CN107748129B - 一种用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于多孔介质绝缘板渗水的检测系统及检测方法，属于电容层析成像技术领域，检测系统包括依次连接的平行电容阵列传感器、电容测量模块和上位机；传感器包括分别位于被测多孔介质绝缘板材外侧、内侧的激励检测电极板和作为公共电极的被测舱体金属外壳，激励检测电极板上设有分别与公共电极形成各电极对的电极阵列；电容测量模块依次采集各电极对的横、纵向两组电容信息；上位机内设电场灵敏度分布计算模块和图像重建数据分析模块。所述检测方法依次通过数据采集、信息处理、图像重建及数据分析，实现多孔介质绝缘板材渗水位置和渗水程度的确定。本发明具有操作方便、检测效率和准确性高、检测深度深、获取信息量大及扩展性强的特点。

Description

一种用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于电容层析成像技术领域，特别涉及一种用于多孔介质绝缘板材渗水的检测 系统及其检测方法。

背景技术

随着科学技术的发展，复合材料在船舶与海洋工程领域得到了广泛应用。船舶结构长 期浸泡在恶劣的海洋环境中，由于海水具有强烈的腐蚀性，包裹在船舶舱体外壳(通常由 铁皮制成)外围的复合材料如多孔介质绝缘板材(该板材多用于具有吸声要求的船舶)很 容易被腐蚀造成该复合材料与舱体外壳接触处乃至舱体内部渗水，从而影响船舶结构整体 的承载能力。

统计数据表明，由于海水腐蚀已导致90％的船舶退役。船舶表层的复合材料属于多孔 结构，从船舶金属壳体与船舶表层复合材料间的粘接缝渗入的水会沿着船舶表层复合材料 的孔隙渗入到复合材料中，直接影响船舶表层复合材料的性能和寿命。因此为了确保船舶 安全服役，有必要对船舶表层的复合材料进行渗水检测并进行异常定位。

针对多孔介质绝缘板材的渗水检测，目前没有成熟的专用检测方法，针对船舶复合材 料的缺陷等异常检测方法有：视觉检测法、超声检测法、微波检测法及声发射检测法等， 这些方法用于渗水检测效率低，成本高，信噪比常常不能满足实际需求，而且检测条件要 求比较苛刻，尤其考虑到特殊应用下的非透明复合板材厚度较厚，要求检测精度较高。而 超声波在复合材料中衰减很大，其光波不能穿透不透明的复合材料，X射线和微波对水膜 的对比度较低，测量精度较低。

电容层析成像(ECT)是近年来出现的新型无损检测技术，根据不同介质具有不同介 电常数的物理特性，在工业和工程技术领域得到了广泛应用。在电容层析成像技术中，传 感器是成像性能好坏的关键因素，传感器的合理设计可以用于复合板材内部渗水检测。同 其他渗水测量方法相比，电容传感器具有非接触性、非侵入、设计简单、快速、成本低、稳定度高、分辨率高等一系列优点，这些优点使得电容成像技术克服了常规检测方法的局限，实现对特定深度的渗水检测。

由于船舱舱体的外壳呈现出封闭特性，目前所存针对舱体外壳检测的电容传感器大多 为单平面电容传感器，由于单平面电容传感器是依靠电容边缘效应的原理，检测深度有限， 大多应用在飞机舱体外壳等的检测。目前所用平面电容传感器的电极形状大多为圆形，在 检测精度、抗干扰能力等方面面临着巨大的挑战。针对特殊应用下船舶舱体外壳包裹着厚 厚的多孔介质绝缘板材，目前所存的电容传感器很难满足实际测量需求。

发明内容

本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题，提出一种用于多孔介质绝 缘板材渗水的检测系统及其检测方法。本发明具有操作方便、检测效率和准确性高、检测 深度深、获取信息量大及扩展性强的特点。

本发明采用如下技术方案：

一种用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统，包括依次连接平行电容阵列传感器、电 容测量模块和上位机；其中

