生位置精確至米級的應用場景，設計一種導電液體微量泄漏定位檢測織物（以下簡稱檢測織物），采用織樣機制作織物樣品，并對織物樣品進行切片觀察、電氣測試、功能驗證和匹配檢測系統開發，從而為規模化生產和應用該類織物提供借鑒。

1 檢測織物工作原理及相關組織結構設計

1.1 檢測織物工作原理

圖1展示了檢測織物工作原理，包括基本的微量泄漏檢測原理和兩種分區定位原理。圖1（a）展示了檢測織物基本的微量泄漏檢測原理。如圖1（a）所示，檢測織物主體由不導電紗線構成，在布身主體上設有等間距排列的導電緯紗，且這些導電緯紗依次與布邊處的兩根導電經紗電氣相連。在這種結構中，相鄰的兩根導電緯紗構成最小檢測單元（圖1（a）中虛線方框所示）。由于最小檢測單元中，導電緯紗彼此間距h在1 cm以內，因此，一滴導電液體造成的擴散足以覆蓋并導通相鄰的兩根導電緯紗，最終使兩根導電經紗由絕緣變為導通，導通路徑如圖中箭頭所示。

圖1（b）展示了檢測織物實現分區定位的普通掃描原理。如圖1（b）所示，檢測織物沿經紗方向被劃分為5個定位區：Ⅰ-Ⅴ；定位區Ⅰ內有若干重復的最小檢測單元，每個檢測單元的導電緯紗分別與導電經紗1、2相連；定位區Ⅱ內對應緯紗分別與導電經紗1、3相連；其余區域以此類推。使用時，經紗掃描的順序是，1-2、1-3、…、1-6。比如，掃描發現1-3導通，則對應Ⅱ區有液體泄漏；掃描發現1-5導通，則對應Ⅳ區有液體泄漏。

圖1（c）展示了檢測織物實現分區定位的交叉掃描原理。如圖1（c）所示，檢測織物沿經紗方向被劃分為9個定位區：Ⅰ-Ⅸ；定位區Ⅰ內同樣有若干重復的最小檢測單元，檢測單元的導電緯紗分別與導電經紗1、4相連；隨后的Ⅱ區內導電緯紗與導電經紗1、5相連；再后的Ⅲ區內導電緯紗與導電經紗1、6相連；但在Ⅳ區，導電緯紗與導電經紗2、4相連；其余區如圖所示。使用時，導電經紗掃描按以下的順序交叉進行：1-4、1-5、1-6、2-4、2-5、2-6、3-4、3-5、3-6。比如，掃描發現1-5導通，則對應Ⅱ區有液體泄漏；掃描發現3-5導通，則對應Ⅷ區有液體泄漏，以此類推。

圖1（b）和圖1（c）都使用6根導電經紗，但由于導電經紗與導電緯紗的組合規律和掃描方式不同，導致圖1（c）比圖1（b）多出4個定位分區。圖1（c）的結構中，增加導電經紗數，如增加為8根，并按照類似的規律與緯紗聯通，可以實現16（4×4）個定位分區；以此類推，2n根導電經紗，可實現n²個分區，遠大于圖1（b）的2n-1個分區，實現了用盡可能少的輸出導線形成較多的分區。本文以下研究均針對采用圖1（c）所示原理的檢測織物開展。

1.2 檢測織物相關組織結構設計

上述圖1（c）所示原理的關鍵在于：1）導電經緯紗在檢測織物上有規律地布置；2）導電經緯紗在特定位置電氣導通或絕緣。導電經緯紗的規律布置可以通過整經和引緯實現；導電經緯紗的電氣導通可以通過其互相接觸的交織實現；但導電經緯紗的電氣絕緣在組織結構層面需要特別設計。

在織物的基礎組織中，無論是斜紋、緞紋還是基于此的變化組織，只要其是單層結構，經緯紗都會在交匯處發生接觸，因而電氣導通。針對此，設計了如圖2所示的組織結構，以實現導電經緯紗的電氣絕緣。圖2（a）是一種3/1的重經組織；圖2（b）是沿圖2（a）中導電緯紗的緯向剖面圖，圖中導電經紗周圍有三根不導電經紗，導電緯紗繞過這三根不導電經紗，不與導電經紗發生接觸，實現了互相隔絕，也即實現了電氣絕緣；圖2（c）是沿圖2（a）中導電經紗的經向剖面圖，圖中導電經紗下襯有一根不導電經紗，從而隔絕了導電經緯紗。

