CN117554276A - 一种非金属材料老化检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非金属材料无损检测技术领域，尤其涉及一种非金属材料老化检测装置与方法。本发明提供了一种非金属材料老化检测装置与方法，该种非金属材料老化检测装置制作成本低、设备便携性强，无线无源非接触式、非破坏性检测的特性，具有良好的市场前景以及广泛的应用价值。本发明提供了一种非金属材料老化检测装置与方法，其中，该非金属材料老化检测装置包括有：RFID应答传感器、RFID读卡器；RFID应答传感器由叉指电容传感器、RFID标签芯片以及应答天线线圈构成；RFID读卡器中包括有读卡模块线圈以及功率放大模块、包络检波模块及信号处理模块。
Description
技术领域
本发明属于非金属材料无损检测技术领域，尤其涉及一种非金属材料老化检测装置与方法。
背景技术
核能发电因其发电效率高、成本低且无空气污染等优势得到了广泛应用，其中其电力传输线缆外绝缘层通常采用三元乙丙橡胶材料制作形成。三元乙丙橡胶（EPDM）是一种饱和的高聚物，具有耐老化性能非常好、耐天候性好、电绝缘性能优良、耐化学腐蚀性好、冲击弹性较好等优点，其主要功能是尽量减少电流在传输过程中的泄露，提高传输效率，从而保护内部导体不受外界压力所破坏。值得注意的是，核电站线缆失效的主要原因之一就是外部绝缘层老化引起的。当线缆长时间暴露在恶劣环境中时，绝缘层材料的劣化可能会改变其物理和介电性能，降低其使用性能，影响电传输效率。且橡胶材料严重老化还会发生硬化以及开裂，进而暴露导体，导致电流泄露甚至发生短路引发火灾。因此，对EPDM材料的老化状态及寿命进行的评估，对核电站的安全运行、产品验收等方面具有十分重要的借鉴及指导意义。
目前，现有技术中与判定材料老化程度的物理性能指标包括有：如测试材料力学性能，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材料的电性能，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材料的热失重、固化温度、膨胀系数、玻璃化转变温度等。然而进一步研究后发现，上述评估方法大多为破坏性检测，需求实验室条件且需要使用昂贵的大型仪器设备进行分析，因此存在有现场实用性较差的问题，无法实现对复合非金属材料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、可大范围布控、可嵌入的非金属材料在役老化检测装置与方法。
发明内容
本发明提供了一种非金属材料老化检测装置与方法，该种非金属材料老化检测装置与方法用于实现对非金属材料的嵌入式在役无损老化检测与评估，制作成本低、设备便携性强，无线无源非接触式、非破坏性检测的特性，具有良好的市场前景以及广泛的应用价值。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种非金属材料老化检测装置，包括有：RFID应答传感器、RFID读卡器；
所述RFID应答传感器由叉指电容传感器、RFID标签芯片以及应答天线线圈构成；所述RFID读卡器中包括有读卡模块线圈以及功率放大模块、包络检波模块及信号处理模块；
其中，叉指电容传感器用于作为检测非金属材料老化程度的敏感元件，由激励电极、接收电极和印刷电路板构成，并选择柔性FPC基底、通过打印印刷方式制备形成；功率放大模块用于放大激励信号；包络检波模块用于对检测信号进行提包络处理；信号处理模块用于对检测信号进行去噪处理。
较为优选的，RFID标签芯片的芯片型号选用EM4305V3WS11E，内部集成有330pF谐振电容；应答天线线圈选用线径为0.05mm的圆形空心线圈。