所述平行电容阵列传感器，包括激励检测电极板和多个电极接口，所述激励检测电极 板的内侧依次是被测多孔介质绝缘板材和舱体金属外壳，利用金属的导电性将被测区域的 舱体金属外壳作为公共电极；所述激励检测电极板的内侧设有与被测多孔介质绝缘板材相 接触的阵列电极，该阵列电极由N个平行设置的矩形电极构成，每个矩形电极与位于激励 检测电极板上相对应的一个激励检测电极接口连接；所述激励检测电极板的外侧覆盖有屏 蔽层，用于避免外界噪声信号的干扰和内部电场的泄露；所述激励检测电极板上还设有共 地电极接口；所述被测舱体金属外壳上设有共地电极接口和公共电极接口；所述激励检测 电极板上的任一电极与公共电极形成一个电极对，阵列电极与公共电极间形成的垂直区域 为检测敏感区域，被测多孔绝缘板材的尺寸完全覆盖该敏感区域沿被测多孔绝缘板材所在 平面方向的投影面积；

所述电容测量模块，与所述平行电容阵列传感器内的各电极接口连接，用于对平行电 容阵列传感器产生激励和检测信号，并依次采集平行电容阵列传感器中各电极对的横向、 纵向两组电容信息；

所述上位机，内设电场灵敏度分布计算模块和图像重建数据分析模块，该上位机与电 容测量模块连接，并控制协同电容测量模块提供激励信号和收集电容信息；所述图像重建 数据分析模块根据电容测量模块获得的平行电容阵列传感器的横向、纵向两组电容信息， 结合电场灵敏度分布计算模块得到的电极灵敏场的分布获得不同观察角度下电容信息的 “投影数据”，对所有电极对横向、纵向交叉位置的数据信息进行归一化处理，通过成像 算法获得多孔介质绝缘板材的渗水位置和渗水程度。

本发明还提出一种根据上述检测系统的检测方法，该检测方法依次通过数据采集、信 息处理、图像重建以及数据分析，实现多孔介质绝缘板材渗水位置和渗水程度的确定，具 体包括以下步骤：

步骤M1：数据采集

步骤M1.1：电容信息采集

步骤M1.1.1：将所述平行板阵列电容传感器的激励检测电极板固定在被测多孔介质绝 缘板材外表面，公共电极始终接地，电容测量模块向阵列电极发送激励信号，阵列电极分 别与公共电极形成各电极对；电容测量模块向阵列电极发送检测信号，依次获取各电极对 的电容，得到平行板阵列电容传感器横向的电容分布；

步骤M1.1.2：将平行板阵列电容传感器的激励检测电极板沿检测敏感区域中心水平旋 转90°，重复步骤M1.1.1完成纵向各电极对电容的检测，得到平行板阵列电容传感器纵 向的电容分布；

步骤M1.2：电场灵敏度信息采集

根据介电常数的变化引起电场强度变化的特性，上位机通过有限元方法沿检测敏感区 域厚度方向Z平均分为L层获取已加载激励信号的平行板阵列电容传感器的电场强度分布， X方向和Y方向均位于公共电极板所在平面，根据各层电场强度分布计算各层电场灵敏度 矩阵S_z，包括如下步骤：

选择有限元网格对第z层的检测敏感区域剖分成K＝m×m个像素，记S_i,z(k)为第z(1 ≤z≤L)层中第i个激励检测电极与公共电极形成的电容传感器对第k个像素的电场灵敏 度值，为第z层电场灵敏度矩阵S_z内的元素，S_i,z(k)近似表示为：

S_i,z(k)＝-E_i(x,y,z)·E(x,y,z)

式中，E_i(x,y,z)为第i个激励检测电极施加激励信号、公共电极接地时平行板阵列电容传 感器内部的电场强度，1≤i≤N；E(x,y,z)为公共电极施加激励信号、第i个激励检测电极 接地时平行板阵列电容传感器内部的电场强度；x、y、z为第k个像素的三维坐标值，x、y 为有限元网格划分的平面坐标，z为待求电场强度分布所在的层数，1≤x≤m，1≤y≤m，1 ≤z≤L；

按照上述步骤依次确定各层电场灵敏度矩阵S_z，然后对所有层电场灵敏度矩阵进行加 权平均得到最优电场灵敏度矩阵S；

步骤M2：信息处理

步骤M2.1：电容信息处理

上位机对步骤M1.1获取的横向、纵向两个正交方向的所有电容分布信息c进行归一 化处理，归一化公式为：

式中，λ为电容分布归一化值；c_empty表示被测的多孔介质绝缘板材没有任何渗水时的 电容信息，c_full表示被测的多孔介质绝缘板材中所有孔隙渗满水时的电容信息；

