CN114660134B - 基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非金属材料无损检测技术领域，尤其涉及一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法。一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法，用以实现对非金属材料的在役无损老化检测与评估。一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法，该基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置中包括有嵌入式系统以及检测探头；其中，嵌入式系统中进一步包括有微控制器、电容数字转换器、温度传感器；检测探头中进一步包括有U形压座、弹簧、矩形滑块、叉指电容传感器。

Description

基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法

技术领域

本发明属于非金属材料无损检测技术领域，尤其涉及一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法。

背景技术

近年来，为了克服金属管材在使用中暴露出越来越多的缺陷，诸如抗腐蚀性能差、使用寿命短、施工缓慢、运行中后期维护成本高等问题，各种新型高性能复合材料不断涌现并应用于工程实际。例如作为复合非金属材料的典型，玻璃钢即具有耐腐蚀、使用寿命长、比强度高、可设计性好等诸多优势而被广泛用于制造各种储罐及管道。然而，随着服役时间的增长，复合非金属材料所制备的储罐及管道因其暴露在紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用下也会出现老化现象，导致总体使用性能下降，存在潜在的安全隐患。我国石油行业已运营数十年，有大批的老旧装备将进入生命末期，还有部分装备已超龄服役，对其进行老化状态评估是十分必要的。

目前，国家标准推荐使用与实际应用有关的物理性能判定材料的老化程度，除目视检查外，性能保留率为材料老化的常用评估指标：如测试力学性能，包括拉伸、压缩、弯曲、层间剪切强度、硬度、断裂伸长率等；利用固体电工绝缘材料的测试方法与技术测试电性能，包括表面电阻（率）、体积电阻（率）、介质损耗因数、耐电痕等；利用高分子材料测试的热分析技术测试热失重、固化温度、膨胀系数、玻璃化转变温度等。然而，上述评估方法大多为破坏性检测，且需要实验室条件，使用昂贵的大型仪器设备进行分析，这都带来现场实用性差等方面的问题，无法进行复合非金属材料储罐及管道的在役老化检测与评估。

因此，亟待本领域技术人员提供一种不需要破坏被测结构，低成本、小型化、现场实用性更强的非金属材料在役老化检测装置与方法。

发明内容

本发明提供了一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法，用以实现对非金属材料的在役无损老化检测与评估。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置，包括有嵌入式系统以及检测探头；

嵌入式系统中包括有微控制器，以及分别与微控制器通信互联的电容数字转换器、温度传感器；

检测探头中包括有U形压座、弹簧、矩形滑块以及叉指电容传感器；其中，U形压座与矩形滑块通过弹簧弹性接连，矩形滑块背离弹簧的一侧设置有矩形凹槽，所述矩形凹槽用于安装叉指电容传感器；

叉指电容传感器由印刷电路板以及设置在印刷电路板上的激励电极、输出电极共同构成；其中，激励电极与嵌入式系统中微控制器的方波激励端口通讯接连，输出电极与嵌入式系统中电容数字转换器的输入端通讯接连。

较为优选的，嵌入式系统中还包括有系统电源、显示屏、用户输入模块、蓝牙模块以及外部存储器。

较为优选的，U形压座的支腿内侧面上开有滑槽，滑槽用于矩形滑块的滑动使用；U形压座的侧面设置有摩擦纹；U形压座背离弹簧的顶面上有四个三角形定位标记。

较为优选的，矩形凹槽内还设置有菱形槽，U形压座上还设置有走线通道；所述菱形槽、所述走线通道用于激励电极、输出电极的信号线走线使用。

较为优选的，U形压座上还开设有输入端口和输出端口，输入端口、输出端口处均安装有SMA接头。

另一方面，本发明提供了一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测方法，基于上述结构的基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置，包括有如下步骤：

S101：将检测探头悬空，记录悬空电容值C_{air_0}；

同一时间，将检测探头按压在待测物体表面的测试区域，记录外部输入电容值C₀；

S102：当待测物体到达第i个老化周期时，记录第i个老化周期的悬空电容值C_{air_i}；

S103：记录第i个老化周期的悬空电容值C_{air_i}的同时，将检测探头按压在待测物体表面的测试区域，记录第i个老化周期的外部输入电容值C_i；

S104：对第i个老化周期的外部输入电容值C_i进行校准，得到第i个老化周期的校准电容值

；其中，校准式为：

；

对比第i个老化周期的校准电容值

与未老化的外部输入电容值C₀之间的变化，判断待测物体材料的老化程度。

本发明提供了一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法，该基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置中包括有嵌入式系统以及检测探头；其中，嵌入式系统中进一步包括有微控制器、电容数字转换器、温度传感器；检测探头中进一步包括有U形压座、弹簧、矩形滑块、叉指电容传感器。具有上述结构特征的基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法，相比于现有技术而言，至少具有如下有益效果：