较为优选的，所述功率放大模块由NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电容C1组成；其中，NPN型三极管Q1的发射极与电阻R1的一端、电容C1的一端、+5V直流电压相连接，NPN型三极管Q1的基极与PNP型三极管Q2的基极、电阻R2的一端相连接，NPN型三极管Q1的集电极、PNP型三极管Q2的集电极与读卡模块线圈的ANT1端口相连接，PNP型三极管Q2的发射极接地。
较为优选的，所述包络检波模块由电阻R3、电阻R4、电容C3、二极管D1组成；其中，二极管D1选用的芯片型号为1N4448；电阻R3的一端与读卡模块线圈的ANT2端口连接，电阻R3的另一端与二极管D1的正极端连接；电阻R4的一端、电容C3的一端与二极管D1的负极端连接，电阻R4的另一端、电容C3的另一端均接地。
较为优选的，所述信号处理模块由运算放大器芯片LM7332、电阻R5，电容C4、电容C5组成；其中，运算放大器芯片LM7332的+INA引脚与电容C5的一端连接，运算放大器芯片LM7332的-INA引脚与运算放大器芯片LM7332的OUTA引脚连接，运算放大器芯片LM7332的V+引脚与+5V直流电压连接，运算放大器芯片LM7332的V-引脚与-5V直流电压连接，电阻R5的一端与电容C4的一端、电容C5的另一端连接，电阻R5的另一端接地。
较为优选的，RFID读卡器的输入端、输出端分别设置有SMA同轴连接器接口U1、U2；其中，SMA同轴连接器接口U1的EP1口与功率放大模块中电阻R1的另一端、R2的另一端相连接，SMA同轴连接器U2的EP1口与信号处理模块中运算放大器芯片LM7332的引脚-INA、OUTA相连接；SMA同轴连接器接口U1、U2的EP2、3、4、5口均接地。
另一方面，本发明还提供了一种非金属材料老化检测方法，包括有如下步骤：
S101：固定RFID应答传感器中的应答天线线圈、RFID读卡器中的读卡模块线圈，令应答天线线圈与读卡模块线圈之间的距离恒定；
S102：令RFID应答传感器中叉指电容传感器贴紧参照试块，记录检测信号峰的峰值;
S103：对参照试块进行加速老化处理，记录第个老化周期/>时的检测信号峰的峰值/>;
S104：以老化周期作为坐标x轴，以检测信号峰的峰值/>作为坐标y轴，绘制点线图，得到用以反映检测信号峰的峰值/>与老化周期/>之间关系的参照图；
其中，相邻检测信号峰的峰值两点间的区间为一个老化区间；
S105：对待测物体进行检测，得到未知老化周期的检测信号峰的峰值；将未知老化周期的检测信号峰的峰值/>与S104所得的参照图进行比对，确定未知老化周期的检测信号峰的峰值/>所处的老化周期，从而确定待测物体的老化程度。
本发明提供了一种非金属材料老化检测装置与方法，其中，该非金属材料老化检测装置包括有：RFID应答传感器、RFID读卡器；RFID应答传感器由叉指电容传感器、RFID标签芯片以及应答天线线圈构成；RFID读卡器中包括有读卡模块线圈以及功率放大模块、包络检波模块及信号处理模块。具有上述特征的一种非金属材料老化检测装置与方法，其相比于现有技术而言，至少具有如下有益效果：
（1）、可以实现对非金属材料的原位在役老化监测与评估，且无需破坏待检结构进行取样。
（2）、制作成本低，设备便携性强，实现了无线无源非接触式测量，为监测多层非金属结构老化提供了可能。
（3）、RFID应答传感器体积小巧且无需电池，可实现大范围布控监测。
（4）、通过为每个RFID应答传感器配置唯一的ID号，方便人为管理与区域老化信息统计。
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。在下述附图中：
图1为本发明提供的一种非金属材料老化检测装置结构示意图；
图2为RFID应答传感器的结构示意图；
图3为叉指电容传感器的结构示意图；
图4a为RFID读卡器中功率放大模块与包络检波模块的电器示意图;
图4b为RFID读卡器中信号处理模块的电器示意图;
