導(dǎo)電液體微量泄漏定位檢測(cè)織物的制備及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：機(jī)織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電液體傳感織物能檢測(cè)微量導(dǎo)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(shè)計(jì)了導(dǎo)電液體微量泄漏定位檢測(cè)織物。該織物布邊設(shè)有2n根導(dǎo)電經(jīng)紗，將他們平均分成兩組，每組中的經(jīng)紗通過(guò)重經(jīng)組織與均勻布設(shè)的導(dǎo)電緯紗交叉地電氣相連，形成n²個(gè)檢測(cè)組合，對(duì)應(yīng)織物經(jīng)向上n²個(gè)定位分區(qū)。采用織樣機(jī)試織了含有6根導(dǎo)電經(jīng)紗、9個(gè)定位分區(qū)的織物，并對(duì)織物進(jìn)行了切片觀察、電氣測(cè)試、功能驗(yàn)證試驗(yàn)和適配檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：重經(jīng)組織結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)織物中導(dǎo)電經(jīng)緯紗在交匯時(shí)的可靠絕緣；重經(jīng)組織結(jié)構(gòu)重復(fù)性良好，可以適應(yīng)規(guī)?；a(chǎn)；交叉掃描方式能正確反饋泄漏所在分區(qū)；由自動(dòng)選通電路和導(dǎo)通鑒別電路構(gòu)成的檢測(cè)系統(tǒng)與織物匹配良好。

關(guān)鍵詞：智能紡織品；電子織物；織物結(jié)構(gòu)；液體傳感器；檢測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TS101.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2025）03-0110-08

收稿日期：2024-09-20 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2024-12-23

基金項(xiàng)目：江蘇省高職院校教師專業(yè)帶頭人高端研修項(xiàng)目（2023GRFX079）；江蘇高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（蘇教科〔2023〕3號(hào)）；江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人培養(yǎng)對(duì)象項(xiàng)目（蘇教師〔2024〕14號(hào)）

作者簡(jiǎn)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(cè)的對(duì)象包括氣體和液體。由于氣體有較強(qiáng)的擴(kuò)散作用，單點(diǎn)安裝的氣敏傳感器即能收到較好的檢測(cè)效果；對(duì)于液體的泄漏，單點(diǎn)安裝傳感器只能在液體流經(jīng)到傳感器所在位置時(shí)才能起效，微量泄漏難以及時(shí)被檢測(cè)。此外，單點(diǎn)檢測(cè)往往只能檢測(cè)泄漏的發(fā)生與否，不能反饋泄漏的發(fā)生位置。

為解決導(dǎo)電液體微量泄漏難以及時(shí)檢測(cè)的問(wèn)題，相關(guān)傳感器經(jīng)歷了由線到面的發(fā)展。較早出現(xiàn)的是一種用于電腦機(jī)房的液體泄漏傳感電纜，電纜上的每一點(diǎn)都能對(duì)液體作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了泄漏檢測(cè)由點(diǎn)到線的擴(kuò)展^［1］，但其仍不能滿足液體微量泄漏檢測(cè)要求（微量指低至一滴液體，0.05 mL，下同）。近年來(lái)，隨著智能紡織品的發(fā)展，出現(xiàn)了能夠檢測(cè)壓力、溫度、濕度等多種物理量的傳感織物^［2］，這些織物能實(shí)現(xiàn)其存在范圍內(nèi)整塊面域的檢測(cè)，這是單點(diǎn)或線狀傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。課題組前期研發(fā)了基于機(jī)織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電液體傳感織物，該傳感織物整個(gè)表面每一點(diǎn)均可檢測(cè)液體的存在，實(shí)現(xiàn)了微量泄漏的及時(shí)檢測(cè)^［3-4］。近期，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者研究了用于漏尿頻次監(jiān)測(cè)的智能織物和系統(tǒng)，進(jìn)一步展示了織物在微量檢測(cè)場(chǎng)合的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)^［5］。類似地，國(guó)外相關(guān)研究將導(dǎo)電紡織紗線及其構(gòu)成的織物復(fù)合到樹(shù)脂材料和混凝土結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)測(cè)裂縫與泄漏的產(chǎn)生^［6-7］?；诳椢锏男孤z測(cè)利用的是導(dǎo)電液體導(dǎo)致特定紗線短路的原理，優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)較可靠，不足則是不能反饋泄漏發(fā)生位置。