對于經緯紗的接觸與導通，雖然有很多單層組織可以實現，但為了保持組織結構上的一致性以及方便生產，仍基于圖2進行相應的組織結構設計。圖3展示一種基于圖2的導電經緯紗導通的組織結構設計。圖3（a）是組織圖，相比于圖2（a），浮沉規律只變化一個，即經紗“三”的經組織點取消；圖3（b）—（c）為相應的經緯向剖面圖，從中可以發現隔絕導電經緯紗的結構被破壞。圖3（b）—（c）只展示經緯紗浮沉規律，實際織物中，由于經緯紗都具備較大張力，經緯紗會盡可能靠近、接觸。此外，圖3（a）只是局部組織，故其中經紗“三”上未出現經組織點這一特殊情況不影響整塊織物形成。

2 檢測織物制作

2.1 檢測織物規格設計

檢測織物所用紗線方面，上述重經結構要求紗線具備良好的柔性，故導電經緯紗選用75D/24F鍍銀錦綸長絲（蘇州泰克銀纖維科技有限公司）。不導電經緯紗無特殊要求，選用潤濕性良好的普通紗線即可，試織檢測織物采用29 tex的滌綸紗線。檢測織物重經部分經密800根/10cm，其他部分經密360 根/10cm，緯密 200根/10cm，織物幅寬15 cm。

在織物組織方面，整塊檢測織物主體部分采用了平紋組織，織物布邊6根導電經紗所在部分為重經組織，并且根據圖1（c）所示原理，重經組織在經緯紗絕緣處采用圖2（a）的組織，在經緯紗導通處采用圖3（a）的組織。此外，引緯順序必須與組織配合，需在一個重經組織的第二根引入導電緯紗。檢測織物導電緯紗每12根設置1根，結合緯密，形成布面上導電緯紗彼此間距h為0.6 cm。試織檢測織物每個分區重復最小檢測單元2次，最終每個分區長度為2.4 cm左右。值得指出的是，設計和制作的檢測織物小樣中導電經紗根數較少，系織樣設備所限；實際生產中，使用配備多臂、提花龍頭的織機，檢測織物完全可以擁有更多的導電經紗，產生更多的分區，從而實現在幾十上百米的范圍內，定位泄漏位置至米級。

2.2 檢測織物試織工藝

由于試織采用的經紗強力、毛羽等達到織造要求，采取免上漿直接穿綜、穿筘和織造的工藝路線。穿綜時，結合檢測織物組織循環較大的特點，采用照圖穿法。穿筘時，平紋處2入，重經處4入。織造時，采用設備為SGA598型半自動織樣機（江陰市通源紡機有限公司）；織造過程中經紗張力偏大設置，使緯紗充分屈曲，從而更好獲得圖2（b）所示的緯紗彎曲并包圍經紗的效果。最后，SGA598型半自動織樣機引緯屬于有梭引緯，織成的檢測織物中，緯紗是連續的，因此要逐根將導電緯紗剪斷或者直接剪裁掉部分布邊（在無梭織機上生產時，可省略此步驟）。

圖4是在織樣機上制得的檢測織物的實物照片，其布邊已剪去，織物長寬為25 cm×13 cm，圖中深色紗線即為導電的鍍銀長絲紗。圖4右側中圓圈部分為導電經紗部分正面和反面的組織在10倍織物密度鏡下的照片，可以發現，重經組織得到較好實現，正反面組織均為3/1的斜紋，正面的導電經紗未在表面與導電緯紗接觸，檢測織物反面的導電經紗得到較好遮擋，但這只是表面觀察，導電經緯紗是否按照設計良好地隔絕或接觸（對應導電經緯紗絕緣和導通，下同），仍需進一步分析。

3 檢測織物結構分析與性能測試

3.1 結構觀察與分析

為分析導電經緯紗是否按設計進行隔絕或接觸，制作切片后利用光學顯微鏡對檢測織物剖面直接觀察。制作切片方法是利用火棉膠涂覆檢測織物，待其干燥后用刀片沿導電經紗和導電緯紗處切斷。圖5是沿導電緯紗的切片在40倍顯微鏡下的照片，其中，圖5（a）對應圖2（b）的結構，可以看出導電緯紗與導電經紗充分隔絕，為絕緣創造良好條件；圖5（b）對應圖3（b）的結構，可以看出導電緯紗與導電經紗充分接觸，為導通創造良好條件。圖6是沿導電經紗的切片在40倍顯微鏡下的照片，其中，圖6（a）對應圖2（c）的結構，圖6（b）對應圖3（c）的結構。由圖6可知，沿導電經紗方向看，導電經紗也能夠與導電緯紗充分地隔絕或接觸。

3.2 織物結構電氣測試

上述切片觀察是破壞性實驗，不適于無損條件下測試檢測織物中所有導電經緯紗的導通和絕緣情況。為驗證檢測織物是否實現了圖1（c）的結構，最準確的方法是用萬用表逐個測量每個導電經緯紗交匯處二者的導通情況，但這種方法費時費力。為此，本文設計了如圖7所示的測試電路。圖7電路的工作原理是，如檢測織物準確實現了圖1（c）結構，那么每次給某一根導電緯紗通電時，只會有相應的一個導電經紗下的發光二極管亮起；如發現二極管亮起錯誤，如兩只以上亮起或都不亮起，則說明織物制作存在問題。

