CN111272060A - 基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法 - Google Patents

基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化的方法，涉及无损检测信号处理领域，包括：利用一个极板间距为S的探头接收包括非导电材料开口缺陷在内的输入单对电极电容成像连续n个位置处的检测信号电压值Un，对所述n个点求检测信号电压值对检测位置Xn的导数ΔUn＝(Un+1‑Un)/(Xn+1‑Xn)，并绘制所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线；获取检测信号导数ΔUn关于检测位置Xn的导数曲线的最大值点Xmax点和最小值点Xmin，最大值点与最小值点之间的距离为L＝|Xmax‑Xmin|，非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸为D＝L‑S。本发明通过对单对电极电容成像检测信号进行求导处理，进一步实现对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸进行量化。

Description

基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度 方向尺寸量化方法
技术领域
本发明涉及无损检测信号处理领域，尤其涉及一种基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法。
背景技术
电容成像检测技术是一种基于边缘电容效应，适用于非导电材料材料开口缺陷检测的新兴无损检测技术，其利用检测探头在非导电材料被测试件内部形成特定的电场分布进行缺陷的检测和评估。当无缺陷时，电场分布无扰动；当有缺陷存在时，会改变电场的分布并引起检测极板上电荷的变化。
现有技术中，利用单对电极电容成像检测技术对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸的量化都是采用绘制输入单对电极电容成像缺陷检测信号Yn关于检测位置Xn的曲线，其中，Yn信号为Hn提离距离下的探头电压信号，该检测信号反应非导电材料开口缺陷的有无。同时，基于电容成像检测技术的原理和特点，如图1所示，当没缺陷时，Yn信号稳定于某一数值，为一常数；当有缺陷时，Yn信号出现波谷。但是，基于电容成像检测技术测量灵敏度分布的原理和特点，如图2所示，利用Yn信号波谷之间的长度C＝C2-C1来计算非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸D＝A2-A1误差过大。而在不同的应用场合下，对于缺陷的尺寸检出要求不同，有些微小缺陷在一定的场合可认为不需要检修或者更换，通过绘制输入单对电极电容成像缺陷检测信号关于检测位置的曲线来确定非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸，不能做到给定应用场合下的精确判断。
因此，有必要提出一种误差小、精度高的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，通过对输入检测信号电压值求取关于检测位置的导数来计算非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸，以提高单对电极电容成像检测技术对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化的精度。
本发明提供了一种基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，应用于近表面提离高度下的单对电极电容成像检测技术的缺陷检测信号，包括：选择一个固定的近表面提离高度H1，利用极板间距为S的探头接收输入的单对电极电容成像缺陷检测信号，其中提离高度H1应小于探头的极板间距S，所述单对电极电容成像缺陷检测信号包含有限个连续增大的检测位置(X1<X2<……<Xn-1<Xn)处的检测电压值(U1、 U2、……、Un-1、Un)；对所述提离距离H1下的检测信号电压值计算关于检测位置Xn的导数ΔUn＝(Un+1-Un)/(Xn+1-Xn)，并绘制所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线；对所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线进行最大值点Xmax点和最小值点Xmin获取，计算最大值点Xmax点和最小值点Xmin之间的距离L＝|Xmax-Xmin|；非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸D等于所述最大值点Xmax点和最小值点Xmin之间的距离L 减去探头的极板间距S，即D＝L-S。
本发明提供的基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，是通过寻找电容值变化量最大的点来对非导电材料开口缺陷的宽度方向尺寸完成量化。由于电容成像技术测量灵敏度分布的特点，在固定提离高度H1后，在检测非导电材料开口缺陷路径上存在最大且最密集的测量灵敏度分布的点，如图3所示，在所述最大且最密集的测量灵敏度分布的点处检测电容值变化量ΔC最大，所述最大且最密集的测量灵敏度分布的点与缺陷的宽度方向尺寸存在对应关系，通过对检测曲线求导来寻找电容值变化量最大的点，完成对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸的量化。利用极板间距为S的探头接收到输入的单对电极电容成像缺陷检测信号后，获取该缺陷检测信号在所述提离高度H1下引起的探头检测电压值Un与此时的检测位置Xn；通过信号和数学处理软件，求取缺检测信号电压值关于检测位置Xn的导数ΔUn＝(Un+1-Un)/(Xn+1-Xn)，并且绘制所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线；获取检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线中的最大值点Xmax点和最小值点Xmin；计算最大值点 Xmax点和最小值点Xmin之间的距离L＝|Xmax-Xmin|；非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸为D＝L-S。本发明提供的方法采用对缺陷检测信号电压值求取关于检测位置的导数，绘制检测信号电压值导数关于检测位置的曲线，引入检测信号电压值导数曲线最大值和最小值点的方法，对非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸进行计算，降低了对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化的误差，大幅度提高了对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化的精度。