為解決導(dǎo)電液體泄漏位置檢測(cè)的問(wèn)題，出現(xiàn)了連續(xù)定位和分區(qū)定位兩種解決方案。上述液體泄漏傳感電纜既能檢測(cè)泄漏發(fā)生，又能反饋泄漏位置，采用的是連續(xù)定位方案，利用的是電阻定律原理，即電阻與導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比的規(guī)律。這種線纜結(jié)構(gòu)上包括內(nèi)外層和多根線芯，外層遇水保持不變，內(nèi)層遇水膨脹，遇水時(shí)由于外層限制，內(nèi)層的膨脹會(huì)導(dǎo)致原本不接觸的兩根導(dǎo)電線芯接觸，測(cè)量接觸線芯的電阻可反推出泄漏發(fā)生位置^［1］。這種方法定位準(zhǔn)確，已應(yīng)用于機(jī)房漏水檢測(cè)場(chǎng)合，能達(dá)到厘米級(jí)精度。另一類泄漏位置檢測(cè)則是采用分區(qū)法，如英國(guó)Sensor公司針對(duì)土工膜的泄漏，采用預(yù)埋3 m×3 m的電極格柵進(jìn)行微量泄漏位置的分區(qū)檢測(cè)；獲得泄漏所在區(qū)域后，再由人工通過(guò)電弧法測(cè)知土工膜破損孔洞的具體位置^［8-9］。兩種方案中，連續(xù)法的傳感電纜因其特殊的結(jié)構(gòu)，外形尺寸過(guò)大，尚難以織入織物以實(shí)現(xiàn)面域范圍內(nèi)的檢測(cè)；分區(qū)法能實(shí)現(xiàn)面域檢測(cè)，并且這種方法實(shí)際應(yīng)用時(shí)，先在幾十米到上百米的范圍自動(dòng)反饋出泄漏精確至米級(jí)的發(fā)生區(qū)域，再由人工在該發(fā)生區(qū)域內(nèi)找尋泄漏點(diǎn)，是目前較實(shí)用的做法，因?yàn)樾孤┌l(fā)生后始終需要人工到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行干預(yù)。分區(qū)定位的挑戰(zhàn)主要是用盡可能少的輸出導(dǎo)線形成較多的分區(qū)。

基于以上現(xiàn)狀，本文面向在幾十米到上百米的范圍內(nèi)反饋微量泄漏發(fā)生位置精確至米級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)一種導(dǎo)電液體微量泄漏定位檢測(cè)織物（以下簡(jiǎn)稱檢測(cè)織物），采用織樣機(jī)制作織物樣品，并對(duì)織物樣品進(jìn)行切片觀察、電氣測(cè)試、功能驗(yàn)證和匹配檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，從而為規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用該類織物提供借鑒。

1 檢測(cè)織物工作原理及相關(guān)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)織物工作原理

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

圖1（b）展示了檢測(cè)織物實(shí)現(xiàn)分區(qū)定位的普通掃描原理。如圖1（b）所示，檢測(cè)織物沿經(jīng)紗方向被劃分為5個(gè)定位區(qū)：Ⅰ-Ⅴ；定位區(qū)Ⅰ內(nèi)有若干重復(fù)的最小檢測(cè)單元，每個(gè)檢測(cè)單元的導(dǎo)電緯紗分別與導(dǎo)電經(jīng)紗1、2相連；定位區(qū)Ⅱ內(nèi)對(duì)應(yīng)緯紗分別與導(dǎo)電經(jīng)紗1、3相連；其余區(qū)域以此類推。使用時(shí)，經(jīng)紗掃描的順序是，1-2、1-3、…、1-6。比如，掃描發(fā)現(xiàn)1-3導(dǎo)通，則對(duì)應(yīng)Ⅱ區(qū)有液體泄漏；掃描發(fā)現(xiàn)1-5導(dǎo)通，則對(duì)應(yīng)Ⅳ區(qū)有液體泄漏。

