CN107340322B - 多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置和方法 - Google Patents

多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置和方法 Download PDF

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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance

Abstract

本发明公开了一种多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，包括依次连接的多通道三角阵列平面电容传感器、信号调理电路、数据采集设备、计算机。本发明还公开了上述检测装置的检测方法。本发明解决了现有平面电容传感器无法对场域内介电特性分布不均区域准确定位的问题。

Description

多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置和方法
技术领域
本发明属于无损检测电容技术领域，具体涉及一种多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，本发明还涉及利用该装置进行检测的方法。
背景技术
新型复合材料在航天、冶金、医疗等行业应用越来越广泛。但在使用过程中，复合材料容易出现疲劳损伤、裂纹、侵水、开粘等现象；因此，发展新型的无损检测技术，更好的满足非金属结构材料的检测要求成为重要的技术需求。
电容法、近红外法和微波法都属于无损检测手段，但近红外法易受被测材料形状、大小、密度的影响。微波法受材料特性影响较大，且价格昂贵，难以推广使用。电容法是根据被测材料的介电特性进行检测，材料介电常数的变化必然会引起测量电容值的变化进行检测。相比起来，电容测量法具有结构简单，价格低廉，响应快速，操作方便等优点；并且电极设计灵活，可以满足多种测量条件，便于推广应用。
目前，国内外关于平面电容无损检测主要有平面电容阵列结合层析成像技术进行检测和利用复杂结构电极(叉指型、螺旋型、回字型等)检测两种方法。第一种方法区域灵敏度低且算法复杂；第二种方法结构复杂，不便于加工，且无法准确获取损伤区域位置信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，解决了现有平面电容传感器无法对场域内介电特性分布不均区域准确定位的问题。
本发明的另一个目的是通过利用上述装置进行检测的方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，包括依次连接的多通道三角阵列平面电容传感器、信号调理电路、数据采集设备、计算机。
本发明第一种技术方案的特点还在于：
多通道三角阵列平面电容传感器包括绝缘基板，绝缘基板的上表面的中心设置有矩形激励电极，矩形激励电极的两侧分别为极间屏蔽电极a和极间屏蔽电极b，极间屏蔽电极a远离矩形激励电极的一侧设置有三角测量电极b、三角测量电极c，极间屏蔽电极b远离矩形激励电极的一侧设置有三角测量电极a、三角测量电极d，绝缘基板的上方罩有绝缘保护层，保护电极包裹在绝缘基板的下表面；
矩形激励电极、三角测量电极a、三角测量电极b、三角测量电极c、三角测量电极d、极间屏蔽电极a、极间屏蔽电极b均与信号调理电路连接。
绝缘基板的上表面镀一层环氧树脂绝缘层。
矩形激励电极与三角测量电极a、三角测量电极b、三角测量电极c、三角测量电极d之间的间距为矩形激励电极宽度的0.1-0.5倍。
极间屏蔽电极a和极间屏蔽电极b的宽度为矩形激励电极与三角测量电极a、三角测量电极b、三角测量电极c、三角测量电极d之间的间距的0.5倍。
三角测量电极a、三角测量电极b、三角测量电极c、三角测量电极d关于矩形激励电极对称分布。
所有电极均通过PCB过孔技术与外部屏蔽接线端子连接，方便接入信号调理电路。
信号调理电路包括依次串联的C/V转换电路、放大滤波电路和相敏检波电路，C/V转换电路与多通道三角阵列平面电容传感器连接，相敏检波电路与数据采集设备连接。
