CN214122085U

CN214122085U - 一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置

Info

Publication number: CN214122085U
Application number: CN202022654929.XU
Authority: CN
Inventors: 苏鉴博; 马敏; 山雨泽; 彭浩鸿; 龚子澳; 吴茜; 白梦雨
Original assignee: Civil Aviation University of China
Current assignee: Civil Aviation University of China
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2030-11-17

Abstract

本实用新型公开了一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置，包括FPGA开发板、16平面阵列电极传感器C_x、ECT电容采集与处理单元、PC机，FPGA开发板经DAC接口与ECT电容采集与处理单元连接，ECT电容采集与处理单元通过激励测量切换开关与16平面阵列电极传感器C_x连接，FPGA开发板通过PicoBLaze对激励测量切换开关发出指令。本实用新型有益效果：电容层析成像技术基于电容边缘效应，在不损伤材料的基础上可以快速、准确的探测出缺陷的位置，提高了电容分辨率，降低漂移，提高了信噪比。

Description

一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置

技术领域

本实用新型属于电容层析成像技术领域，特别是涉及一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置。

背景技术

复合材料因其优点众多被广泛的应用到航空航天与军工领域，但是由于各种因素使得复合材料在生产、使用过程中产生老化、裂缝、分层等缺陷，这些缺陷可能造成复合材料丧失原有的性能。性能失效后的材料可能对飞行器的飞行安全和设备正常运行造成影响。因此对复合材料缺陷检测显得尤为重要。

目前，常用的复合材料无损检测技术有：渗透法、射线法、超声法、声发射法、计算机层析照相法等。这些方法具有各自的优点，但是也有局限性：有的污染环境；有的对人体有害；有的信噪比低、不易分辨；有的设备安装复杂、成本高、效率低；有的对检测条件有严格要求、受环境限制。

电容层析成像(ECT)是近年来快速发展的一种无损检测技术。它具有灵敏度高、设计灵活、非侵入性、响应迅速等优点，该装置可为复合材料缺陷检测提供一种新的途径。

发明内容

针对现有技术中的不足，本实用新型的目的是提供一种基于电容成像技术能够解决信噪比低、不易分辨等缺点的复合材料缺陷检测装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置，包括：FPGA开发板、16平面阵列电极传感器C_x、 ECT电容采集与处理单元、PC机，所述ECT电容采集与处理单元包括DAC模块、滤波放大电路、激励电源选择开关、激励测量切换开关、激励电路选择开关、C/V转换和交流放大滤波电路、PGA模块、ADC模块，所述FPGA开发板通过DAC接口依次连接DAC模块、滤波放大电路、激励电源选择开关，所述激励电源选择开关与激励电路选择开关相互连接；所述激励电路选择开关依次连接C/V转换和交流放大滤波电路、PGA模块、ADC模块、FPGA开发板 ADC接口，所述激励电源选择开关、激励电路选择开关分别连接激励测量切换开关，所述激励测量切换开关与16平面阵列电极传感器C_x互相连接；FPGA 开发板通过PicoBLaze对激励测量切换开关发出指令；所述FPGA开发板的相敏解调通过接口芯片连接PC机。

所述接口芯片型号为CY7C68013A，采用USB2.0电源。

所述FPGA开发板型号为XC6SLX9-2FTG256C。

所述FPGA开发板预留2个40针扩展口且都是独立的IO口；FPGA开发板通过J2拓展口直接与DA模块连接，用于输出模拟正弦激励；DA模块通过屏蔽线与16平面阵列电极传感器的SMA接口连接，传感器再通过屏蔽线与C/V转换电路的SMA接口连接，再连接到解调及滤波、差动放大集成电路后与连接在FPGA开发板J3口上的AD模块连接，最后FPGA通过USB线将数据发送到PC机。