圖1（c）展示了檢測(cè)織物實(shí)現(xiàn)分區(qū)定位的交叉掃描原理。如圖1（c）所示，檢測(cè)織物沿經(jīng)紗方向被劃分為9個(gè)定位區(qū)：Ⅰ-Ⅸ；定位區(qū)Ⅰ內(nèi)同樣有若干重復(fù)的最小檢測(cè)單元，檢測(cè)單元的導(dǎo)電緯紗分別與導(dǎo)電經(jīng)紗1、4相連；隨后的Ⅱ區(qū)內(nèi)導(dǎo)電緯紗與導(dǎo)電經(jīng)紗1、5相連；再后的Ⅲ區(qū)內(nèi)導(dǎo)電緯紗與導(dǎo)電經(jīng)紗1、6相連；但在Ⅳ區(qū)，導(dǎo)電緯紗與導(dǎo)電經(jīng)紗2、4相連；其余區(qū)如圖所示。使用時(shí)，導(dǎo)電經(jīng)紗掃描按以下的順序交叉進(jìn)行：1-4、1-5、1-6、2-4、2-5、2-6、3-4、3-5、3-6。比如，掃描發(fā)現(xiàn)1-5導(dǎo)通，則對(duì)應(yīng)Ⅱ區(qū)有液體泄漏；掃描發(fā)現(xiàn)3-5導(dǎo)通，則對(duì)應(yīng)Ⅷ區(qū)有液體泄漏，以此類推。

圖1（b）和圖1（c）都使用6根導(dǎo)電經(jīng)紗，但由于導(dǎo)電經(jīng)紗與導(dǎo)電緯紗的組合規(guī)律和掃描方式不同，導(dǎo)致圖1（c）比圖1（b）多出4個(gè)定位分區(qū)。圖1（c）的結(jié)構(gòu)中，增加導(dǎo)電經(jīng)紗數(shù)，如增加為8根，并按照類似的規(guī)律與緯紗聯(lián)通，可以實(shí)現(xiàn)16（4×4）個(gè)定位分區(qū)；以此類推，2n根導(dǎo)電經(jīng)紗，可實(shí)現(xiàn)n²個(gè)分區(qū)，遠(yuǎn)大于圖1（b）的2n-1個(gè)分區(qū)，實(shí)現(xiàn)了用盡可能少的輸出導(dǎo)線形成較多的分區(qū)。本文以下研究均針對(duì)采用圖1（c）所示原理的檢測(cè)織物開(kāi)展。

1.2 檢測(cè)織物相關(guān)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上述圖1（c）所示原理的關(guān)鍵在于：1）導(dǎo)電經(jīng)緯紗在檢測(cè)織物上有規(guī)律地布置；2）導(dǎo)電經(jīng)緯紗在特定位置電氣導(dǎo)通或絕緣。導(dǎo)電經(jīng)緯紗的規(guī)律布置可以通過(guò)整經(jīng)和引緯實(shí)現(xiàn)；導(dǎo)電經(jīng)緯紗的電氣導(dǎo)通可以通過(guò)其互相接觸的交織實(shí)現(xiàn)；但導(dǎo)電經(jīng)緯紗的電氣絕緣在組織結(jié)構(gòu)層面需要特別設(shè)計(jì)。

在織物的基礎(chǔ)組織中，無(wú)論是斜紋、緞紋還是基于此的變化組織，只要其是單層結(jié)構(gòu)，經(jīng)緯紗都會(huì)在交匯處發(fā)生接觸，因而電氣導(dǎo)通。針對(duì)此，設(shè)計(jì)了如圖2所示的組織結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電經(jīng)緯紗的電氣絕緣。圖2（a）是一種3/1的重經(jīng)組織；圖2（b）是沿圖2（a）中導(dǎo)電緯紗的緯向剖面圖，圖中導(dǎo)電經(jīng)紗周?chē)腥粚?dǎo)電經(jīng)紗，導(dǎo)電緯紗繞過(guò)這三根不導(dǎo)電經(jīng)紗，不與導(dǎo)電經(jīng)紗發(fā)生接觸，實(shí)現(xiàn)了互相隔絕，也即實(shí)現(xiàn)了電氣絕緣；圖2（c）是沿圖2（a）中導(dǎo)電經(jīng)紗的經(jīng)向剖面圖，圖中導(dǎo)電經(jīng)紗下襯有一根不導(dǎo)電經(jīng)紗，從而隔絕了導(dǎo)電經(jīng)緯紗。

