一種用于電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測的濕度傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種濕度傳感系統(tǒng)及其制作方法，具體涉及一種用于電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測的納米氧化鋅修飾氧化石墨烯薄膜電容型濕度傳感系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]大型電力變壓器作為電力系統(tǒng)的樞紐設備，其安全運行對保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定顯得尤為重要，一旦變壓器發(fā)生故障，將給國民經(jīng)濟造成巨大的損失。電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測在智能電網(wǎng)建設中備受重視。我國各發(fā)電廠和變電站中使用的電力變壓器90%為油浸式變壓器，該類變壓器的絕緣系統(tǒng)以絕緣油和絕緣紙為主，在長期運行中其濕度的變化會導致絕緣性能嚴重劣化，引發(fā)電力設備故障甚至發(fā)生爆炸。因此，電力變壓器絕緣油環(huán)境的濕度監(jiān)測是診斷電力變壓器故障、預防災難性事故發(fā)生較為有效的重要手段和決策依據(jù)，對于電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行、提高設備利用率和降低設備檢修費用至關重要。
[0003]濕度傳感器的濕敏元件主要有電阻式和電容式兩大類，而電容式濕度傳感器是目前商業(yè)化最為成功的一類濕度傳感器，由于其具有靈敏度高、功耗低、成本低等優(yōu)點。隨著MEMS加工技術的不斷成熟，用MEMS工藝加工的濕度傳感器具有體積小、成本低、功耗低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，因此非常適合小型化、低功耗濕度傳感器。濕敏元件是濕度傳感器檢測外界環(huán)境濕度的核心元件，目前多采用高分子聚合物、陶瓷材料，金屬氧化物作為電容式濕度傳感器的濕敏材料，高分子聚合物類濕敏器件采用較為廣泛，但由于其吸濕層的耐高溫性差，這使得該類傳感器不能應用于高溫環(huán)境，并且在高濕條件下出現(xiàn)嚴重的濕滯;半導體陶瓷類濕敏器件具有性能穩(wěn)定、高溫適用性、檢測范圍寬等優(yōu)點，但易受環(huán)境煙霧及有機氣體的干擾，需定期加熱已再生其濕度敏感特性;金屬氧化物濕敏器件具有耐高溫和高靈敏等特性，但只能工作需要高溫下，功耗大，壽命短等缺點。研制和開發(fā)新型納米濕敏材料具有較為重要的現(xiàn)實意義，而且是濕度傳感元件發(fā)展的一個重要方向。
石墨烯，于2004年被英國曼徹斯特大學物理學家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫成功地在實驗中分離出，兩人因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”而共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯材料是完美的二維晶體材料，具有高的電導率、優(yōu)異的機械特性、大比表面積以及卓越的氣體吸附性能，顯示出在氣濕敏傳感元件上的應用前景，其發(fā)現(xiàn)為研發(fā)新型濕敏傳感元件及系統(tǒng)提供了一種新途徑。氧化石墨烯作為石墨烯的一類重要衍生物，其基本結(jié)構與石墨烯類似，可以看作在碳原子層以及碳原子層邊緣連接有含氧官能團的功能化石墨烯。由于富含氧官能團，使得氧化石墨烯不僅具有大比表面積、較好的化學結(jié)構和穩(wěn)定性，還具有優(yōu)異的溶液分散特性和親水特性。因而相比較于石墨烯，氧化石墨烯成為一種更具潛力的濕敏材料。隨著納米復合敏感材料的發(fā)展，基于金屬氧化物修飾氧化石墨烯的復合敏感材料將獲得更為優(yōu)異的濕敏性能。