附图说明
图1为本发明背景技术提供的电容成像技术对非导电材料开口缺陷检测的检测曲线；
图2为本发明背景技术提供的现有电容成像技术量化方法的量化宽度与非导电材料开口缺陷实际宽度的对比图；
图3为本发明发明内容提供的电容成像技术测量灵敏度分布值最大处的探头与缺陷相对位置示意图；
图4为本发明实施例一提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的示意图；
图5为本发明实施例一提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的缺陷检测信号转换示意图；
图6为本发明实施例二提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的仿真用含开口缺陷的非导电材料试样模型；
图7为本发明实施例二提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的仿真缺陷检测电容值导数曲线；
图8为本发明实施例二提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的仿真最大值点、最小值点随提离高度的变化示意图；
图9为本发明实施例二提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的实验用含开口缺陷的非导电材料试样。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下获取的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，所述方法应用于基于固定近表面提离高度下单对电极电容成像检测技术的缺陷检测信号，所述单对电极电容成像检测技术在对缺陷进行检测时可以产生用于判别缺陷的检测信号包含有限个连续增大的检测位置(X1<X2<……<Xn-1<Xn)处探头产生的检测信号电压值(U1、 U2、……、Un-1、Un)。本实施例提供的方法应用于基于固定近表面提离高度下单对电极电容成像检测技术的缺陷检测信号中。根据单对电极电容成像测量灵敏度分布原理，电容成像探头产生测量灵敏度分布值最大且最密集的点与非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸存在对应关系，同时由于电容成像测量灵敏度分布的特点，所述最大且最密集的测量灵敏度分布的点处检测电容值变化量ΔC最大，因此，通过对检测曲线求导来寻找电容值变化量最大的点，完成对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸的量化。
实施例一
图4为本发明实施例提供的基于单对电极电容成像检测技术提离效应的缺陷判别方法的示意图，如图所示，包括：
S101，选择一个固定的近表面提离高度H1，利用极板间距为S的探头接收输入的单对电极电容成像缺陷检测信号，其中所述单对电极电容成像缺陷检测信号包含有限个连续增大的检测位置(X1<X2<……<Xn-1<Xn)处的检测电压值(U1、U2、……、Un-1、Un)。
具体的，信号和数学处理软件接收输入的缺陷检测信号，如图5的缺陷检测信号转换图所示，其中探头输出的缺陷检测信号包含固定近表面提离高度H1下检测位置为Xn处的单对电极电容成像检测探头输出的连续电荷信号，将缺陷检测信号传入电荷放大器，所述的连续电荷信号转换为检测位置为Xn处的单对电极电容成像检测探头输出的交流电压信号。进一步将获取的缺陷检测信号传入锁相放大器进行锁相处理，所述的交流电压信号转换为检测位置Xn处的单对电极电容成像检测探头输出的直流电压信号，获取的直流电压信号由于外界环境或探头抖动会引起波动，但一般较小，位于某一数值附近，可以通过对直流电压信号取均方根获取缺陷检测信号电压值Un以减小外界环境干扰。
S102，对所述提离距离H1下的检测信号电压值Un计算关于检测位置 Xn的导数ΔUn＝(Un+1-Un)/(Xn+1-Xn)，并绘制所述检测信号电压值导数Δ Un关于检测位置Xn的曲线。
具体的，信号或数学处理软件接收到检测探头输入的缺陷检测信号电压值Un之后，调用预先编制好的计算处理程序对其先进行关于检测位置Xn的数据去躁和平滑处理以便于后续数据处理，再对去躁和平滑处理后的数据进行关于检测位置Xn的导数ΔUn＝(Un+1-Un)/(Xn+1-Xn)求取。为了直观、方便的寻找电容值变化量最大的点，引入检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线中的最大值点Xmax点和最小值点Xmin。
S103，绘制所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线； S104，对所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线进行最大值点Xmax点和最小值点Xmin获取，计算最大值点Xmax点和最小值点Xmin之间的距离L＝|Xmax-Xmin|；S105，非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸D等于所述最大值点Xmax点和最小值点Xmin之间的距离L减去探头的极板间距S，即D＝L-S。
优选的，对所述单对电极电容成像缺陷检测信号电压值求关于检测位置的导数，其特征值在于，对所述单对电极电容成像缺陷检测信号电压值求导数包括借助labview软件控件获取缺陷检测信号电压值和matlab软件编程对缺陷检测信号求导数；绘制所述检测信号电压值导数关于检测位置的曲线，并获取最大值点和最小值点。