（1）、实现了非金属材料老化的在役老化检测与评估，而无需破坏待检结构进行取样。

（2）、实施成本低，整体设备实现小型化，可用低电压可充电电池进行供电，方便携带与现场应用。

（3）、检测准确性高，检测探头使用弹簧与特殊结构保证每次叉指电极与被测结构表面压紧程度一致，且可通过更换弹簧调节压紧程度，避免因探头与被测材料表面间隙随压力不同对测量电容值造成的影响。

附图说明

该附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提供的基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置中检测探头的结构示意图；

图2为图1检测探头的剖视图；

图3为图1检测探头顶面的示意图；

图4为叉指电容传感器所在的印刷电路板结构示意图；

图5为本发明提供的基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测方法的流程示意图；

图6为实施例一所测得电容变化率曲线图；

图7为实施例一所测得质量变化率曲线图；

图8为实施例二所测得两探头电容随老化深度变化曲线图。

附图标记：1-U形压座；2-弹簧；3-矩形滑块；101-滑槽；102-摩擦纹；103-输入端口；104-输出端口；105-走线通道；106-定位标记；301-矩形凹槽；302-菱形槽；4-印刷电路板；5-激励电极；6-输出电极。

具体实施方式

本发明提供了一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法，用以实现对非金属材料的在役无损老化检测与评估。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置，包括有嵌入式系统以及检测探头；

其中，嵌入式系统中进一步包括有微控制器，分别与微控制器通信互联的电容数字转换器、温度传感器；以及，优选设置的系统电源、显示屏、用户输入模块、蓝牙模块以及外部存储器。

值得注意的是，上述系统电源选择使用3.3V的直流供电，而电容数字转换器用于采集检测探头所收集的电容数据，而后与温度传感器所读取的环境温度进行关联。显示屏和用户输入模块则用于实现人机交互，并实时显示传感器数据、环境温度等数据信息。外部存储器用于存储数据，并借由蓝牙模块无线传输至PC端，进行数据的进一步加工后续处理。

而如图1、图2所示，检测探头中包括有U形压座、弹簧、矩形滑块以及叉指电容传感器；其中，U形压座与矩形滑块通过弹簧弹性接连。值得注意的是，作为本发明的一种较为优选的实施方式，如图1所示，U形压座的支腿内侧面上优选开有滑槽，该滑槽用于矩形滑块的滑动使用。在U形压座的侧面还设置有摩擦纹，该摩擦纹用于增加手持时的摩擦力。此外，如图3所示，U形压座背离弹簧的顶面上有四个三角形定位标记，该标记用于提供检测时所需的定位信息。

矩形滑块背离弹簧的一侧设置有矩形凹槽，矩形凹槽用于安装叉指电容传感器。如图4所示，该叉指电容传感器由印刷电路板以及设置在印刷电路板上的激励电极、输出电极共同构成。其中，激励电极与嵌入式系统中微控制器的方波激励端口通讯接连，输出电极与嵌入式系统中电容数字转换器的输入端通讯接连。

进一步优选的，如图1所示，矩形凹槽内还设置有菱形槽，U形压座上还设置有走线通道。该菱形槽、所述走线通道用于激励电极、输出电极的信号线走线使用。除此之外，如图1所示，在U形压座上还开设有输入端口和输出端口，输入端口、输出端口处均安装有SMA接头。利用该SMA接头，从而将激励电极的信号线与微控制器的方波激励端口、输出电极的信号线与电容数字转换器的输入端分别串接起来。

另一方面，本发明还提供了一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测方法，具体的，如图5所示，该检测方法包括有如下步骤：

S101：将检测探头悬空，记录悬空电容值C_{air_0}；同一时间，将检测探头按压在待测物体表面的测试区域，记录外部输入电容值C₀；

S102：当待测物体到达第i个老化周期时，记录第i个老化周期的悬空电容值C_{air_i}；

S103：记录第i个老化周期的悬空电容值C_{air_i}的同时，将检测探头按压在待测物体表面的测试区域，记录第i个老化周期的外部输入电容值C_i；

S104：对第i个老化周期的外部输入电容值C_i进行校准，得到第i个老化周期的校准电容值

；其中，校准式为：

；对比第i个老化周期的校准电容值

与未老化的外部输入电容值C₀之间的变化，判断待测物体材料的老化程度。

值得注意的是，在利用前文公开的基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置进行老化检测的过程中，检测探头作为外部电容数据的采集单元，嵌入式系统则采用直流充放电法对其电容值进行测量。而待检测非金属材料的外部电容数据仅受待测物体的介电常数（与老化程度相关）的影响，其余因素（环境湿度、检测探头与待测物体的距离则是相同的），从而消除不同参量对检测电容值产生误差。

进一步结合具体实施例来对上述基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测方法进行解释说明。

其中，需要补充说明的，在本发明的实施例中，该基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置是可以实现对叉指电极探头的穿透深度进行评估的，并针对不同厚度的检测对象选取对应探头。具体的，取未知穿透深度L的叉指电极探头连接与检测装置，探头与介电常数为a且均匀的厚试块A接触时电容值记为C₀；将介电常数为b、厚度为wi的试块B置于试块A与探头之间，逐步增加试块B的厚度wi（模拟老化深度变化）并记录外部输入电容值为C_wi，绘制老化深度-电容曲线，通过曲线即可确定叉指电极穿透深度L。