步骤M2.2：电场灵敏度信息处理

上位机对步骤M1.2对获得的电场灵敏度矩进行归一化处理，电场灵敏度归一化公式为：

式中，

为第z层、第i个激励检测电极施加激励信号、第k个像素的电场灵敏度值的 归一化值；S_i,z(k)为步骤M1.2确定的第z层、第k个像素的电场灵敏度值；

按照上述步骤依次确定各像素的电场灵敏度矩阵归一化值，并构成归一化电场灵敏度 矩阵S^*；

步骤M3：图像重建

上位机根据步骤M2.1确定的电容分布归一化值λ和步骤M2.2确定的归一化电场灵敏 度矩阵S^*在上位机内根据图像重建算法获得所述检测敏感区域介质分布的断层图像；根据 该检测敏感区域介质分布的断层图像通过反演算法确定所述检测敏感区域介质的介电常数；

步骤M4：数据分析

上位机通过步骤M3获得的断层图像直接确定多孔介质绝缘板材的渗水位置；上位机根据步骤M3确定的检测敏感区域介质的介电常数与实际介质的介电常数之间的相对误差判断多孔介质绝缘板材的渗水程度，所述相对误差越小，则多孔介质绝缘板材的渗 水程度越严重。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、检测灵敏度高。本发明利用电极对之间的灵敏度分布不均匀性，靠近激励电极的 灵敏度远远大于靠近检测电极的灵敏度，为了保证平均测量精度更高，对敏感区域内分层 提取敏感场分布，通过加权平均确定更合理的灵敏场分布，达到更高的检测灵敏度。

2、探测深度深。本发明利用平行板电极对的探测深度远远大于相同大小的平面电极 的探测深度，完成特殊环境下的多孔绝缘板材的渗水测量。

3、便携性强。本发明采用平行板电极的测量原理，在检测过程中，公共电极始终接地，阵列电极通过旋转角度获取多维信息，减少了阵列电极的数量和尺寸。小型化的检测装置不受时间，地点的限制，操作灵活，便捷。

4、扩展性强。本发明采用了旋转平行阵列电极的角度获取正交电容信息的思想，可 以进一步调整电极的长度，达到可以旋转任意角度，获取多维电容信息，提高检测的准确 度和精度。本发明所提出的设计思想也可以进一步应用到其他领域所涉及到的绝缘板材的 内部异常检测。根据敏感区域内物质变化会引起电容传感器极板间电容量的随机变化的思 想，可以采用本发明用来故障检测并定位故障位置。

本发明其它附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为根据本发明绝缘板材渗水测试方法的流程框图；

图3为验证本发明一个实施例的结构示意图；

图4是图3中激励测试电极板的结构示意图；

图5是图3中公共电极板的结构示意图；

图6为图3所示装置的试验结果图表。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图对 本发明的技术方案做进一步的详细说明。本发明用于多孔介质绝缘板材内部渗水检测，是 电容层析成像技术的延伸，测量值少，检测速度快，检测精度高。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连 接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以 是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据 具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例和其他方面。在这些描述和附图中， 具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的 一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包 括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

图1为根据本发明一个实施例的用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统。如图1所示， 本发明中一个实施例的用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统，包括依次连接平行电容阵 列传感器、电容测量模块和上位机；其中

平行电容阵列传感器，包括激励检测电极板3和多个电极接口，激励检测电极板的内 侧依次是被测多孔介质绝缘板材1和舱体金属外壳2，利用金属的导电性将被测区域的舱 体金属外壳作为公共电极；激励检测电极板的内侧设有与被测多孔介质绝缘板材1相接触 的阵列电极，该阵列电极由N个(电极的个数由所处的实际测量环境中多孔介质绝缘板材 的厚度和渗水位置决定)平行设置的矩形电极构成(根据测量精度的具体需求，阵列电极 的宽度可以发生变化)，每个矩形电极与位于激励检测电极板上相对应的一个激励检测电 极接口连接，矩形的电极结构可增加电极对的有效面积；激励检测电极板的外侧覆盖有屏 蔽层C1，用于避免外界噪声信号的干扰和内部电场的泄露，提高测量精度；激励检测电极 板上还设有共地电极接口；被测舱体金属外壳上设有共地电极接口和公共电极接口；激励 检测电极板上的任一电极与公共电极形成一个电极对(电极对之间的距离即为被测多孔介 质绝缘板材的厚度)，阵列电极与公共电极间形成的垂直区域为检测敏感区域，被测多孔 绝缘板材的尺寸完全覆盖该敏感区域沿被测多孔绝缘板材所在平面方向的投影面积；通过 激励检测电极板沿检测敏感区域中心水平旋转90°，测量因待测多孔绝缘板材渗水程度和 位置变化导致的介电常数分布不均匀而引起的各电极对的横向、纵向二维电容变化，具体 地平行阵列电容传感器将敏感区域内不同含量的物质转换为各电极对内的电容值；