采用圖7電路測試檢測織物的結果表明，織造的檢測織物成功實現了圖1（c）的結構，且測試結果與使用萬用表逐個測量的結果一致。這充分說明圖2—圖3的重經組織能可靠實現多根經緯紗的絕緣和導通，并且重復性良好，這使得更大范圍地生產檢測織物成為可能。值得指出的是，對于采用更多導電經紗的檢測織物，圖7的電路增加發光二管數量后仍然適用，因此該電路也適合規模化生產檢測織物時的測試。

3.3 定位檢測功能驗證試驗

為驗證真實使用場景下檢測織物的檢測功能，在檢測織物上按照圖1（c）所示的9個區隨機滴上導電液體（本文采用普通自來水），再用萬用表（勝利儀器，VC890C）測量相應兩根導電經紗之間的電阻，以間接獲得導通情況，以此反推出導電液滴所在位置。試驗進行9次，每次試驗均在上次試驗后、檢測織物完全干燥情況下進行（采用電吹風加速干燥）。試驗結果如表1所示。表1中，“∞”為超出萬用表20 MΩ量程，對應兩根導電經紗不導通；有數據部分則對應導通。表1表明，基于交叉掃描原理，檢測織物能準確反饋出液體泄漏發生的位置。此外，表1中兩根導電經紗導通時電阻值不恒定。這種現象的原因在于，試驗使用的普通自來水本身導電性一般，擴散、蒸發等因素也進一步影響導電性，造成導通電阻值變化^［3］。雖然如此，表1中有數據部分的電阻值都在500 kΩ以下，實際使用時可設置一個閾值作為判斷導通與否的依據。值得指出的是，也正是導通電阻值的這種不恒定特性，使得在織物上采用電阻法連續定位泄漏位置實施起來非常困難，本文的分區定位更具可行性。

4 檢測織物適配檢測系統的設計

根據上述功能驗收試驗的過程可知，檢測織物在使用時要求交叉掃描導電經紗并判別經紗間導通與否。因此，有必要設計與之適配的專用檢測系統。

圖8展示了該檢測系統的基礎結構，包含了自動選通部分和導通鑒別部分。自動選通部分（圖8中方框A）主要負責依次選通表1中的導電經紗組合，從而為后級導通鑒別奠定基礎。考慮到兩根導電經紗間是否導通的鑒別檢測更類似于無源開關量的檢測，自動選通部分采用信號繼電器陣列，而不采用模擬開關。自動選通實現過程為：微控制器串行形式發出8位二進制編碼，位移緩存器74HC595將串行數據轉換為并行輸出，輸出的并行信號采用光電耦合器TPL521隔離，再經達林頓驅動器ULN2803

放大電流后，驅動繼電器KA1-KA6^［10］。比如，微控制器輸出10010000，經過上述器件的傳輸和處理，最終繼電器KA1和KA4吸合，檢測織物的導電經紗1和4連到后級導通鑒別電路；如輸出10001000，則導電經紗1和5連到導通鑒別電路，等等。自動選通部分由于引入了位移緩存器、光電耦合器等，能用較少的接口傳輸數據，并具備較強的抗干擾能力。選通的兩根導電經紗，將通過導通鑒別部分（圖8中方框B）來檢測二者間是否導通。

導通鑒別部分的電路構成主要基于LM393芯片。LM393作為用途廣泛的電壓比較芯片，具有超高的輸入阻抗（GΩ級別）和非常低的偏置電流（nA級別），這使得其具備較高的靈敏度^［11］。圖9是應用該芯片實現導通鑒別的具體電路。圖9中，LM393非反相端Vin+接入待測信號，反相端Vin-接入參比電壓信號。按照圖9中的電阻分配，參比電壓大小為：

v_in-=R₂R₁+R₂V_CC=42+4V_CC=23V_CC（1）

式中：v_in-為參比電壓值，V；V_CC為電源電壓值，V。

相應的，待測信號電壓大小為：

v_in+=R₄R₄+R₃V_CC=R₄R₄+2V_CC（2）

式中：v_in+為待測信號電壓值，V；R₄為檢測織物兩根導電經紗間的電阻，MΩ。

當檢測織物完全干燥沒有導電液時，兩根導電經紗間的電阻R₄為無窮大，v_in+即為V_CC，大于v_in-的2/3 V_CC，電路輸出的V_O為V_CC；當檢測織物上有導電液時，對應兩根導電經紗導通，使得R₄減小到0.5 MΩ（500 kΩ）以下（參見表1中數值），v_in+因而不超過1/5 V_CC，小于v_in-的2/3 V_CC，電路輸出的V_O為0 V。此導通鑒別電路具有極廣闊的檢測能力，導電液造成的導通電阻在0～4 MΩ時候，電路均能可靠檢測。