本发明提供的基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，是通过寻找电容值变化量最大的点来对非导电材料开口缺陷的宽度方向尺寸完成量化。由于电容成像技术测量灵敏度分布的特点，在固定提离高度H1后，在检测非导电材料开口缺陷路径上存在最大且最密集的测量灵敏度分布的点，如图3所示，在所述最大且最密集的测量灵敏度分布的点处检测电容值变化量ΔC最大，所述最大且最密集的测量灵敏度分布的点与缺陷的宽度方向尺寸存在对应关系，通过对检测曲线求导来寻找电容值变化量最大的点，完成对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸的量化。利用极板间距为S的探头接收到输入的单对电极电容成像缺陷检测信号后，获取该缺陷检测信号在所述提离高度H1下引起的探头检测电压值Un与此时的检测位置Xn；通过信号和数学处理软件，求取缺检测信号电压值关于检测位置Xn的导数ΔUn＝(Un+1-Un)/(Xn+1-Xn)，并且绘制所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线；获取检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线中的最大值点Xmax点和最小值点Xmin；计算最大值点 Xmax点和最小值点Xmin之间的距离L＝|Xmax-Xmin|；非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸为D＝L-S。本发明提供的方法采用对缺陷检测信号电压值求取关于检测位置的导数，绘制检测信号电压值导数关于检测位置的曲线，引入检测信号电压值导数曲线最大值和最小值点的方法，对非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸进行计算，降低了对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化的误差，大幅度提高了对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化的精度。
实施例二
基于实施例一提供的基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，本实施例给出了提离距离和极板间距为具体数值的仿真和实验实施方法，以验证该方法的有效性。
所述接收检测探头输入的至少包括整个非导电材料开口缺陷在内的检测位置处的单对电极电容成像缺陷检测信号电压值。所述n次提离(H1、H2、……、Hn)，n＝10(H1＝0.1mm、H2＝0.2mm、H3＝0.4mm、H4＝0.6mm、 H5＝0.8mm、H6＝1mm、H7＝1.2mm、H8＝2mm、H9＝3mm、H10＝4mm)，S＝3mm，结果如图6、图7、图8、图9和表1所示。图6为仿真中所用含开口缺陷的非导电材料试块模型，图7为提离高度为H1时的仿真缺陷检测信号电容值导数曲线，图8为本发明实施例提供的基于单对电极电容成像检测技术提离效应的的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的仿真结果缺陷检测信号电压值导数曲线；图8为本发明提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的仿真最大值点、最小值点随n 次提离的变化示意图；图9为本发明提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的实验用含开口缺陷的非导电材料试样；表1为本发明提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法的实验结果，根据图7、图8和表1，可以认为本发明提供的基于单对电极电容成像检测技术非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法可以完成对非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸进行量化，误差小于10％。
表1 7次提离下的实验结果
Figure BDA0001892481000000071
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，应用于近表面提离高度下的单对电极电容成像检测技术的缺陷检测信号，其特征在于，包括：
选择一个固定的近表面提离高度H1，利用极板间距为S的探头接收输入的单对电极电容成像缺陷检测信号，其中提离高度H1应小于探头的极板间距S，所述单对电极电容成像缺陷检测信号包含有限个连续增大的检测位置(X1<X2<……<Xn-1<Xn)处的检测电压值(U1、U2、……、Un-1、Un)；
对所述提离距离H1下的检测信号电压值Un计算关于检测位置Xn的导数ΔUn＝(Un+1-Un)/(Xn+1-Xn)，并绘制所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线；
对所述检测信号电压值导数ΔUn关于检测位置Xn的曲线进行最大值点Xmax点和最小值点Xmin获取，计算最大值点Xmax点和最小值点Xmin之间的距离L＝|Xmax-Xmin|；
非导电材料开口缺陷宽度方向的尺寸D等于所述最大值点Xmax点和最小值点Xmin之间的距离L减去探头的极板间距S，即D＝L-S。
2.根据权利要求1所述的一种基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，其特征在于，所述接收输入的单对电极电容成像缺陷检测信号之前，包括：
所选探头检测位置区域内存在非导电材料开口缺陷；
探头位于上述近表面提离高度H1下可以完成对非导电材料开口缺陷的检出。
3.根据权利要求1所述的一种基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，其特征在于，所述接收输入的单对电极电容成像缺陷检测信号，包括：
接收检测探头输入的至少包括整个非导电材料开口缺陷在内的检测位置处的单对电极电容成像缺陷检测信号电压值。
4.根据权利要求1所述的一种基于单对电极电容成像检测技术的非导电材料开口缺陷宽度方向尺寸量化方法，其特征在于，对所述单对电极电容成像缺陷检测信号电压值求关于检测位置的导数，包括：
对所述单对电极电容成像缺陷检测信号电压值求导数包括借助labview软件控件获取缺陷检测信号电压值和matlab软件编程对缺陷检测信号求导数；
绘制所述检测信号电压值导数关于检测位置的曲线，并获取最大值点和最小值点。
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