电容测量模块，与平行电容阵列传感器内的各电极接口连接，用于对平行电容阵列传 感器产生激励和检测信号，并依次采集平行电容阵列传感器中各电极对的横向、纵向两组 电容信息；该电容测量模块采用常规的电容测量电路或者电容测量仪器，当待测多孔绝缘 板材内部出现不成程度的渗水现象时，各电极对的电容会发生变化；同时调整平行阵列电 容传感器中激励检测电极板的方向，电容测量模块可以采集横向、纵向两组电容信息；其 中本实施例中采用了现有的电容测量仪器用于测量不同条件下所有电极对的电容；

以及上位机，电场灵敏度分布计算和图像重建功能在上位机中完成，所述上位机内设 有电场灵敏度分布计算模块和图像重建数据分析模块，上位机与电容测量模块连接，并控 制协同电容测量模块提供激励信号和收集电容信息；该图像重建数据分析模块根据电容测 量模块获得的平行电容阵列传感器的横向、纵向两组电容信息，结合电场灵敏度分布计算 模块得到的电极灵敏场的分布获得不同观察角度下电容信息的“投影数据”，对所有电极 对横向、纵向交叉位置的数据信息进行归一化处理，通过常用的成像算法获得多孔介质绝 缘板材渗水位置和渗水程度。上位机采用通用计算机实现。

本发明根据上述用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统，还提出一种检测方法，该检 测方法的流程如图4所示，该检测方法依次通过数据采集、信息处理、图像重建以及数据 分析，实现多孔介质绝缘板材渗水位置和渗水程度的确定，具体包括以下步骤：

步骤M1：数据采集

步骤M1.1：电容信息采集

步骤M1.1.1：将平行板阵列电容传感器的激励检测电极板固定在被测多孔介质绝缘板 材1外表面，公共电极始终接地，电容测量模块向阵列电极发送激励信号，阵列电极分别 与公共电极形成各电极对；电容测量模块向阵列电极发送检测信号，依次获取各电极对的 电容，得到平行板阵列电容传感器横向的电容分布；

步骤M1.1.2：将平行板阵列电容传感器的激励检测电极板沿检测敏感区域中心水平旋 转90°，重复步骤M1.1.1完成纵向各电极对电容的检测，得到平行板阵列电容传感器纵 向的电容分布；

步骤M1.2：电场灵敏度信息采集

根据介电常数的变化引起电场强度变化的特性，上位机通过有限元方法沿检测敏感区 域厚度方向Z平均分为L层获取已加载激励信号的平行板阵列电容传感器的电场强度分布 E，X方向和Y方向均位于公共电极板所在平面，根据各层电场强度分布计算各层电场灵 敏度矩阵S_z，包括如下步骤：

设定沿检测敏感区域厚度方向为Z方向、X方向和Y方向均位于公共电极板所在平面 (越靠近激励检测电极板，所在层数值越大)，沿Z方向将检测敏感区域平均分为L层， 选择有限元网格对z层的检测敏感区域剖分成K＝m×m个像素(K的大小可以根据检测精 度的要求适当调整)，S_i,z(k)记为第z(1≤z≤L)层中第i个激励检测电极与公共电极形 成的电容传感器对第k个像素的电场灵敏度值，为第z层电场灵敏度矩阵S_z内的元素， S_i,z(k)近似表示为：

S_i,z(k)＝-E_i(x,y,z)·E(x,y,z)

式中，E_i(x,y,z)为第i个激励检测电极施加激励信号、公共电极接地时平行板阵列电容传 感器内部的电场强度，1≤i≤N；E(x,y,z)为公共电极施加激励信号、第i个激励检测电极 接地时平行板阵列电容传感器内部的电场强度；x、y、z为第k个像素的三维坐标值，x、 y为有限元网格划分的平面坐标，z为待求电场强度分布所在的层数，1≤x≤m，1≤y≤m， 1≤z≤L；

