《Sensors and Actuators A: Physical》：A triple-channel magnetic focusing-based multi-parameter microfluidic impedance sensor for impurities detection in transformer oil
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•一种用于检测变压器油中杂质的新型三通道磁聚焦微传感器。•先进的NCC-SWE算法可有效提取微弱的非金属颗粒信号。•该传感器对绝缘油中30–94微米大小的铁、铜、碳及纤维颗粒具有高灵敏度识别能力。引言油浸式电力变压器是电网中的关键设备，其内部的油纸绝缘层作为变压器的主要绝缘系统，
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一种用于检测变压器油中杂质的新型三通道磁聚焦微传感器。
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先进的NCC-SWE算法可有效提取微弱的非金属颗粒信号。
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该传感器对绝缘油中30–94微米大小的铁、铜、碳及纤维颗粒具有高灵敏度识别能力。
引言
油浸式电力变压器是电网中的关键设备，其内部的油纸绝缘层作为变压器的主要绝缘系统，其性能直接影响变压器的运行可靠性[1]。作为液体绝缘介质的绝缘油在油浸式变压器中起着绝缘、冷却和灭弧的作用，它具有优异的氧化稳定性、耐高温性和阻燃性，但可能会受到各种污染物的影响，从而导致绝缘性能下降[2]、[3]。这些污染物主要包括金属颗粒（如铁和铜）以及非金属颗粒（如纤维和碳）[4]、[5]、[6]。由于金属颗粒具有强导电性，它们容易在电场中移动并形成导电桥，进而引发局部放电，降低击穿电压[7]、[8]、[9]。而非金属颗粒则倾向于在电场强度较高的区域聚集，加剧电场畸变，削弱绝缘强度[10]、[11]。因此，检测油中的颗粒污染物对于及时发现故障、确保变压器的稳定运行具有重要意义。
目前，检测绝缘油中污染颗粒的方法大多基于电气、光学和磁学原理，可通过油质变化或颗粒图像来评估污染程度[12]、[13]、[14]、[15]。在工程实践中，常使用光阻法以及基于IEC?60970标准的显微镜法来统计绝缘油中的污染颗粒，但这些方法无法区分颗粒的属性[16]、[17]。在近年来新开发的检测技术中，红外光谱法可以利用光谱数据来分析污染颗粒的属性和浓度，但无法实现现场快速便捷的检测[18]。全息透镜法虽然能够生成图像，但效率较低，也不利于快速检测[19]。微流控成像技术可以动态分析颗粒的大小和浓度，但难以直接识别颗粒的属性[20]。近年来，微流控芯片技术在微颗粒计数方面展现出显著优势。该方法将样品制备、反应、分离和检测等步骤集成在几平方厘米的芯片上，具有体积小、检测速度快、灵敏度高的特点，有望发展成为便携式的现场微颗粒检测装置[21]、[22]。目前，这项技术已广泛应用于生物医学领域，如生物标志物检测和细胞分析[23]、[24]。
此外，众多研究也表明，微流控芯片在检测机械润滑油中的颗粒方面也具有良好前景。张等人设计了一种基于电感变化的微流控感应微传感器，可用于检测液压油中的铁和铜金属颗粒[25]。曾等人提出了一种电感-电容复合微传感器，能够区分金属颗粒和非金属颗粒，为多种类型颗粒的检测提供了新方法[26]。在提升灵敏度方面，吴等人[27]通过电阻信号检测增强了對铜颗粒的响应能力。史等人[28]设计了圆形微通道，引导颗粒经过高灵敏度区域，并优化了线圈匝数以提高信噪比，从而实现了对40微米铁颗粒和125微米铜颗粒的检测。曾等人[29]通过在微传感器中加入硅钢片提升了磁感应强度，显著提高了灵敏度。除了灵敏度之外，提升微传感器的处理速度也是该领域的研究重点。然而，往往很难同时实现这两点。