新型敏感材料与传感机理研究及应用
中国电力科学研究院有限公司2026年6月 新型电力系统感知需求 目录 高灵敏敏感材料体系与传感机理 CONTENTS 十五五发展展望 一、新型电力系统感知需求大国战略竞争 世界科技大国将芯片与智能传感技术列为国家战略性发展方向，发展聚焦先进传感与网络，重点满足工业、交通、医疗等重大需求 《中华人民共和国国民经济和社会发展十五五规划纲要》提出，促进数智化转型，深入推进能源强国建设。加快智能传感与量测技术研发，是推动数智化转型的关键基础 “坚持智能化、绿色化、融合化方向，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国......能源强国。促进制造业数智化转型..深入推进数字中国建设” 中华人民共和国国民经济和社会发展十五五规划纲要 一、新型电力系统感知需求量子传感--下一代前沿传感技术 2015年英国率先发布了《量子技术国家战略》和《量子技术路线图》。此后，美国、欧盟、日本加拿大等国家及组织分别制定产业技术指导文件。2022年美国Q-NEXT中心发布了《量子互连路线图》关注量子信息技术的量子通信、量子计算、量子传感3个领域。2026年美国参议院通过《国家量子计划再授权法案》支持量子技术研发至2034年。 量子传感是利用量子力学效应（如量子叠加、量子纠缠和量子隧穿）来探测和测量物理量的传感器。 不同于基于经典物理学的传感器，量子传感器通过对微观粒子的量子态的操控和观测，实现对外界信号的极度精确测量 一、新型电力系统感知需求新型能源系统建设 当前我国新型电力系统加速构建，截至2026年2月，我国新能源装机超18亿于瓦，未来渗透率超40%的区域电网将成为常态。新能源高占比、电力电子设备厂广泛应用：源网荷储多元互动成为核心特征。 新型电力系统感知需求 目录 高灵敏敏感材料体系与传感机理 CONTENTS 十五五发展展望 高灵敏敏感材料体系与传感机理 对于复杂情况下复杂系统的诊断，任何单一维度的信息都无法完整揭示系统状态，必须通过多源信息交叉验证、动态关联与分层整合来逼近真实。例如，中医诊断强调“望闻问切”：电力复杂工况下传感器灵敏度、抗干扰、可靠性的调控提升难，驱需实现多参量传感材料器件研发到应用的突破 二高灵敏敏感材料体系与传感机理里一磁敏材料 磁敏材料可根据原理、传感器尺寸进行如下分类。当前广泛使用的霍尔、磁阻传感器等，噪声指数均高于1nT/Hz1/2@1Hz，难以完全满足电网领域高精度、低功耗的传感需求。基于磁电耦合原理的磁场传感器探测极限达到pT级，且具有自供能特性，有望成为电网领域新一代的磁传感技术。 高灵敏敏感材料体系与传感机理 -ME磁电材料与传感器 磁电复合材料：由磁致伸缩材料和压电材料进行层状复合，待测磁场诱导磁致伸缩层产生应变进而带动压电层产生电荷输出，实现弱磁场感知和磁场能捕获。 构建的磁电耦合磁场传感器具有高灵敏度、无源、高能量转换效率的优点，直具有选频放大特性有望解决电网中分布式感知的难题。 二、高灵敏敏感材料体系与传感机理-ME磁电材料与传感器 目前，国内外主流研究方向针对磁电材料、元件集中在提高磁电耦合系数、提升传感灵敏度、提高取能密度等方面。针对低频磁电耦合效应的提升，低频（<1kHz）磁电耦合系数达到5900V/（cm?Oe）达到文献报道的领先水平针对低频下磁电复合材料取能密度低的问题，研究的材料输出功率密度达1.9mW.0e*2.cm*3（@<0.10e）：针对灵敏度低的问题，将器件灵敏度提升至50Hz的干倍以上 高灵敏敏感材料体系与传感机理超灵敏磁电（ME）传感器件与传感器模组 依托“磁电耦合自供能磁场敏感元件及传感器”国重项目，研发了ME架空线路接地故障检测传感器在10km架空线路6k2阻抗下接地故障均可准确识别：台区电力设备拓扑识别传感器单点时间小于10s，准确度达99.52%。 