對(duì)于經(jīng)緯紗的接觸與導(dǎo)通，雖然有很多單層組織可以實(shí)現(xiàn)，但為了保持組織結(jié)構(gòu)上的一致性以及方便生產(chǎn)，仍基于圖2進(jìn)行相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖3展示一種基于圖2的導(dǎo)電經(jīng)緯紗導(dǎo)通的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖3（a）是組織圖，相比于圖2（a），浮沉規(guī)律只變化一個(gè)，即經(jīng)紗“三”的經(jīng)組織點(diǎn)取消；圖3（b）—（c）為相應(yīng)的經(jīng)緯向剖面圖，從中可以發(fā)現(xiàn)隔絕導(dǎo)電經(jīng)緯紗的結(jié)構(gòu)被破壞。圖3（b）—（c）只展示經(jīng)緯紗浮沉規(guī)律，實(shí)際織物中，由于經(jīng)緯紗都具備較大張力，經(jīng)緯紗會(huì)盡可能靠近、接觸。此外，圖3（a）只是局部組織，故其中經(jīng)紗“三”上未出現(xiàn)經(jīng)組織點(diǎn)這一特殊情況不影響整塊織物形成。

2 檢測(cè)織物制作

2.1 檢測(cè)織物規(guī)格設(shè)計(jì)

檢測(cè)織物所用紗線方面，上述重經(jīng)結(jié)構(gòu)要求紗線具備良好的柔性，故導(dǎo)電經(jīng)緯紗選用75D/24F鍍銀錦綸長(zhǎng)絲（蘇州泰克銀纖維科技有限公司）。不導(dǎo)電經(jīng)緯紗無(wú)特殊要求，選用潤(rùn)濕性良好的普通紗線即可，試織檢測(cè)織物采用29 tex的滌綸紗線。檢測(cè)織物重經(jīng)部分經(jīng)密800根/10cm，其他部分經(jīng)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(cè)織物主體部分采用了平紋組織，織物布邊6根導(dǎo)電經(jīng)紗所在部分為重經(jīng)組織，并且根據(jù)圖1（c）所示原理，重經(jīng)組織在經(jīng)緯紗絕緣處采用圖2（a）的組織，在經(jīng)緯紗導(dǎo)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(gè)重經(jīng)組織的第二根引入導(dǎo)電緯紗。檢測(cè)織物導(dǎo)電緯紗每12根設(shè)置1根，結(jié)合緯密，形成布面上導(dǎo)電緯紗彼此間距h為0.6 cm。試織檢測(cè)織物每個(gè)分區(qū)重復(fù)最小檢測(cè)單元2次，最終每個(gè)分區(qū)長(zhǎng)度為2.4 cm左右。值得指出的是，設(shè)計(jì)和制作的檢測(cè)織物小樣中導(dǎo)電經(jīng)紗根數(shù)較少，系織樣設(shè)備所限；實(shí)際生產(chǎn)中，使用配備多臂、提花龍頭的織機(jī)，檢測(cè)織物完全可以擁有更多的導(dǎo)電經(jīng)紗，產(chǎn)生更多的分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)在幾十上百米的范圍內(nèi)，定位泄漏位置至米級(jí)。

2.2 檢測(cè)織物試織工藝

由于試織采用的經(jīng)紗強(qiáng)力、毛羽等達(dá)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(shí)，結(jié)合檢測(cè)織物組織循環(huán)較大的特點(diǎn)，采用照?qǐng)D穿法。穿筘時(shí)，平紋處2入，重經(jīng)處4入?？椩鞎r(shí)，采用設(shè)備為SGA598型半自動(dòng)織樣機(jī)（江陰市通源紡機(jī)有限公司）；織造過(guò)程中經(jīng)紗張力偏大設(shè)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(jīng)紗的效果。最后，SGA598型半自動(dòng)織樣機(jī)引緯屬于有梭引緯，織成的檢測(cè)織物中，緯紗是連續(xù)的，因此要逐根將導(dǎo)電緯紗剪斷或者直接剪裁掉部分布邊（在無(wú)梭織機(jī)上生產(chǎn)時(shí)，可省略此步驟）。