按照上述步骤依次确定各层电场灵敏度矩阵S_z，然后对所有层的电场灵敏度矩阵进行 加权平均得到最优电场灵敏度矩阵S；

本步骤可解决由于整个检测敏感区域内电场灵敏度分布不均匀(靠近阵列电极的电场 灵敏度要比靠近公共电极的电场灵敏度高出很多)造成多孔介质绝缘板材内水柱大小直接 影响分辨率的问题，并可提高渗水定位的准确度；

步骤M2：信息处理

步骤M2.1：电容信息处理

上位机对步骤M1.1获取的横向、纵向两个正交方向的所有电容分布信息c进行归一 化处理(归一化之后是一个无量纲数值)，经归一化处理后的电容分布便于提高后续图像 重建的质量；归一化公式为：

式中，λ为电容分布归一化值；c_empty表示被测的多孔介质绝缘板材没有任何渗水时的 电容信息(一旦多孔介质绝缘板材的结构确定后，该值为一定值，可事先通过电容测量器 测得)，c_full表示被测的多孔介质绝缘板材中所有孔隙渗满水时的电容信息(一旦多孔介质 绝缘板材的结构确定后，该值为一定值，可事先通过电容测量器测得)；

步骤M2.2：电场灵敏度信息处理

上位机对步骤M1.2对获得的电场灵敏度矩进行归一化处理，电场灵敏度归一化公式为：

式中，为第z层、第i个激励检测电极施加激励信号、第k个像素的电场灵敏度值的 归一化值；S_i,z(k)为步骤M1.2确定的第z层、第k个像素的电场灵敏度值；

按照上述步骤依次确定各像素的电场灵敏度矩阵归一化值，并构成归一化电场灵敏度 矩阵S^*；

通过本步骤的归一化处理具有以下优点：1、无量纲的归一化值可以减小测量干扰影 响；2、方便简化数学模型；3、一定程度上提高重建图像的质量；

步骤M3：图像重建

上位机根据步骤M2.1确定的电容分布归一化值λ和步骤M2.2确定的归一化电场灵敏 度矩阵S^*在上位机的显示终端根据图像重建算法(如常规的TV正则化算法)获得检测敏感区域介质分布的断层图像；根据该检测敏感区域介质分布的断层图像通过反演算法确定检测敏感区域介质的介电常数；

步骤M4：数据分析

上位机通过步骤M3获得的断层图像直接确定多孔介质绝缘板材的渗水位置；上位机根据步骤M3确定的检测敏感区域介质的介电常数与实际介质的介电常数(该介电常数与多孔介质绝缘板材的结构和施加的激励信号相关，通过查询《电工手册》获得)之间 的相对误差判断多孔介质绝缘板材的渗水程度，所述相对误差越小，则多孔介质绝缘板 材的渗水程度越严重。

本发明的原理为：根据电极灵敏场的不均匀特性，即传感器电极电容只对该特定区域 敏感，输出的电容值只跟该区域内物质的介电常数变化有关，任一激励电极与公共电极形 成一个电极对，每组电极对的敏感区域是固定的；通过对阵列电极做水平旋转90度，从 而获取横向、纵向二维数据信息，从而确定电场灵敏度矩阵信息。由于靠近激励检测电极 一侧的电场强度比较大，而靠近公共电极一侧的电场强度几乎为0，获取的不同层的灵敏 度分布不均匀，根据有限元分析方法，沿多孔介质绝缘板材厚度方向的不同位置对应的灵 敏场分布相差甚远，对获取的多层灵敏度矩阵进行加权平均，得到最优的灵敏度矩阵，以 便进行有效的成像算法。最后获取截面信息，从而快速准确的判断漏水位置和渗水程度。