进一步参考如下实施例，其实施例一为：

在本实施例给出了用本装置对三元乙丙橡胶空气循环热老化试验的检测结果，并与加热后质量变化率进行了对比，以验证本测量方法的有效性。

制作了长宽各为50mm,厚度3mm的10个三元乙丙橡胶试样。采用空气循环电热烘箱对试样进行热老化，设定加热温度为125℃，共老化四次，累计加热1、2、4、8小时，每次老化后均通风冷却2小时，并将检测探头压紧于试样表面，记录该装置测得的电容值；橡胶的热老化一般可以通过失重率来表述，故每次测定电容值时，同时用电子天平测量各试样的质量。分别绘制电容相对变化率曲线、质量相对变化率曲线（不同老化阶段电容或质量与未老化时测量值之比），如图6、图7所示，随着热老化，试样的质量不断减小，纵轴表示不同老化阶段试样质量相对于原始质量的变化率的绝对值。如图6、图7所示，电容相对变化率趋势与质量相对变化率趋势一致，表明本装置可通过测量待测物体电容变化评估其老化程度。

其实施例二为：

本实施例给出了本装置在叉指电极探头穿透深度测量方面的应用实例与判别方法。

制作了空间波长为20mil、30mil的叉指电极探头，在试验中将探头与介电常数为2的被测物体A表面接触，记录下电容值。随后在探头与被测物体A之间放置介电常数为4.5、厚度从0至2mm均匀变化的试块B，以模拟材料老化的逐步加深，获得各老化深度下电容值变化曲线。如图8所示，20mil、30mil探头分别在老化深度为0.78mm、1.19mm之后电容不随老化深度增加而增大，该点即对应各自探头的穿透深度。

至此，基于本发明提供了基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置，完成了基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测方法，并由上述实施例得证了本发明检测方法是可行的。

本发明提供了一种基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法，该基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置中包括有嵌入式系统以及检测探头；其中，嵌入式系统中进一步包括有微控制器、电容数字转换器、温度传感器；检测探头中进一步包括有U形压座、弹簧、矩形滑块、叉指电容传感器。具有上述结构特征的基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置与方法，相比于现有技术而言，至少具有如下有益效果：

（1）、实现了非金属材料老化的在役老化检测与评估，而无需破坏待检结构进行取样。

（2）、实施成本低，整体设备实现小型化，可用低电压可充电电池进行供电，方便携带与现场应用。

（3）、检测准确性高，检测探头使用弹簧与特殊结构保证每次叉指电极与被测结构表面压紧程度一致，且可通过更换弹簧调节压紧程度，避免因探头与被测材料表面间隙随压力不同对测量电容值造成的影响。

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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置，其特征在于，包括有嵌入式系统以及检测探头；

嵌入式系统中包括有微控制器，以及分别与微控制器通信互联的电容数字转换器、温度传感器；

检测探头中包括有U形压座、弹簧、矩形滑块以及叉指电容传感器；其中，U形压座与矩形滑块通过弹簧弹性接连，矩形滑块背离弹簧的一侧设置有矩形凹槽，所述矩形凹槽用于安装叉指电容传感器；

叉指电容传感器由印刷电路板以及设置在印刷电路板上的激励电极、输出电极共同构成；其中，激励电极与嵌入式系统中微控制器的方波激励端口通讯接连，输出电极与嵌入式系统中电容数字转换器的输入端通讯接连；

U形压座的支腿内侧面上开有滑槽，滑槽用于矩形滑块的滑动使用；U形压座的侧面设置有摩擦纹；U形压座背离弹簧的顶面上有四个三角形定位标记；

矩形凹槽内还设置有菱形槽，U形压座上还设置有走线通道；所述菱形槽、所述走线通道用于激励电极、输出电极的信号线走线使用。

2.根据权利要求1所述的基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置，其特征在于，嵌入式系统中还包括有系统电源、显示屏、用户输入模块、蓝牙模块以及外部存储器。

3.根据权利要求1所述的基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置，其特征在于，U形压座上还开设有输入端口和输出端口，输入端口、输出端口处均安装有SMA接头。

4.基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测方法，基于如权利要求1-权利要求3中任意一项所述基于叉指电容传感器的非金属材料老化检测装置，其特征在于，包括有如下步骤：

S101：将检测探头悬空，记录悬空电容值C_{air_0}；

同一时间，将检测探头按压在待测物体表面的测试区域，记录外部输入电容值C₀；

S102：当待测物体到达第i个老化周期时，记录第i个老化周期的悬空电容值C_{air_i}；

S103：记录第i个老化周期的悬空电容值C_{air_i}的同时，将检测探头按压在待测物体表面的测试区域，记录第i个老化周期的外部输入电容值C_i；

S104：对第i个老化周期的外部输入电容值C_i进行校准，得到第i个老化周期的校准电容值

；其中，校准式为：

；

对比第i个老化周期的校准电容值

与未老化的外部输入电容值C₀之间的变化，判断待测物体材料的老化程度。

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