圖4是在織樣機(jī)上制得的檢測(cè)織物的實(shí)物照片，其布邊已剪去，織物長(zhǎng)寬為25 cm×13 cm，圖中深色紗線即為導(dǎo)電的鍍銀長(zhǎng)絲紗。圖4右側(cè)中圓圈部分為導(dǎo)電經(jīng)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(fā)現(xiàn)，重經(jīng)組織得到較好實(shí)現(xiàn)，正反面組織均為3/1的斜紋，正面的導(dǎo)電經(jīng)紗未在表面與導(dǎo)電緯紗接觸，檢測(cè)織物反面的導(dǎo)電經(jīng)紗得到較好遮擋，但這只是表面觀察，導(dǎo)電經(jīng)緯紗是否按照設(shè)計(jì)良好地隔絕或接觸（對(duì)應(yīng)導(dǎo)電經(jīng)緯紗絕緣和導(dǎo)通，下同），仍需進(jìn)一步分析。

3 檢測(cè)織物結(jié)構(gòu)分析與性能測(cè)試

3.1 結(jié)構(gòu)觀察與分析

為分析導(dǎo)電經(jīng)緯紗是否按設(shè)計(jì)進(jìn)行隔絕或接觸，制作切片后利用光學(xué)顯微鏡對(duì)檢測(cè)織物剖面直接觀察。制作切片方法是利用火棉膠涂覆檢測(cè)織物，待其干燥后用刀片沿導(dǎo)電經(jīng)紗和導(dǎo)電緯紗處切斷。圖5是沿導(dǎo)電緯紗的切片在40倍顯微鏡下的照片，其中，圖5（a）對(duì)應(yīng)圖2（b）的結(jié)構(gòu)，可以看出導(dǎo)電緯紗與導(dǎo)電經(jīng)紗充分隔絕，為絕緣創(chuàng)造良好條件；圖5（b）對(duì)應(yīng)圖3（b）的結(jié)構(gòu)，可以看出導(dǎo)電緯紗與導(dǎo)電經(jīng)紗充分接觸，為導(dǎo)通創(chuàng)造良好條件。圖6是沿導(dǎo)電經(jīng)紗的切片在40倍顯微鏡下的照片，其中，圖6（a）對(duì)應(yīng)圖2（c）的結(jié)構(gòu)，圖6（b）對(duì)應(yīng)圖3（c）的結(jié)構(gòu)。由圖6可知，沿導(dǎo)電經(jīng)紗方向看，導(dǎo)電經(jīng)紗也能夠與導(dǎo)電緯紗充分地隔絕或接觸。

3.2 織物結(jié)構(gòu)電氣測(cè)試

上述切片觀察是破壞性實(shí)驗(yàn)，不適于無(wú)損條件下測(cè)試檢測(cè)織物中所有導(dǎo)電經(jīng)緯紗的導(dǎo)通和絕緣情況。為驗(yàn)證檢測(cè)織物是否實(shí)現(xiàn)了圖1（c）的結(jié)構(gòu)，最準(zhǔn)確的方法是用萬(wàn)用表逐個(gè)測(cè)量每個(gè)導(dǎo)電經(jīng)緯紗交匯處二者的導(dǎo)通情況，但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此，本文設(shè)計(jì)了如圖7所示的測(cè)試電路。圖7電路的工作原理是，如檢測(cè)織物準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了圖1（c）結(jié)構(gòu)，那么每次給某一根導(dǎo)電緯紗通電時(shí)，只會(huì)有相應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)電經(jīng)紗下的發(fā)光二極管亮起；如發(fā)現(xiàn)二極管亮起錯(cuò)誤，如兩只以上亮起或都不亮起，則說(shuō)明織物制作存在問(wèn)題。