對上述檢測系統進行表1的試驗，結果表明，檢測系統能順序地導通表1中的1-4、1-5、…、3-6，并自動推定液體泄漏發生位置。

5 結論

本文提出了基于交叉掃描原理實現檢測織物的分區定位，設計了相應的重經組織來實現檢測織物中導電經緯紗的導通與絕緣，在此基礎上試織了含有6根導電經紗、9個定位分區的檢測織物樣品，并對其進行了切片觀察、電氣測試、驗證試驗和適配檢測系統的開發應用，結論為：

a）重經組織結構可以實現檢測織物中導電經緯紗在交匯時的可靠絕緣。

b）重經組織結構重復性良好，可以適應規模化生產。

c）基于交叉掃描原理的結構能正確反饋泄漏發生位置。

d）由自動選通電路和導通鑒別電路構成檢測系統，與檢測織物匹配良好。

實際使用時，基于交叉掃描原理，2n根導電經紗即能在檢測織物上形成n²個定位分區，因此，有限增加導電經紗根數，即能在幾十上百米的范圍反饋出泄漏精確至米級的發生位置。盡管如此，該織物目前使用范圍較窄，僅能作為防水場合的蓋覆、鋪墊、包裹用途。如何將其進一步與其他材料融合，如預埋進混凝土、管道、大型容器等，以擴展其使用范圍，將是進一步研究重點。

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Preparation of conductive liquid micro-leakage localization fabrics and"design of a detection system

XU Shuai^1a， YANG Xiaofang^1b， MAO Lei^1a， GENG Nannan²

（1a.School of Textile and Clothing; 1b.School of Automotive and Transportation， Yancheng Polytechnic"College， Yancheng 224005， China; 2.Jiangsu Yueda Life Technology Co.， Ltd.， Yancheng 224007， China）

Abstract： Conductive liquids are generally easy to detect due to their conductivity. However， sensors arranged at a single point can only be effective when a large volume of liquid flows through， often failing to detect micro-leaks in a timely manner. Liquid leak sensing cables extend leak detection from a point to a line， but they still require a substantial amount of liquid to flow through the cable to trigger an alert. Existing smart fabrics further extend leak detection from lines to planes， enabling real-time detection of micro-leaks of conductive liquids as low as a single drop （0.05 mL）. Despite this advancement， they cannot provide feedback on the location of the leak. For detecting the location of leaks， there are two primary methods：continuous localization and zonal localization. Although the accuracy of zonal localization is lower than that of continuous localization， in practical use， it is a low-cost and practical solution to first identify the area where the micro-leak is located （usually with meter-level accuracy） and then manually conduct further detection and handling. The main challenge of zonal localization is to achieve more zoning with as few output wires as possible.

This paper designs a smart fabric for detecting and locating conductive liquid micro-leak. The fabric features 2n conductive warp yarns along its edges， each warp yarn making contact with the densely arranged conductive weft yarns on the fabric. The warp yarns are further interwoven to form n² detection combinations， corresponding to n² regions along the warp direction of the fabric. By scanning the on/off status of these detection combinations， the location of the leak can be identified. The number of regions formed by these warp cross-combinations， which is n²， is significantly greater than the 2n-1 regions formed by conventional combinations. In this study， a smart fabric with six conductive warp yarns was prototyped. Slices of the fabric were prepared for structural observation， and a dedicated circuit was set up for electrical testing. A drip test was conducted to verify the localization function， and a specialized detection system was developed for trial use. The slice observations reveal that the double warp structure can achieve both isolation and contact between warp and weft yarns， ensuring electrical insulation and conduction. Testing of the circuit demonstrates the repeatability and reliability of the double warp structure， meeting the needs for constructing numerous detection combinations and supporting large-scale production. Functional verification tests of the fabric's locating detection show that the prototype fabric， using 3+3=6 warp yarns， can achieve zonal localization for 3²=9 zones. When paired with a detection system equipped with automatic selection and conduction identification functions， the fabric can monitor micro-leaks in real time and feedback the location of the leak occurrence.

Due to the square-increasing relationship between the number of zones and half the number of warp yarns， expanding the aforementioned 6 conductive warp yarns can enable the fabric to feedback the exact location of leaks with meter-level accuracy within a range of tens to hundreds of meters. However， the current application range of this fabric is relatively narrow. Future research will focus on integrating it with other materials， such as embedding it into concrete， pipelines， large containers， etc.， to expand its usage.

Keywords：smart textile; e-textile; fabric structure; liquid sensor; detection system