实施例及其有效性验证：

图5为根据本发明的一个实施例的用于多孔介质绝缘板材渗水检测系统的结构示意图。 如图5所示，电容测量装置包括平行电容阵列传感器201、电容测量仪器202和终端设备 203(即上位机)。平行电容阵列传感器201放置在被测多孔介质绝缘板材(本实施例中多孔绝缘板材材质为亚克力玻璃板，结构大小为：170mm*170mm*170mm的立方体结构， 内部均匀摆列着直径10mm的5×5个孔洞，孔间隙为10mm)外侧，并与电容测量仪器 202连接。本实施例平行电容阵列传感器201的激励检测电极板101采常规的PCB板(如 图3所示)，该PCB板下表面中央区域设有N＝16个平行设置的矩形电极，电极长度均为 60mm，宽度均为6mm，电极间隙均为2mm，为了获取更接近实际应用的电容值，多孔绝 缘板材孔洞的范围远远大于激励检测电极板101上设置阵列电极的区域，该激励检测电极 板上设有1个共地电极接口S9和均匀排列的与各矩形电极相连的激励检测电极接口 E1～E16，该PCB板外侧覆盖有屏蔽层C1，该PCB板角部通过螺栓孔S1～S4和相配套的 螺钉与下方用于模拟被测舱体金属外壳的公共电极板102(如图4所示)固连，相应的公 共电极102板的四角设有螺栓孔S5～S8，公共电极板102的中央区域设有全完覆盖激励检 测电极板101中央区域阵列电极的公共电极102(如图4中涂阴影区域所示)，公共电极 板102上还设有共地电极接口S10和公共电极接口E17。电容测量仪器202测量阵列电极 中各电极与平行电容阵列传感器下方模拟的公共电极之间的电容，随后调整上方电极板的 角度，旋转90度后，重新测量阵列电极中各电极与平行电容阵列传感器下方模拟的公共 电极之间的电容。输出的电容信息直接送到终端设备203，在终端设备203上，对接收到 的电容信息以及电场信息进行处理(本实施例利用comsol软件进行有限元分析)，本实施 例将平行电容阵列传感器内电场平均分为L＝49层，每层的检测敏感区域分为K＝141×141 个像素。

图6为根据本发明的一个实施例的单水柱漏水状态下的成像信息表，图6第一列为中 间单水柱的原始模型，水柱灌满中央孔隙；第二列为Z方向上的不同层的灵敏场分布，数值越大，层数越靠近激励阵列电极。根据不同权重对获取的49层不同的敏感场矩阵进行 加权平均，越靠近激励阵列电极，权重越大。得到的平均最优敏感场矩阵为Average(图6 所示)；第3列为采用TV成像算法在不同灵敏场矩阵下获取的截面图像。越靠近激励电 极，得到的精度越高，为了能够充分考虑整个敏感区域内的敏感场分布，利用Average灵 敏场矩阵计算得到截面信息精度最高。由此可以更准确的判断渗水位置。

综上所述，根据本发明实施例的用于多孔介质绝缘板材渗水检测系统及其检测方法， 可以快速有效的对渗水位置进行辨识。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结 合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例 或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。 而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以 合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解 在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变 型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (2)

1.一种用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统，其特征在于，包括依次连接平行电容阵列传感器、电容测量模块和上位机；其中

所述平行电容阵列传感器，包括激励检测电极板和多个电极接口，所述激励检测电极板的内侧依次是被测多孔介质绝缘板材和舱体金属外壳，利用金属的导电性将被测区域的舱体金属外壳作为公共电极；所述激励检测电极板的内侧设有与被测多孔介质绝缘板材相接触的阵列电极，该阵列电极由N个平行设置的矩形电极构成，每个矩形电极与位于激励检测电极板上相对应的一个激励检测电极接口连接；所述激励检测电极板的外侧覆盖有屏蔽层，用于避免外界噪声信号的干扰和内部电场的泄露；所述激励检测电极板上还设有共地电极接口；所述被测舱体金属外壳上设有共地电极接口和公共电极接口；所述激励检测电极板上的任一电极与公共电极形成一个电极对，阵列电极与公共电极间形成的垂直区域为检测敏感区域，被测多孔绝缘板材的尺寸完全覆盖该敏感区域沿被测多孔绝缘板材所在平面方向的投影面积；

所述电容测量模块，与所述平行电容阵列传感器内的各电极接口连接，用于对平行电容阵列传感器产生激励和检测信号，并依次采集平行电容阵列传感器中各电极对的横向、纵向两组电容信息；所述横向、纵向两组电容信息是通过将平行板阵列电容传感器的激励检测电极板沿检测敏感区域中心水平旋转90°获得；