本發(fā)明公開了一種用于電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測的濕度傳感系統(tǒng)，采用納米氧化鋅修飾氧化石墨烯復合膜作為濕敏傳感薄膜制作濕度敏感元件，具有工藝簡單、抗電磁干擾、高靈敏度、穩(wěn)定可靠等技術優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測的濕度傳感系統(tǒng)，包括變壓器油箱、油氣分離膜、滲透氣體引出室、濕度傳感元件、電容-電壓轉(zhuǎn)換電路、微處理器、無線通訊模塊、聲光報警器。所述濕度傳感元件采用納米氧化鋅修飾氧化石墨烯復合膜作為濕敏傳感薄膜，制備在具有回形叉指電極的陶瓷襯底上，通過檢測濕敏薄膜的電容變化實現(xiàn)變壓器油環(huán)境的濕度檢測，根據(jù)相應的濕度變化判斷電力變壓器絕緣狀態(tài)及做出預警，具有高靈敏度高、快速響應、抗電磁干擾等優(yōu)點。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)上述目的，采用自下而上的沉積制備工藝在具有回形叉指電極的陶瓷襯底上構筑納米氧化鋅修飾氧化石墨烯復合膜作為濕敏傳感薄膜，置于變壓器油中滲透氣體引出室中，與檢測電路和計算機相連，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給上位機及無線遠程傳輸，對變壓器絕緣狀態(tài)作出評估。
[0005]本發(fā)明所述濕度傳感元件的陶瓷襯底厚度為130微米，其上制作有回形叉指電極圖案和電極焊盤。
[0006]本發(fā)明所述濕度傳感元件的回形叉指電極是銅鎳復合電極，由第一電極和第二電極構成，電極間距為25微米，厚度為15微米。
[0007]本發(fā)明所述濕度傳感元件的濕敏傳感薄膜厚度為0.5-0.7微米，是納米氧化鋅和氧化石墨烯構成的層狀交替的納米薄膜。
[0008]本發(fā)明所述納米氧化鋅采用以下方法制備:首先將6.7g硝酸鋅溶解到10mL去離子水中，并向上述溶液緩慢加入30mL氫氧化鈉溶液(3mol/L);然后將上述混合溶液攪拌1-2h后轉(zhuǎn)移到高溫反應釜中，在160°C下反應10h，之后自然冷卻至室溫;最后離心分離，將所得樣品依次用去離子水和無水乙醇洗滌4-5次后得到納米氧化鋅溶液。
[0009]本發(fā)明所述納米氧化鋅修飾氧化石墨烯薄膜制備方法如下:首先配置3mg/mL濃度的納米氧化鋅溶液和1mg/mL濃度的聚二稀丙基二甲基氯化錢共混溶液，配制0.4mg/mL濃度的氧化石墨烯分散液，分別在30kHz超聲波下振蕩處理40分鐘;然后，在上述納米氧化鋅-聚二烯丙基二甲基氯化銨共混溶液中浸泡上述具有回形叉指電極的陶瓷襯底25分鐘，取出，去離子水清洗，氮氣吹干;其次，在氧化石墨烯溶液中浸泡上述具有回形叉指電極的陶瓷襯底25分鐘，取出，去離子水清洗，氮氣吹干;上述操作重復4次，最后將制備的器件放入真空干燥箱80°C處理3.5小時，得到覆蓋有納米氧化鋅修飾氧化石墨烯復合膜的濕敏傳感元件。
[0010]本發(fā)明所述納米氧化鋅溶液和聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液共混并超聲處理后，帶有弱正電荷，氧化石墨稀粒子帶有弱負電荷。
[0011]本發(fā)明所述濕度傳感元件與電容-電壓轉(zhuǎn)換電路、ATmega 128微處理器、聲光報警器、HC-12無線通訊模塊相連，具有數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示，聲光報警功能，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給上位機及無線遠程傳輸。
[0012]本發(fā)明采用的濕敏傳感元件制備工藝簡單方便，不依賴于苛刻的制備設備，成本低廉，而且具有響應速度快，重復性和穩(wěn)定性好的特點。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明實施方式的一個示例，I為變壓器油箱，2為變壓器，3為絕緣油，4為油氣分離膜，5為變壓器油中滲透氣體引出室，6為納米氧化鋅修飾氧化石墨烯薄膜濕度傳感元件，7為電容-電壓轉(zhuǎn)換電路，