二、高灵敏敏感材料体系与传感机理-声敏材料 声敏材料主要利用敏感材料的“压-电效应”。现有技术路线有锆钛酸铅类压电材料（PZT）、锯镁酸铅-钛酸铅单晶类压电材料（PMN-PT）、聚偏二氟乙烯类压电材料（PVDF），其中，PZT用途最广，PMN-PT的压电常数（d33）可达2000pC/N以上，但器件生产成本较高，仅用于精密测量场合PVDF类材料与生物组织相容性较好，柔韧性佳，在智能可穿戴领域应用较广。此外掺航氮化铝（ScAIN）是目前突破传统压电材料性能天花板的最优解之一，用于高灵敏度压电麦克风等 高灵敏敏感材料体系与传感机理-声敏材料 压电式微机械超声换能器（PMUT）：利用先进的半导体工艺将压电材料和传感器机械结构进行集成化生产做成MEMS器件，可以和ASIC电路实现集成，核心优势在于“微型化”和“集成化”。 柔性压电陶瓷复合材料及器件：将有机材料和压电陶瓷进行复合，既保留了无机压电陶瓷材料高压电系数的优势，又和有机压电材料一样具有良好的柔韧性，适合曲面声波耦合。该材料受《瓦森纳协定》，限制进口，国内起步较晚 高性能柔性压电陶瓷声-振传感器 自主研发了3D直写柔性压电陶瓷声-振传感器，实现弯曲半径达3.5cm，在20kHz-200kHz（超声）与100Hz-2kHz（振动）频段均表现高灵敏度（表面波检测灵敏度峰值72.9dB@152.5kHz，应变灵敏度12mV/us@1kHz），具有和PVDF材料的相当的扛弯曲老化稳定性，用于GIS局部放电检测。 二、高灵敏敏感材料体系与传感机理-气敏材料 气体检测技术是实现高准确绝缘分解产物检测的核心技术，为变/配电主设备的运行状态监测与故障早期预警提供有效判断依据， 核心挑战：绝缘分解产物检测面临多气体交叉干扰、痕量浓度低、检测时效性要求高等难题，尚缺乏成熟传感材料满足全部应用需求 高灵敏敏感材料体系与传感机理-气敏材料 氢气敏感材料：利用钯合金对油中直接检测溶解氢气，检测下限优于2ppm，响应时间30-60min。 乙炔敏感材料：金属纳米颗粒修饰的碳纳米管等低维材料嵌入聚酰亚胺材料，实现油中直接检测乙炔。有机半导体气敏材料：常温工作、气体选择性高、灵敏度好、成本低，有望突破常温、高选择性、高灵敏度的性能壁垒，用于油中糠醛、葡萄糖、乙炔、氢气。 量子点与电力绝缘分解物检测 量子点（QuantumDots，QDs）是直径在2~20纳米半导体纳米晶体，因其独特的量子限域效应表现出优异的可调特性（包括光学、光热、热电、光电和电学等）。超敏量子点气体传感器利用自标分析物与量子点表面结合时，光信号或电信号的变化，用于变压器绝缘油分解物、GIS的SF6含量检测、固体绝缘分解物检测（电子鼻）等，将检测精度由ppm级提升至ppb级。 快速油溶气体原位传感器与在线监测装置 攻克复合油气分离膜制备与封装关键技术，实现全组分油气分离平衡时间优于1小时，关键气体乙分离平衡时间优于15分钟，达到国际领先水平。成果已安装于上海奉贤与福建榕城特高压站开展试点应用，乙炔8个月测量误差小于±0.1ppm，优于A1标准。 二、高灵敏敏感材料体系与传感机理-光敏材料 通过对PN结的生长操作，形成不同特性的半导体器件，如：光电二极管（PD），通过在PN结中引入一层低浓度型半导体来增大耗尽区宽度，进而减小扩散运动的影响，从而提高响应速度， 雪崩光电二极管（APD）则通过在PIN光电二极管内引入电流增益区域，利用其内部的雪崩倍增效应来放大光生电流。 二、高灵敏敏感材料体系与传感机理-光敏材料 单光子探测技术是支撑前沿科技发展的重要推动技术之一，单光子探测器（single-photon噪声器件，凭借其超高的灵敏度完成对单个光子的检测和计数，被广泛用于探测信号强度只有几个单光子能量级的应用中。 