采用圖7電路測(cè)試檢測(cè)織物的結(jié)果表明，織造的檢測(cè)織物成功實(shí)現(xiàn)了圖1（c）的結(jié)構(gòu)，且測(cè)試結(jié)果與使用萬(wàn)用表逐個(gè)測(cè)量的結(jié)果一致。這充分說(shuō)明圖2—圖3的重經(jīng)組織能可靠實(shí)現(xiàn)多根經(jīng)緯紗的絕緣和導(dǎo)通，并且重復(fù)性良好，這使得更大范圍地生產(chǎn)檢測(cè)織物成為可能。值得指出的是，對(duì)于采用更多導(dǎo)電經(jīng)紗的檢測(cè)織物，圖7的電路增加發(fā)光二管數(shù)量后仍然適用，因此該電路也適合規(guī)?；a(chǎn)檢測(cè)織物時(shí)的測(cè)試。

3.3 定位檢測(cè)功能驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證真實(shí)使用場(chǎng)景下檢測(cè)織物的檢測(cè)功能，在檢測(cè)織物上按照?qǐng)D1（c）所示的9個(gè)區(qū)隨機(jī)滴上導(dǎo)電液體（本文采用普通自來(lái)水），再用萬(wàn)用表（勝利儀器，VC890C）測(cè)量相應(yīng)兩根導(dǎo)電經(jīng)紗之間的電阻，以間接獲得導(dǎo)通情況，以此反推出導(dǎo)電液滴所在位置。試驗(yàn)進(jìn)行9次，每次試驗(yàn)均在上次試驗(yàn)后、檢測(cè)織物完全干燥情況下進(jìn)行（采用電吹風(fēng)加速干燥）。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1中，“∞”為超出萬(wàn)用表20 MΩ量程，對(duì)應(yīng)兩根導(dǎo)電經(jīng)紗不導(dǎo)通；有數(shù)據(jù)部分則對(duì)應(yīng)導(dǎo)通。表1表明，基于交叉掃描原理，檢測(cè)織物能準(zhǔn)確反饋出液體泄漏發(fā)生的位置。此外，表1中兩根導(dǎo)電經(jīng)紗導(dǎo)通時(shí)電阻值不恒定。這種現(xiàn)象的原因在于，試驗(yàn)使用的普通自來(lái)水本身導(dǎo)電性一般，擴(kuò)散、蒸發(fā)等因素也進(jìn)一步影響導(dǎo)電性，造成導(dǎo)通電阻值變化^［3］。雖然如此，表1中有數(shù)據(jù)部分的電阻值都在500 kΩ以下，實(shí)際使用時(shí)可設(shè)置一個(gè)閾值作為判斷導(dǎo)通與否的依據(jù)。值得指出的是，也正是導(dǎo)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(xù)定位泄漏位置實(shí)施起來(lái)非常困難，本文的分區(qū)定位更具可行性。

4 檢測(cè)織物適配檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述功能驗(yàn)收試驗(yàn)的過(guò)程可知，檢測(cè)織物在使用時(shí)要求交叉掃描導(dǎo)電經(jīng)紗并判別經(jīng)紗間導(dǎo)通與否。因此，有必要設(shè)計(jì)與之適配的專用檢測(cè)系統(tǒng)。

圖8展示了該檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，包含了自動(dòng)選通部分和導(dǎo)通鑒別部分。自動(dòng)選通部分（圖8中方框A）主要負(fù)責(zé)依次選通表1中的導(dǎo)電經(jīng)紗組合，從而為后級(jí)導(dǎo)通鑒別奠定基礎(chǔ)。考慮到兩根導(dǎo)電經(jīng)紗間是否導(dǎo)通的鑒別檢測(cè)更類似于無(wú)源開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)，自動(dòng)選通部分采用信號(hào)繼電器陣列，而不采用模擬開(kāi)關(guān)。自動(dòng)選通實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：微控制器串行形式發(fā)出8位二進(jìn)制編碼，位移緩存器74HC595將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行輸出，輸出的并行信號(hào)采用光電耦合器TPL521隔離，再經(jīng)達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器ULN2803