本实用新型的效果是：电容层析成像技术基于电容边缘效应，在不损伤材料的基础上可以快速、准确的探测出缺陷的位置，该装置可为复合材料缺陷检测提供一种新的途径。

附图说明

图1是本实用新型基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置示意图；

图2是静态电容值直流补偿方式的工作原理示意图；

图3是根据电容边缘效应检测传感器正面的物体和材料并探测它们的疲劳损伤程度示意图；

图4是本实用新型的16平面阵列电极传感器平面示意图；

图5是本实用新型的16平面阵列电极传感器任意两平面极板间电容值示意图；

图6为数字相敏解调模块结构示意图；

图7为ADC的采样时序；

图8位电容成像系统基本单元示意图。

具体实施方式

结合附图及实施例对本实用新型加以说明

一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置，包括：FPGA开发板、 16平面阵列电极传感器C_x、ECT电容采集与处理单元、PC机，该装置所使用的FPGA开发板型号为XC6SLX9-2FTG256C，属于Xilinx公司Spartan-6 的产品。开发板预留2个40针扩展口J2,J3，这些IO口都是独立的IO口，没有跟其他设备复用。采用Xilinx赛灵思公司提供的DDS IP核在开发板上实现频率、幅度可调的正弦波发生器并通过J2拓展口直接与AN9767双通道 DA模块直插连接，用于输出模拟正弦激励信号；接着DA模块通过BNC屏蔽线与16平面阵列电极传感器的SMA接口连接，之后传感器再通过屏蔽线与 C/V转换电路的SMA接口连接，对于不同被测电容0.01-.01pF，电路稳定时间均为0.36，且的变化不对稳定时间产生影响。此后，采用TI公司的可编程增益放大器(PGA)THS7002作为交流C/V电路的后级放大。THS7002包含两个通道，每通道均由一个预放大器和一个可编程增益放大器组成。当 THS7002的电源电压为±5V，预放大器与可编程增益放大器阶跃响应的稳定时间分别为0.085和0.12。PGA通过屏蔽线与连接在FPGA开发板J3拓展口上的AN9238高速A/D转换器相连。数字相敏解调技术能够很好的提高系统的性能，模块可由两个乘累加器(MAC)构成如图6，在A/D转换完成后的下一个时钟周期20ns即可得到解调结果，解调时间可以忽略。滤波电路采用四阶Butterworth低通滤波器、激励频率为200kHz，其稳定时间71.3。由于过渡过程的存在在，使A/D采样并不完全是来自电路的稳态时刻，而导致信噪比的下降。为此，该系统改进了开关策略。该策略并不追求在信号过零点完成开关切换，而是通过直接数字频率合成技术DDS产生间歇式正弦波，使正弦激励信号在一段时间保持为零，即持零，相当于延长了信号过零时间。总之，一方面数字相敏解调方法直接对交流C/V转换电路输出的交流信号进行采样，并在FPGA内部完成解调，具有计算精度高、解调速度快的优势。另一方面，所设计的开关策略充分考虑了数字解调对采样的要求，在FPGA 内部产生一个与激励信号周期相关联的同步信号，利用该信号控制采样时序如图7。

如图1所示，本实用新型的一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置，包括：FPGA开发板、DA模块、T形开关策略、16平面电极阵列传感器、C/V转换电路、数字相敏解调模块、四阶Butterworth低通滤波器、USB2.0 高速接口芯片，FPGA开发板型号为XC6SLX9-2FTG256C，属于Xilinx公司Spartan-6的产品。

图2所示是静态电容值直流补偿方式的工作原理示意图。由于只有被测电容的变化量才能反映管道内部介质分布的变化，因此在测量时必须对电容传感器不同极板组合之间的静态电容值即空场电容值进行补偿。被测电容C_x经过交流测量电路放大，然后通过解调得到与其成正比的直流电压输出；同时在微处理器的控制下通过D/A转换器输出一个等效于静态电容值的直流电压，二者经过差动放大即可使静态电容得到补偿。

图3所示是根据电容边缘效应检测传感器正面的物体和材料并探测它们的疲劳损伤程度示意图。d表示传感器电极板与被测物体之间的距离。

图4所示是本实用新型的16平面阵列电极传感器平面示意图。传感器底板采用硅材料，通过SMA接口与极板上层的金属电极片相连。为防止外界静电对传感器内部的干扰，一般还需要在传感器两端以及传感器外侧设计保护电极和屏蔽壳，二者均接地。

图5所示是本实用新型的16平面阵列电极传感器任意两平面金属极板间电容值示意图。

图6所示为数字相敏解调模块结构示意图。数字相敏解调模块可由两个乘累加器MAC构成。

图7所示为ADC的采样时序。MAC的工作频率高于ADC的采样频率，因而不需要数据缓冲空间。在A/D转换完成后的下一个时钟周期(20ns)即可得到解调结果，因而解调时间可以忽略。因而，一个激励周期即可得到一个解调结果。

图8所示位电容成像系统基本单元示意图。典型的电容成像系统由电容传感器阵列、数据采集系统、图像重构计算机三部分组成。电容成像系统通过传感器阵列获得介质分布状况的投影信息；测量及数据采集系统收集电容传感器的输出电容值，并进行滤波、变换、放大，将数据通过接口传给成像计算机；成像计算机通过重建算法重构物质分布的图像，同时向测量及数据采集系统传送控制信号。