图5为本发明提供的一种非金属材料老化检测方法的流程示意图；
图6为具体实施例所测得电压峰值变化曲线图；
图7为具体实施例所测得质量变化曲线图。
附图标记：1-叉指电容传感器；2-RFID标签芯片；3-应答天线线圈；101-印刷电路板；102-激励电极；103-接收电极。
具体实施方式
本发明提供了一种非金属材料老化检测装置与方法，该种非金属材料老化检测装置与方法用于实现对非金属材料的嵌入式在役无损老化检测与评估，制作成本低、设备便携性强，无线无源非接触式、非破坏性检测的特性，具有良好的市场前景以及广泛的应用价值。
如图1所示，本发明提供了一种非金属材料老化检测装置，具体的，包括有：RFID应答传感器、RFID读卡器。其中，RFID应答传感器进一步由叉指电容传感器、RFID标签芯片以及应答天线线圈构成。值得注意的是，RFID标签芯片的芯片型号优选选用EM4305V3WS11E，其内部集成有330pF谐振电容，应答器天线线圈为线径0.05mm的圆形空心线圈；将其与叉指电容传感器并联成型后，整体结构可参考如图2所示，最终制作成可进行非金属材料老化检测的RFID传感应答器。
叉指电容传感器作为敏感元件，其具体用于获取非金属材料老化程度信息的数据信号。作为本发明的一种较为优选的实施方式，如图3所示，该叉指电容传感器具体由激励电极、接收电极和印刷电路板构成，并优选选择柔性FPC基底、采用打印印刷方式制备形成。在使用时，既可敷于待测物体的外表面，又可以选择嵌入待测物体的内部实现老化检测目的。
而RFID读卡器中包括有读卡模块线圈以及功率放大模块、包络检波模块及信号处理模块。具体的，功率放大模块用于放大激励信号；包络检波模块用于对检测信号进行提包络处理；信号处理模块用于对检测信号进行去噪处理。
其中，作为本发明的一种较为优选的实施方式，如图4a所示，功率放大模块由NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电容C1组成；其中，NPN型三极管Q1的发射极与电阻R1的一端、电容C1的一端、+5V直流电压相连接，NPN型三极管Q1的基极与PNP型三极管Q2的基极、电阻R2的一端相连接，NPN型三极管Q1的集电极、PNP型三极管Q2的集电极与读卡模块线圈的ANT1端口相连接，PNP型三极管Q2的发射极接地。
以及，如图4a所示，包络检波模块由电阻R3、电阻R4、电容C3、二极管D1组成；其中，二极管D1选用的芯片型号为1N4448；电阻R3的一端与读卡模块线圈的ANT2端口连接，电阻R3的另一端与二极管D1的正极端连接；电阻R4的一端、电容C3的一端与二极管D1的负极端连接，电阻R4的另一端、电容C3的另一端均接地。
而如图4b所示，信号处理模块由运算放大器芯片LM7332、电阻R5，电容C4、电容C5组成；其中，运算放大器芯片LM7332的+INA引脚与电容C5的一端连接，运算放大器芯片LM7332的-INA引脚与运算放大器芯片LM7332的OUTA引脚连接，运算放大器芯片LM7332的V+引脚与+5V直流电压连接，运算放大器芯片LM7332的V-引脚与-5V直流电压连接，电阻R5的一端与电容C4的一端、电容C5的另一端连接，电阻R5的另一端接地。
此外，RFID读卡器的输入端、输出端分别设置有SMA同轴连接器接口U1、U2；其中，SMA同轴连接器接口U1的EP1口与功率放大模块中电阻R1的另一端、R2的另一端相连接，SMA同轴连接器U2的EP1口与信号处理模块中运算放大器芯片LM7332的引脚-INA、OUTA相连接；SMA同轴连接器接口U1、U2的EP2、3、4、5口均接地。
值得注意的是，在本发明中为RFID读卡器优选配置的激励信号幅值为3.3V，频率为125kHz的方波。该激励信号经由功率放大模块的放大，从而令该激励信号具备向RFID应答传感器提供能量的能力。