也就是说，增大通道尺寸会降低灵敏度，还会增加颗粒大小判断错误的风险，这很容易削弱微流控技术原本具备的高灵敏度优势[30]、[31]。曾等人[32]在双线圈结构中嵌入了硅钢片，不仅提升了感应检测能力，还提高了电容检测性能，其灵敏度相比没有硅钢片的传感器有了显著提升。不过，仅有单个微流控通道的传感器则限制了其处理速度。史等人[33]利用磁性材料构建了高梯度磁场，结合电感-电阻联合检测与方形通道设计，不仅在检测灵敏度和处理速度上有所提升，还提高了对金属颗粒的检测限，但对非金属颗粒的检测性能并未进行优化。机械润滑油中的颗粒主要来源于机械磨损和外部污染，其成分复杂，以金属为主，且颗粒大小分布范围较广。这类颗粒的检测侧重于高处理速度的计数，通常采用电感或电容感应技术。而变压器绝缘油中的颗粒则主要来自铁、铜等金属物质以及由变压器内部放电或过热故障产生的纤维和碳等非金属材料。这类颗粒的大小大多在数十到数百微米之间，因此需要实现对金属和非金属的多参数、高灵敏度区分。不过，针对变压器油中非金属杂质的微流控阻抗检测技术仍属于研究空白。
因此，针对变压器油中颗粒检测的需求，本文提出了一种基于三通道磁聚焦结构的微流控阻抗传感器的结构原理设计。该传感器采用集成式硅钢结构，实现三通道磁通量汇聚，从而在保持高检测灵敏度的同时显著提升处理速度。此外，针对淹没在背景噪声中的微弱非金属颗粒信号，本文提出了一种基于归一化互相关（NCC）和滑动窗口估计（SWE）的方法，用于提取油中非金属颗粒微流控阻抗信号的相似特征，从而有效分离信号与噪声，提升对小型非金属杂质的识别能力。该微传感器能够同时检测绝缘油中的铁磁颗粒、非铁磁颗粒以及纤维和碳颗粒，为油浸式变压器的状态分析提供更全面的参考信息。
章节节选
微流控传感器设计
三通道磁聚焦多参数微流控阻抗传感器（TMFM-MIS）的结构设计及应用场景如图1所示。该微流控传感器由三个相同的检测单元组成，每个检测单元包含一个油微通道和一对相对设置的检测线圈。六个线圈等间距地嵌入在一个整体的矩形硅钢框架中。每个检测单元还包括一个外部封闭的磁框架以及两个向内的水平结构
微流控阻抗检测系统
为评估TMFM-MIS的性能，实验室搭建了如图9所示的阻抗检测系统。所用设备与材料的详细信息见表1。在该系统中，含有不同类型杂质颗粒的油样通过微型注射泵被注入微传感器中，同时利用显微镜实时观察颗粒在油中的运动情况，LCR仪表则用于提供激励信号
器件参数优化
对于金属颗粒的检测，公式（3）表明，传感器阻抗的变化与激励电流的角频率ω以及感应区域内的磁矢势扰动?A密切相关。线圈匝数会影响感应区域内的磁场强度和磁矢势分布，进而影响传感器的阻抗响应。因此，线圈匝数和激励频率都是关键参数
结论
本研究开发了一种具有磁聚焦功能的三通道微流控阻抗传感器，用于检测变压器油中的金属颗粒和非金属颗粒。主要结论如下。
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硅钢片使检测区域的磁通密度提升了3.05倍，且不会扭曲电场。该微传感器可以通过阻抗响应来检测绝缘油中的颗粒，具体而言，非金属颗粒会改变电容值，而金属颗粒则
作者贡献说明
高思航：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，指导，资源提供，方法设计，实验研究，资金获取，概念构思。刘永希：撰写——审稿与编辑，验证，指导，实验研究，正式分析，数据整理。胡玲：指导，正式分析。龙凌江：指导，数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了重庆市教育委员会科学技术研究计划（编号：KJZD-K202500606）的支持。
高思航于2017年在中国重庆大学获得电气工程博士学位。自2020年起，他在中国重庆邮电大学担任副教授。他的研究兴趣主要集中在电力传输与变换设备的风险评估和在线监测方面。
Sihang Gao|Yongxi Liu|Ling Hu|Lingjiang Long