两块电极板之间由于电场分布均匀，所以电场线是平行的，但是在电极边缘就出现电场线呈向外弯曲的形状，电场线在边缘分布密集，这就是所谓的电容边缘效应。

根据电容边缘效应可以检测传感器正面的物体和材料，探测它们的疲劳损伤程度。d表示传感器电极板与被测物体之间的距离。在任意两极板电场线范围内放入介质会引起极板间复合介电常数分布发生改变，从而引起正负极板间电容值发生改变，因此获得极板间物质分布的关键是测量电容的改变值。设当物体处于平面阵列电极某两个平面电极的电场中时，此时两极板间电容为C_x。电容值的变化量为待测电容C_x与空场电容之间的差值，以下将提供具体实施解决方法。

电容传感器阵列：在电极的贴附板面积固定的情况下，减小电极块之间的距离，电容边缘效应就会加强，但这同时会使电极块面积变小，降低测量响应，因此这是一个矛盾的过程。经过多次的结构和参数优化，本设计采用拥有16电极块的平面电极。

ECT数据采集系统：该模块所使用的FPGA开发板型号为 XC6SLX9-2FTG256C，属于Xilinx公司Spartan-6的产品。开发板预留2个 40针扩展口J2、J3，这些IO口都是独立的IO口，没有跟其他设备复用。采用赛灵思公司Xilinx提供的DDS IP核在开发板上实现频率、幅度可调的正弦波发生器并通过J2拓展口直接与AN9767双通道DA模块直插连接，用于输出模拟正弦激励信号；接着DA模块通过BNC屏蔽线与16平面阵列电极传感器的SMA接口连接，之后传感器再通过屏蔽线与C/V转换电路的SMA接口连接，对于不同被测电容0.01-.01pF，电路稳定时间均为0.36，且的变化不对稳定时间产生影响。此后，采用TI公司的可编程增益放大器 PGATHS7002作为交流C/V电路的后级放大。THS7002包含两个通道，每通道均由一个预放大器和一个可编程增益放大器组成。当THS7002的电源电压为±5V，预放大器与可编程增益放大器阶跃响应的稳定时间分别为0.085和 0.12。PGA通过屏蔽线与连接在FPGA开发板J3拓展口上的AN9238高速A/D 转换器相连。数字相敏解调技术能够很好的提高系统的性能，模块可由两个乘累加器MAC构成如图6所示，在A/D转换完成后的下一个时钟周期20ns即可得到解调结果，解调时间可以忽略。滤波电路采用四阶Butterworth低通滤波器、激励频率为200kHz，其稳定时间71.3。由于过渡过程的存在在，使A/D采样并不完全是来自电路的稳态时刻，而导致信噪比的下降。为此，该系统改进了开关策略。该策略并不追求在信号过零点完成开关切换，而是通过直接数字频率合成技术DDS产生间歇式正弦波，使正弦激励信号在一段时间保持为零，即持零，相当于延长了信号过零时间。总之，一方面数字相敏解调方法直接对交流C/V转换电路输出的交流信号进行采样，并在 FPGA内部完成解调，具有计算精度高、解调速度快的优势。另一方面，所设计的开关策略充分考虑了数字解调对采样的要求，在FPGA内部产生一个与激励信号周期相关联的同步信号，利用该信号控制采样时序如图7所示。

图像重构计算机：通过ECT成像算法，用FPGA处理的信号数据重建出检测物的图像。

Claims

1.一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置，包括：FPGA开发板、16平面阵列电极传感器C_x、ECT电容采集与处理单元、PC机，其特征是：所述ECT电容采集与处理单元包括DAC模块、滤波放大电路、激励电源选择开关、激励测量切换开关、激励电路选择开关、C/V转换和交流放大滤波电路、PGA模块、ADC模块，所述FPGA开发板通过DAC接口依次连接DAC模块、滤波放大电路、激励电源选择开关，所述激励电源选择开关与激励电路选择开关相互连接；所述激励电路选择开关依次连接C/V转换和交流放大滤波电路、PGA模块、ADC模块、FPGA开发板ADC接口，所述激励电源选择开关、激励电路选择开关分别连接激励测量切换开关，所述激励测量切换开关与16平面阵列电极传感器C_x互相连接；FPGA开发板通过PicoBLaze对激励测量切换开关发出指令；所述FPGA开发板的相敏解调通过接口芯片连接PC机。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置，其特征是：所述接口芯片型号为CY7C68013A，采用USB2.0电源。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置，其特征是：所述FPGA开发板型号为XC6SLX9-2FTG256C。

4.根据权利要求3所述的一种基于电容成像技术的复合材料缺陷检测装置，其特征是：所述FPGA开发板预留2个40针扩展口且都是独立的IO口；FPGA开发板通过J2拓展口直接与DA模块连接，用于输出模拟正弦激励；DA模块通过屏蔽线与16平面阵列电极传感器的SMA接口连接，传感器再通过屏蔽线与C/V转换电路的SMA接口连接，再连接到解调及滤波、差动放大集成电路后与连接在FPGA开发板J3口上的AD模块连接，最后FPGA通过USB线将数据发送到PC机。