所述上位机，内设电场灵敏度分布计算模块和图像重建数据分析模块，该上位机与电容测量模块连接，并控制协同电容测量模块提供激励信号和收集电容信息；所述图像重建数据分析模块根据电容测量模块获得的平行电容阵列传感器的横向、纵向两组电容信息，结合电场灵敏度分布计算模块得到的电极灵敏场的分布获得不同观察角度下电容信息的“投影数据”，对所有电极对横向、纵向交叉位置的数据信息进行归一化处理，通过成像算法获得多孔介质绝缘板材的渗水位置和渗水程度。

2.一种根据权利要求1所述检测系统的检测方法，其特征在于，该检测方法依次通过数据采集、信息处理、图像重建以及数据分析，实现多孔介质绝缘板材渗水位置和渗水程度的确定，具体包括以下步骤：

步骤M1：数据采集

步骤M1.1：电容信息采集

步骤M1.1.1：将所述平行板阵列电容传感器的激励检测电极板固定在被测多孔介质绝缘板材外表面，公共电极始终接地，电容测量模块向阵列电极发送激励信号，阵列电极分别与公共电极形成各电极对；电容测量模块向阵列电极发送检测信号，依次获取各电极对的电容，得到平行板阵列电容传感器横向的电容分布；

步骤M1.1.2：将平行板阵列电容传感器的激励检测电极板沿检测敏感区域中心水平旋转90°，重复步骤M1.1.1完成纵向各电极对电容的检测，得到平行板阵列电容传感器纵向的电容分布；

步骤M1.2：电场灵敏度信息采集

根据介电常数的变化引起电场强度变化的特性，上位机通过有限元方法沿检测敏感区域厚度方向Z平均分为L层获取已加载激励信号的平行板阵列电容传感器的电场强度分布，X方向和Y方向均位于公共电极板所在平面，根据各层电场强度分布计算各层电场灵敏度矩阵S_z，包括如下步骤：

选择有限元网格对第z层的检测敏感区域剖分成K＝m×m个像素，记S_i,z(k)为第z(1≤z≤L)层中第i个激励检测电极与公共电极形成的电容传感器对第k个像素的电场灵敏度值，为第z层电场灵敏度矩阵S_z内的元素，S_i,z(k)近似表示为：

S_i,z(k)＝-E_i(x,y,z)·E(x,y,z)

式中，E_i(x,y,z)为第i个激励检测电极施加激励信号、公共电极接地时平行板阵列电容传感器内部的电场强度，1≤i≤N；E(x,y,z)为公共电极施加激励信号、第i个激励检测电极接地时平行板阵列电容传感器内部的电场强度；x、y、z为第k个像素的三维坐标值，x、y为有限元网格划分的平面坐标，z为待求电场强度分布所在的层数，1≤x≤m，1≤y≤m，1≤z≤L；

按照上述步骤依次确定各层电场灵敏度矩阵S_z，然后对所有层电场灵敏度矩阵进行加权平均得到最优电场灵敏度矩阵S；

步骤M2：信息处理

步骤M2.1：电容信息处理

上位机对步骤M1.1获取的横向、纵向两个正交方向的所有电容分布信息c进行归一化处理，归一化公式为：

式中，λ为电容分布归一化值；c_empty表示被测的多孔介质绝缘板材没有任何渗水时的电容信息，c_full表示被测的多孔介质绝缘板材中所有孔隙渗满水时的电容信息；

步骤M2.2：电场灵敏度信息处理

上位机对步骤M1.2对获得的电场灵敏度矩进行归一化处理，电场灵敏度归一化公式为：

式中，

为第z层、第i个激励检测电极施加激励信号、第k个像素的电场灵敏度值的归一化值；S_i,z(k)为步骤M1.2确定的第z层、第k个像素的电场灵敏度值；

按照上述步骤依次确定各像素的电场灵敏度矩阵归一化值，并构成归一化电场灵敏度矩阵S^*；

步骤M3：图像重建

上位机根据步骤M2.1确定的电容分布归一化值λ和步骤M2.2确定的归一化电场灵敏度矩阵S^*在上位机内根据图像重建算法获得所述检测敏感区域介质分布的断层图像；根据该检测敏感区域介质分布的断层图像通过反演算法确定所述检测敏感区域介质的介电常数；

步骤M4：数据分析

上位机通过步骤M3获得的断层图像直接确定多孔介质绝缘板材的渗水位置；上位机根据步骤M3确定的检测敏感区域介质的介电常数与实际介质的介电常数之间的相对误差判断多孔介质绝缘板材的渗水程度，所述相对误差越小，则多孔介质绝缘板材的渗水程度越严重。

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