本发明所采用的第二种技术方案是，多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置的检测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：设多通道三角阵列平面电容传感器中矩形激励电极与三角测量电极a、三角测量电极b、三角测量电极c、三角测量电极d之间的间距为d，矩形激励电极的宽度为g，矩形激励电极的长度为s，极间屏蔽电极a和极间屏蔽电极b的宽度为h，待测样本的内部局部损伤区域侵水，以侵水的内部局部损伤区域的中心为原点，建立直角坐标系，直角坐标系的x、y轴与矩形激励电极所在平面平行，直角坐标系的z轴与矩形激励电极所在平面垂直，将多通道三角阵列平面电容传感器以y＝0mm～y＝80mm任意路径沿X轴方向扫描待测样本；
步骤2：数据采集设备同时采集矩形激励电极分别与三角测量电极a、三角测量电极b、三角测量电极c、三角测量电极d构成的电容信号Cxi(n)，其中，i＝1,2,3,4，然后在计算机4中对采集到的电容信号分别进行均方根处理和差值处理，得到
Figure GDA0001417772380000031
差模信号Csubx1(n)和Csubx2(n)：
Figure GDA0001417772380000032
Csubx1(n)＝Cx1(n)-Cx2(n)，n＝1,2,3…N (2)
Csubx2(n)＝Cx3(n)-Cx4(n)，n＝1,2,3…N (3)
其中，n为采样点序列，N为电容信号采样点总数；
步骤3：对计算得到的差模信号Csubx1(n)和Csubx2(n)进行阈值设定，当Csubx1(n)或Csubx2(n)＝[0,min,max]时，在X轴方向上对介质分布不均区域进行准确定位，即定位于
Figure GDA0001417772380000041
坐标；
步骤4：在步骤3中得到的X轴坐标
Figure GDA0001417772380000042
处沿Y轴对样本进行扫描检测；
步骤5：数据采集设备同时采集矩形激励电极分别与三角测量电极a、三角测量电极b、三角测量电极c、三角测量电极d构成的电容信号Cyi(n)，其中，i＝1,2,3,4，然后在计算机4中对采集到的电容信号分别进行均方根处理和差值处理，得到
Figure GDA0001417772380000043
差模信号Csuby1(n)和Csuby2(n)：
Figure GDA0001417772380000044
Csuby1(n)＝Cy1(n)-Cy4(n)，n＝1,2,3…N (5)
Csuby2(n)＝Cy2(n)-Cy3(n)，n＝1,2,3…N (6)
步骤6：对计算得到的差模电容信号Csuby1(n)和Csuby2(n)进行阈值设定，当差模信号Csuby1(n)或Csuby2(n)＝0时，可以对介质分布不均区域在Y轴方向上进行定位，即定位于y＝0mm坐标；
步骤7：假设待测样本是各项同性的均匀介质，电容信号的变化仅由介电特性不均区域引起，则在介电特性不均区域的介电常数变化量Δε由公式(7)、(8)计算获得：
ΔC＝k1·Δε (7)
Figure GDA0001417772380000051
其中：k1、k2、k3、k4、k5为无量纲校正系数；
经过上述步骤，确定待测样本内介质分布不均区域的位置，进而计算获得待测样本内部介电特性分布情况。
本发明的有益效果是：本发明多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置和方法，结构简单、布置灵活、价格低廉，并且由于其特殊的三角极片形状，具有较高的测量灵敏度和良好的线性度；本发明中利用矩形激励电极和三角检测电极对称分布排列的特性，可以快速确定介质分布不均区域的位置。
附图说明
图1是本发明检测装置的结构示意图；
图2是本发明检测装置中多通道三角阵列平面电容传感器的主视图；
图3是本发明检测装置中多通道三角阵列平面电容传感器的侧视图；
图4是本发明检测装置中信号调理电路的结构示意图；
图5是本发明检测装置多通道三角阵列平面电容传感器检测示意图；
图6(a)是本发明检测装置沿路径y＝0mm扫描时沿X轴向容值变化规律图；
图6(b)是本发明检测装置沿路径y＝80mm扫描时沿X轴向容值变化规律图；
图7是本发明检测装置沿X轴向扫描差模信号变化规律图；
图8(a)是本发明检测装置沿路径x＝0mm扫描时沿Y轴向容值变化规律图；
图8(b)是本发明检测装置沿路径x＝8.5mm扫描时沿Y轴向容值变化规律图；
图9是本发明检测装置沿Y轴向扫描差模信号变化规律图。