另一方面，本发明还提供了一种非金属材料老化检测方法，如图5所示，包括有如下步骤：
S101：固定RFID应答传感器中的应答天线线圈、RFID读卡器中的读卡模块线圈，令应答天线线圈与读卡模块线圈之间的距离恒定；
S102：令RFID应答传感器中叉指电容传感器贴紧参照试块，记录检测信号峰的峰值;
S103：对参照试块进行加速老化处理，记录第个老化周期/>时的检测信号峰的峰值/>;
S104：以老化周期作为坐标x轴，以检测信号峰的峰值/>作为坐标y轴，绘制点线图，得到用以反映检测信号峰的峰值/>与老化周期/>之间关系的参照图；
其中，相邻检测信号峰的峰值两点间的区间为一个老化区间；
S105：对待测物体进行检测，得到未知老化周期的检测信号峰的峰值；将未知老化周期的检测信号峰的峰值/>与S104所得的参照图进行比对，确定未知老化周期的检测信号峰的峰值/>所处的老化周期，从而确定待测物体的老化程度。
需要说明的是，在进行非金属材料老化检测的过程中，叉指电容传感器具体用作为敏感元件，RFID应答传感器具体用作为传感通信单元，RFID读卡器具体用作为接收与处理信号的单元。而待检测的非金属材料其电容值仅受待测物体的介电常数（与老化程度相关）影响，其余因素（包括但不限于环境温湿度、探头与待测物体的距离、RFID读卡器读卡模块线圈与RFID应答传感器应答天线线圈距离是相同的），因此也就消除不同参量对检测信号产生的影响。
为进一步方便本领域技术人员的理解，结合具体实例来对上述非金属材料老化检测方法作如下解释说明。
值得注意的是，该非金属材料老化检测方法依托的是电容检测原理及线圈电感耦合的原理，通过RFID应答传感器中的叉指电容传感器与非金属材料紧密贴合，使得非金属材料老化产生的电容值变化经叉指电容传感器，于RFID标签芯片显示出来（以阻抗变化的形式）。而后，阻抗变化会反映到RFID读卡器信号变化之中，基于此通过判断RFID读卡器输出信号的变化来判断材料的老化程度。
具体给出一种基于非金属材料老化检测装置对三元乙丙橡胶空气循环热进行老化试验的检测过程，将其与加速老化后橡胶质量变化率进行对比，以验证本发明提供的方法的有效性。
制作了长宽各为20mm，厚度为2mm的15个三元乙丙橡胶空气循环电热烘箱对试样进行热老化，设定加热温度为140℃，共老化4次，累计加热1、2、4、12、24小时，每次老化后均通风冷却2小时，并将叉指电容传感器紧贴于试样表面，记录RFID读卡器检测信号峰的峰值；橡胶的热老化程度一般可以通过热失重来表示，故对每组老化试块进行重量测量。分别绘制检测信号峰的峰值变化曲线与质量变化曲线，如图6、图7所示，检测信号峰的峰值变化趋势与质量变化趋势一致，表明本发明提供的非金属材料老化检测装置确实可以通过信号变化来评估材料老化程度。
本发明提供了一种非金属材料老化检测装置与方法，其中，该非金属材料老化检测装置包括有：RFID应答传感器、RFID读卡器；RFID应答传感器由叉指电容传感器、RFID标签芯片以及应答天线线圈构成；RFID读卡器中包括有读卡模块线圈以及功率放大模块、包络检波模块及信号处理模块。具有上述特征的一种非金属材料老化检测装置与方法，其相比于现有技术而言，至少具有如下有益效果：
（1）、可以实现对非金属材料的原位在役老化监测与评估，且无需破坏待检结构进行取样。
（2）、制作成本低，设备便携性强，实现了无线无源非接触式测量，为监测多层非金属结构老化提供了可能。
（3）、RFID应答传感器体积小巧且无需电池，可实现大范围布控监测。
（4）、通过为每个RFID应答传感器配置唯一的ID号，方便人为管理与区域老化信息统计。
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 (7)
1.一种非金属材料老化检测装置，其特征在于，包括有：RFID应答传感器、RFID读卡器；