放大電流后，驅(qū)動(dòng)繼電器KA1-KA6^［10］。比如，微控制器輸出10010000，經(jīng)過(guò)上述器件的傳輸和處理，最終繼電器KA1和KA4吸合，檢測(cè)織物的導(dǎo)電經(jīng)紗1和4連到后級(jí)導(dǎo)通鑒別電路；如輸出10001000，則導(dǎo)電經(jīng)紗1和5連到導(dǎo)通鑒別電路，等等。自動(dòng)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(shù)據(jù)，并具備較強(qiáng)的抗干擾能力。選通的兩根導(dǎo)電經(jīng)紗，將通過(guò)導(dǎo)通鑒別部分（圖8中方框B）來(lái)檢測(cè)二者間是否導(dǎo)通。

導(dǎo)通鑒別部分的電路構(gòu)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(jí)別）和非常低的偏置電流（nA級(jí)別），這使得其具備較高的靈敏度^［11］。圖9是應(yīng)用該芯片實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通鑒別的具體電路。圖9中，LM393非反相端Vin+接入待測(cè)信號(hào)，反相端Vin-接入?yún)⒈入妷盒盘?hào)。按照?qǐng)D9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(yīng)的，待測(cè)信號(hào)電壓大小為：

v_in+=R₄R₄+R₃V_CC=R₄R₄+2V_CC（2）

式中：v_in+為待測(cè)信號(hào)電壓值，V；R₄為檢測(cè)織物兩根導(dǎo)電經(jīng)紗間的電阻，MΩ。

當(dāng)檢測(cè)織物完全干燥沒(méi)有導(dǎo)電液時(shí)，兩根導(dǎo)電經(jīng)紗間的電阻R₄為無(wú)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(dāng)檢測(cè)織物上有導(dǎo)電液時(shí)，對(duì)應(yīng)兩根導(dǎo)電經(jīng)紗導(dǎo)通，使得R₄減小到0.5 MΩ（500 kΩ）以下（參見(jiàn)表1中數(shù)值），v_in+因而不超過(guò)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(dǎo)通鑒別電路具有極廣闊的檢測(cè)能力，導(dǎo)電液造成的導(dǎo)通電阻在0～4 MΩ時(shí)候，電路均能可靠檢測(cè)。

對(duì)上述檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行表1的試驗(yàn)，結(jié)果表明，檢測(cè)系統(tǒng)能順序地導(dǎo)通表1中的1-4、1-5、…、3-6，并自動(dòng)推定液體泄漏發(fā)生位置。

5 結(jié)論

本文提出了基于交叉掃描原理實(shí)現(xiàn)檢測(cè)織物的分區(qū)定位，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的重經(jīng)組織來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)織物中導(dǎo)電經(jīng)緯紗的導(dǎo)通與絕緣，在此基礎(chǔ)上試織了含有6根導(dǎo)電經(jīng)紗、9個(gè)定位分區(qū)的檢測(cè)織物樣品，并對(duì)其進(jìn)行了切片觀察、電氣測(cè)試、驗(yàn)證試驗(yàn)和適配檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，結(jié)論為：

a）重經(jīng)組織結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)織物中導(dǎo)電經(jīng)緯紗在交匯時(shí)的可靠絕緣。

b）重經(jīng)組織結(jié)構(gòu)重復(fù)性良好，可以適應(yīng)規(guī)?；a(chǎn)。

c）基于交叉掃描原理的結(jié)構(gòu)能正確反饋泄漏發(fā)生位置。

d）由自動(dòng)選通電路和導(dǎo)通鑒別電路構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)，與檢測(cè)織物匹配良好。

實(shí)際使用時(shí)，基于交叉掃描原理，2n根導(dǎo)電經(jīng)紗即能在檢測(cè)織物上形成n²個(gè)定位分區(qū)，因此，有限增加導(dǎo)電經(jīng)紗根數(shù)，即能在幾十上百米的范圍反饋出泄漏精確至米級(jí)的發(fā)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(chǎng)合的蓋覆、鋪墊、包裹用途。如何將其進(jìn)一步與其他材料融合，如預(yù)埋進(jìn)混凝土、管道、大型容器等，以擴(kuò)展其使用范圍，將是進(jìn)一步研究重點(diǎn)。

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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