图中，1.多通道三角阵列平面电容传感器，2.信号调理电路，3.数据采集设备，4.计算机，5.C/V转换电路，6.放大滤波电路，7.相敏检波电路，8.矩形激励电极，9.三角测量电极a，10.三角测量电极b，11.三角测量电极c，12.三角测量电极d，13.极间屏蔽电极a，14.极间屏蔽电极b，15.绝缘基板，16.绝缘保护层，17.保护电极，18.待测样本，19.内部局部损伤区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，如图1所示，包括依次连接的多通道三角阵列平面电容传感器1、信号调理电路2、数据采集设备3、计算机4。
多通道三角阵列平面电容传感器1主视图如图2所示，侧视图如图3所示，包括绝缘基板15，绝缘基板15的上表面的中心设置有矩形激励电极8，矩形激励电极8的两侧分别为极间屏蔽电极a13和极间屏蔽电极b14，极间屏蔽电极a13远离矩形激励电极8的一侧设置有三角测量电极b10、三角测量电极c11，极间屏蔽电极b14远离矩形激励电极8的一侧设置有三角测量电极a9、三角测量电极d12，绝缘基板15的上方罩有绝缘保护层16，保护电极17包裹在绝缘基板15的下表面，减少内部电场的泄露，抑制电路测量寄生电容和外界电磁干扰；矩形激励电极8、三角测量电极a9、三角测量电极b10、三角测量电极c11、三角测量电极d12、极间屏蔽电极a13、极间屏蔽电极b14均与信号调理电路2连接。
矩形激励电极8与4个三角测量电极蚀刻在绝缘基板15同一平面上，三角测量电极关于矩形激励电极8对称分布，实现了对平面复合材料的测量。同时，特殊的三角极片结构以及对称排列方式，实现了对场域内介质分布不均区域的准确定位。
激励电极的形状为矩形，测量电极的形状为三角形，与传统的矩形或正方形排列方式相比，这种形状的测量电极和电极排列方式可以有效提高传感器的信号强度、动态检测范围、测量灵敏度和穿透深度。
激励电极与测量电极之间存在极间屏蔽电极，可以减少不同测量通道之间的串扰噪声。
绝缘基板15的上表面镀一层环氧树脂绝缘层，可以有效减小外部噪声对测量信号的干扰，提高测量灵敏度。
矩形激励电极8与三角测量电极a9、三角测量电极b10、三角测量电极c11、三角测量电极d12之间的间距是决定信号强度的主要因素，为了使传感器输出信号强度性能优化，其间距一般取矩形激励电极8宽度的0.1-0.5倍。
极间屏蔽电极a13和极间屏蔽电极b14分布在矩形激励电极8和4个三角测量电极之间，极间屏蔽电极宽度越大，信号强度越弱，但是穿透深度增加；同时极间屏蔽电极可以有效减小不同测量通道之间的串扰噪声，其宽度一般取矩形激励电极8与三角测量电极间距的0.5倍。
所有电极均通过PCB过孔技术与外部屏蔽接线端子连接，方便接入信号调理电路2。
信号调理电路2如图4所示，包括依次串联的C/V转换电路5、放大滤波电路6和相敏检波电路7，C/V转换电路5与多通道三角阵列平面电容传感器1连接，相敏检波电路7与数据采集设备3连接。多通道三角阵列平面电容传感器1的各个电极的接线端子通过单芯屏蔽导线与C/V转换电路5连接。
数据采集设备3采集数据并送入计算机4，由计算机4对数据采集设备3的输出信号进行数据处理和阈值判断，确定介质分布不均区域的位置和大小，进而计算获得待测样本内部介电特性分布情况。
本发明多通道三角阵列平面电容传感器无损检测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：如图5所示，设多通道三角阵列平面电容传感器1中矩形激励电极8与三角测量电极a9、三角测量电极b10、三角测量电极c11、三角测量电极d12之间的间距为d＝2mm，矩形激励电极8的宽度为g＝15mm，矩形激励电极8的长度为s＝80mm，极间屏蔽电极a13和极间屏蔽电极b14的宽度为h＝1mm，基底为环氧树脂材质(厚度t＝1.6mm，相对电容率ε＝4.5，电导率σ＝0)，待测样本18为非金属材料(相对电容率εs＝4.2，电导率σ＝0)，设待测非金属材料内部局部损伤区域19(圆柱体半径为10mm，高度为1mm，εr＝81)侵水。以侵水的内部局部损伤区域19的中心为原点，建立直角坐标系，直角坐标系的x、y轴与矩形激励电极8所在平面平行，直角坐标系的z轴与矩形激励电极8所在平面垂直，将多通道三角阵列平面电容传感器1以y＝0mm～y＝80mm任意路径(y＝0mm和y＝80mm为典型路径)沿X轴方向扫描待测样本；
步骤2：数据采集设备3同时采集矩形激励电极8分别与三角测量电极a9、三角测量电极b10、三角测量电极c11、三角测量电极d12构成的电容信号Cxi(n)，其中，i＝1,2,3,4，电容信号Cxi(n)如图6所示，图6(a)所示为沿路径y＝0mm扫描时沿X轴向容值变化，图6(b)所示为沿路径y＝80mm扫描时沿X轴向容值变化，然后在计算机4中对采集到的电容信号分别进行均方根处理和差值处理，得到