光电子发射探测器（光电子发射效应或外光电效应）光电导探测器号（光电导效应或内光电效应） 高灵敏敏感材料体系与传感机理-光敏材料 SiPM器件具有增益高，达到106数量级：响应时间快，标准模式运行时对于局部放电光信号的波形上升时间10ns，持续时间300-400ns。通过对紫外波段光量子级别的信号测量和光子计数，实现对GIS内部光局放信号的检测 自前国外如VoglElectronic，采用uPMT类真空光电器件及传统光电导型高增益半导体探测器，但APD类器件自前已开始应用于开关柜等位置的弧光保护。 GIS气体绝缘局部放电光学检测装置 GIS气体绝缘局部放电光学检测装置检测灵敏度优于5pC。重点解决了设备特征参量的光学微弱信号感知问题，解决复杂电磁工况下传感器抗干扰，有效支撑主设备局放立体监测提升准确度 高灵敏敏感材料体系与传感机理-量子传感 量子传感是利用量子力学效应来测量物理量的传感器，主要包括利用量子分立性、量子相干性和量子纠缠性三大类。不同于基于经典物理学的传感器，量子传感器通过对微观粒子的量子态的操控和观测，实现对外界信号的极度精确测量 高灵敏敏感材料体系与传感机理-量子传感 二、高灵敏敏感材料体系与传感机理-量子传感 高灵敏敏感材料体系与传感机理-量子传感 里德堡原子天线区别于传统天线技术，它充分利用了量子分立性，基于里德堡原子激发态产生的电磁感应透明效应实现电场原位测量 高灵敏敏感材料体系与传感机理-量子传感 当前，里德堡原子关线技术已基本完成实验室验证，正朝看现场应用方向快速发展，包括小型化主机与自动控制、MEMS原子气室与加工工艺、OTS抗弛豫薄膜制备等热门领域，以求进一步提升其工程适应性。 输变电设备状态监测的超敏量子传感器 基于里德堡原子天线等新技术研制的超敏量子传感器，具备超高检测灵敏度、超宽检测带宽可用于电力设备内部局部放电的宽频和高灵敏电磁频谱探测准确测量。在特高频局放监测中可以覆盖更宽的频率范围，探测灵敏度优于10nV/cm。 高灵敏敏感材料体系与传感机理-新型敏感材料 柔性与仿生材料研制出超薄的柔性巨磁阻传感器阵列，推动可穿戴磁场感知（磁觉"）与电子皮肤发展二维材料方面，可编程非易失光电探测器，实现正负光响应可逆切换，显著拓展了宽光谱光电协同传感能力； 忆阻器方面，《Nature》系列报道了混合精度忆阻器与SRAM存内计算AI处理器，标志着大规模忆阻交叉阵列正加速走向感存算一体化的类脑与边缘智能应用。 新型电力系统感知需求 目录 高灵敏敏感材料体系与传感机理 CONTENTS 十五五发展展望 3 三、十五五传感技术发展展望 解决应用困局的“电规级”器件-模组-装置的失效性可靠性测试标准体系口 针对传感器件、芯片在电网复杂工况下失效率高的难题，开展标准研制，覆盖特高压电压等级环境下，从装置级的测试，扩展到模组、器件级的环境应力测试、瞬变电磁场冲击应力测试方法与限值规范，形成“电力行业标准规范等级”的系列化失效性可靠性标准 三、十五五传感技术发展展望 我国电力智能传感技术已进入由日“补短板”向“引领发展”新阶段。短期需解决核心敏感材料与器件国产替代性能提升、检测平台与标准体系不完善、产业链分散等问题中长期应在感存算一体化、量子/纳米传感、自供能网络等方向形成国际领先优势。通过平台建设、标准推进和国际合作，实现从自主可控向全球引领的跨越 通感遥算融合：构建支持通信、新材料与自供能：突破自感知/自修复材料感知、计算的协同网络与平台纳米材料、多源能量收集与智能封装技术 感谢聆听，欢迎交流 鞠登峰，正高级工程师，副所长judengfeng@epri.sgcc.com.cn 电力传感研究所中国电力科学研究院有限公司北京.昌平未来科学城