所述RFID应答传感器由叉指电容传感器、RFID标签芯片以及应答天线线圈构成；所述RFID读卡器中包括有读卡模块线圈以及功率放大模块、包络检波模块及信号处理模块；
其中，叉指电容传感器用于作为检测非金属材料老化程度的敏感元件，由激励电极、接收电极和印刷电路板构成，并选择柔性FPC基底、通过打印印刷方式制备形成；功率放大模块用于放大激励信号；包络检波模块用于对检测信号进行提包络处理；信号处理模块用于对检测信号进行去噪处理。
2.根据权利要求1所述的一种非金属材料老化检测装置，其特征在于，RFID标签芯片的芯片型号选用EM4305V3WS11E，内部集成有330pF谐振电容；应答天线线圈选用线径为0.05mm的圆形空心线圈。
3.根据权利要求1所述的一种非金属材料老化检测装置，其特征在于，所述功率放大模块由NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电容C1组成；其中，NPN型三极管Q1的发射极与电阻R1的一端、电容C1的一端、+5V直流电压相连接，NPN型三极管Q1的基极与PNP型三极管Q2的基极、电阻R2的一端相连接，NPN型三极管Q1的集电极、PNP型三极管Q2的集电极与读卡模块线圈的ANT1端口相连接，PNP型三极管Q2的发射极接地。
4.根据权利要求1所述的一种非金属材料老化检测装置，其特征在于，所述包络检波模块由电阻R3、电阻R4、电容C3、二极管D1组成；其中，二极管D1选用的芯片型号为1N4448；电阻R3的一端与读卡模块线圈的ANT2端口连接，电阻R3的另一端与二极管D1的正极端连接；电阻R4的一端、电容C3的一端与二极管D1的负极端连接，电阻R4的另一端、电容C3的另一端均接地。
5.根据权利要求1所述的一种非金属材料老化检测装置，其特征在于，所述信号处理模块由运算放大器芯片LM7332、电阻R5，电容C4、电容C5组成；其中，运算放大器芯片LM7332的+INA引脚与电容C5的一端连接，运算放大器芯片LM7332的-INA引脚与运算放大器芯片LM7332的OUTA引脚连接，运算放大器芯片LM7332的V+引脚与+5V直流电压连接，运算放大器芯片LM7332的V-引脚与-5V直流电压连接，电阻R5的一端与电容C4的一端、电容C5的另一端连接，电阻R5的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的一种非金属材料老化检测装置，其特征在于，RFID读卡器的输入端、输出端分别设置有SMA同轴连接器接口U1、U2；其中，SMA同轴连接器接口U1的EP1口与功率放大模块中电阻R1的另一端、R2的另一端相连接，SMA同轴连接器U2的EP1口与信号处理模块中运算放大器芯片LM7332的引脚-INA、OUTA相连接；SMA同轴连接器接口U1、U2的EP2、3、4、5口均接地。
7.一种非金属材料老化检测方法，其特征在于，包括有如下步骤：
S101：固定RFID应答传感器中的应答天线线圈、RFID读卡器中的读卡模块线圈，令应答天线线圈与读卡模块线圈之间的距离恒定；
S102：令RFID应答传感器中叉指电容传感器贴紧参照试块，记录检测信号峰的峰值;
S103：对参照试块进行加速老化处理，记录第个老化周期/>时的检测信号峰的峰值;
S104：以老化周期作为坐标x轴，以检测信号峰的峰值/>作为坐标y轴，绘制点线图，得到用以反映检测信号峰的峰值/>与老化周期/>之间关系的参照图；
其中，相邻检测信号峰的峰值两点间的区间为一个老化区间；
S105：对待测物体进行检测，得到未知老化周期的检测信号峰的峰值；将未知老化周期的检测信号峰的峰值/>与S104所得的参照图进行比对，确定未知老化周期的检测信号峰的峰值/>所处的老化周期，从而确定待测物体的老化程度。
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