Figure GDA0001417772380000091
差模信号Csubx1(n)和Csubx2(n)：
Figure GDA0001417772380000092
Csubx1(n)＝Cx1(n)-Cx2(n)，n＝1,2,3…N (2)
Csubx2(n)＝Cx3(n)-Cx4(n)，n＝1,2,3…N (3)
其中，n为采样点序列，N为电容信号采样点总数；
步骤3：差模信号Csubx1(n)如图7所示，对计算得到的差模信号Csubx1(n)和Csubx2(n)进行阈值设定，当Csubx1(n)或Csubx2(n)＝[0,min,max]时，在X轴方向上对介质分布不均区域进行准确定位，即定位于
Figure GDA0001417772380000093
坐标；
步骤4：在步骤3中得到的X轴坐标
Figure GDA0001417772380000094
处沿Y轴对样本进行扫描检测；
步骤5：数据采集设备3同时采集矩形激励电极8分别与三角测量电极a9、三角测量电极b10、三角测量电极c11、三角测量电极d12构成的电容信号Cyi(n)，其中，i＝1,2,3,4，电容信号Cyi(n)如图8所示，图8(a)所示为沿路径x＝0mm扫描时沿Y轴向容值变化，图8(b)所示为沿路径x＝8.5mm扫描时沿Y轴向容值变化，然后在计算机4中对采集到的电容信号分别进行均方根处理和差值处理，得到
Figure GDA0001417772380000095
差模信号Csuby1(n)和Csuby2(n)：
Figure GDA0001417772380000102
Csuby1(n)＝Cy1(n)-Cy4(n)，n＝1,2,3…N (5)
Csuby2(n)＝Cy2(n)-Cy3(n)，n＝1,2,3…N (6)
步骤6：差模信号Csuby1(n)如图9所示，对计算得到的差模信号Csuby1(n)和Csuby2(n)进行阈值设定，当差模信号Csuby1(n)或Csuby2(n)＝0时，可以对介质分布不均区域在Y轴方向上进行定位，即定位于y＝0mm坐标；
步骤7：假设待测样本是各项同性的均匀介质，电容信号的变化仅由介电特性不均区域引起，则在介电特性不均区域的介电常数变化量Δε由公式(7)、(8)计算获得：
ΔC＝k1·Δε (7)
Figure GDA0001417772380000101
其中：k1、k2、k3、k4、k5为无量纲校正系数；
经过上述步骤，确定待测样本内介质分布不均区域的位置，进而计算获得待测样本内部介电特性分布情况。

Claims (5)

1.多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，其特征在于，包括依次连接的多通道三角阵列平面电容传感器(1)、信号调理电路(2)、数据采集设备(3)、计算机(4)；所述多通道三角阵列平面电容传感器(1)包括绝缘基板(15)，绝缘基板(15)的上表面的中心设置有矩形激励电极(8)，矩形激励电极(8)的两侧分别为极间屏蔽电极a(13)和极间屏蔽电极b(14)，极间屏蔽电极a(13)远离矩形激励电极(8)的一侧设置有三角测量电极b(10)、三角测量电极c(11)，极间屏蔽电极b(14)远离矩形激励电极(8)的一侧设置有三角测量电极a(9)、三角测量电极d(12)，绝缘基板(15)的上方罩有绝缘保护层(16)，保护电极(17)包裹在绝缘基板(15)的下表面；
矩形激励电极(8)、三角测量电极a(9)、三角测量电极b(10)、三角测量电极c(11)、三角测量电极d(12)、极间屏蔽电极a(13)、极间屏蔽电极b(14)均与所述信号调理电路(2)连接；
所述三角测量电极a(9)、三角测量电极b(10)、三角测量电极c(11)、三角测量电极d(12)关于所述矩形激励电极(8)对称分布；
所述绝缘基板(15)的上表面镀一层环氧树脂绝缘层；
所有所述电极均通过PCB过孔技术与外部屏蔽接线端子连接，方便接入所述信号调理电路(2)。
2.根据权利要求1所述的多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，其特征在于，所述矩形激励电极(8)与所述三角测量电极a(9)、三角测量电极b(10)、三角测量电极c(11)、三角测量电极d(12)之间的间距为所述矩形激励电极(8)宽度的0.1-0.5倍。
3.根据权利要求1所述的多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，其特征在于，所述极间屏蔽电极a(13)和极间屏蔽电极b(14)的宽度为所述矩形激励电极(8)与所述三角测量电极a(9)、三角测量电极b(10)、三角测量电极c(11)、三角测量电极d(12)之间的间距的0.5倍。
4.根据权利要求1所述的多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置，其特征在于，所述信号调理电路(2)包括依次串联的C/V转换电路(5)、放大滤波电路(6)和相敏检波电路(7)，C/V转换电路(5)与所述多通道三角阵列平面电容传感器(1)连接，相敏检波电路(7)与所述数据采集设备(3)连接。
5.根据权利要求1-4任意一项多通道三角阵列平面电容传感器无损检测装置的检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：设多通道三角阵列平面电容传感器(1)中矩形激励电极(8)与三角测量电极a(9)、三角测量电极b(10)、三角测量电极c(11)、三角测量电极d(12)之间的间距为d，矩形激励电极(8)的宽度为g，矩形激励电极(8)的长度为s，极间屏蔽电极a(13)和极间屏蔽电极b(14)的宽度为h，待测样本(18)的内部局部损伤区域(19)侵水，以侵水的内部局部损伤区域(19)的中心为原点，建立直角坐标系，直角坐标系的x、y轴与矩形激励电极(8)所在平面平行，直角坐标系的z轴与矩形激励电极(8)所在平面垂直，将多通道三角阵列平面电容传感器(1)以y＝0mm～y＝80mm任意路径沿X轴方向扫描待测样本；
步骤2：数据采集设备(3)同时采集矩形激励电极(8)分别与三角测量电极a(9)、三角测量电极b(10)、三角测量电极c(11)、三角测量电极d(12)构成的电容信号Cxi(n)，其中，i＝1,2,3,4，然后在计算机( 4) 中对采集到的电容信号分别进行均方根处理和差值处理，得到
Figure FDA0002397622220000031
差模信号Csubx1(n)和Csubx2(n)：
Figure FDA0002397622220000032
Csubx1(n)＝Cx1(n)-Cx2(n)，n＝1,2,3…N (2)
Csubx2(n)＝Cx3(n)-Cx4(n)，n＝1,2,3…N (3)
其中，n为采样点序列，N为电容信号采样点总数；
步骤3：对计算得到的差模信号Csubx1(n)和Csubx2(n)进行阈值设定，当Csubx1(n)或Csubx2(n)＝[0,min,max]时，在X轴方向上对介质分布不均区域进行准确定位，即定位于
Figure FDA0002397622220000033
坐标；
步骤4：在步骤3中得到的X轴坐标
Figure FDA0002397622220000034
处沿Y轴对样本进行扫描检测；
步骤5：数据采集设备(3)同时采集矩形激励电极(8)分别与三角测量电极a(9)、三角测量电极b(10)、三角测量电极c(11)、三角测量电极d(12)构成的电容信号Cyi(n)，其中，i＝1,2,3,4，然后在计算机( 4) 中对采集到的电容信号分别进行均方根处理和差值处理，得到
Figure FDA0002397622220000035
差模信号Csuby1(n)和Csuby2(n)：
Figure FDA0002397622220000036
Csuby1(n)＝Cy1(n)-Cy4(n)，n＝1,2,3…N (5)
Csuby2(n)＝Cy2(n)-Cy3(n)，n＝1,2,3…N (6)
步骤6：对计算得到的差模电容信号Csuby1(n)和Csuby2(n)进行阈值设定，当差模信号Csuby1(n)或Csuby2(n)＝0时，可以对介质分布不均区域在Y轴方向上进行定位，即定位于y＝0mm坐标；
步骤7：假设待测样本是各项同性的均匀介质，电容信号的变化仅由介电特性不均区域引起，则在介电特性不均区域的介电常数变化量Δε由公式(7)、(8)计算获得：
ΔC＝k1·Δε (7)
Figure FDA0002397622220000041
其中：k1、k2、k3、k4、k5为无量纲校正系数；
经过上述步骤，确定待测样本内介质分布不均区域的位置，进而计算获得待测样本内部介电特性分布情况。
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