康宜華， 葉志堅(jiān)， 孫燕華, 李冬林

(華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

一種電容傳感器金屬材料表面缺陷檢測(cè)方法*

康宜華， 葉志堅(jiān)， 孫燕華, 李冬林

(華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

基于電容傳感器原理，實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單有效的金屬材料表面缺陷檢測(cè)方法。首先介紹了電容傳感器的工作原理，描述了單電極傳感器用于檢測(cè)金屬材料表面缺陷時(shí)的基本方法，并給出了相應(yīng)的電路模型。設(shè)計(jì)了系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該檢測(cè)方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電容傳感器對(duì)金屬材料表面缺陷較敏感，通過(guò)單片集成電場(chǎng)成像集成器件MC33794能夠快速簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)該檢測(cè)方法，為金屬材料表面缺陷(如腐蝕)提供了一種快速、便捷、有效的檢測(cè)方法。

電容傳感器； 金屬材料； 共面電容； 電場(chǎng)； 腐蝕

0 引 言

電容成像技術(shù)作為一種比較成熟的無(wú)損檢測(cè)方法[1～3]，已經(jīng)廣泛用于觸摸屏設(shè)計(jì)[4,5]和電容層析成像[6,7]，也有人開(kāi)始利用這種技術(shù)進(jìn)行金屬材料腐蝕缺陷的檢測(cè)[8,9]，但該檢測(cè)方法的實(shí)施一般需要配套比較昂貴的設(shè)備(如信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、鎖相放大器等)[1～3,8,9]，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的推廣。

針對(duì)金屬構(gòu)件表面缺陷，本文提出一種單電極模式電容傳感器檢測(cè)方法，分析了電容傳感器用于金屬材料腐蝕缺陷檢測(cè)基本工作原理，采用電場(chǎng)成像集成器件MC33794[10]作為檢測(cè)工具，通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該檢測(cè)方法的可行性。

1 檢測(cè)原理與電路模型

1.1 單電極電容傳感器檢測(cè)原理

如圖1所示為單電極電容傳感器金屬材料缺陷檢測(cè)原理圖。由于金屬材料的高導(dǎo)電性，驅(qū)動(dòng)電極產(chǎn)生的電場(chǎng)不能滲透到工件內(nèi)部，而是終止于工件表面。電場(chǎng)的作用讓電荷定向移動(dòng)并聚集到工件表面，整個(gè)工件導(dǎo)體時(shí)等勢(shì)體，工件表面為等勢(shì)面。因此,只有金屬工件表面特征(如腐蝕、裂縫等)會(huì)引起電場(chǎng)擾動(dòng)，改變電容傳感器極板電荷量，最終影響電容傳感器電容量的大小，圖1中可以看到，電場(chǎng)線(xiàn)起始于驅(qū)動(dòng)電極，終止于工件表面。

1.2 等效電路模型

單電極驅(qū)動(dòng)時(shí)，在電容傳感器產(chǎn)生電場(chǎng)作用區(qū)域內(nèi)，被檢測(cè)金屬工件整個(gè)表面形成等勢(shì)面。由于導(dǎo)體工件不是無(wú)限大，工件接地或懸空時(shí)，該等勢(shì)面勢(shì)必會(huì)影響電容傳感器的電容量，從而影響檢測(cè)信號(hào)的大小和信噪比。

圖2為導(dǎo)體工件接地時(shí)檢測(cè)示意圖和相應(yīng)電路模型，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電極和工件表面分別構(gòu)成電容器的兩個(gè)電極，其電容大小為Cdg，電場(chǎng)線(xiàn)起始于驅(qū)動(dòng)電極，終止于金屬工件表面，由于工件接地，所以,該模式下存在屏蔽效應(yīng)。工件表面缺陷的存在，會(huì)影響兩極板等效距離和等效截面積的變化，從而影響Cdg的大小。圖3為導(dǎo)體工件懸浮時(shí)檢測(cè)示意圖與相應(yīng)電路模型，其中Cdm為驅(qū)動(dòng)電極與導(dǎo)體工件之間的電容，Cmg為工件與虛擬地之間雜散電容。對(duì)比兩種電路模型，工件懸浮時(shí)的屏蔽效應(yīng)，可以看成是金屬工件表面通過(guò)雜散電容Cmg耦合到虛擬地間接實(shí)現(xiàn)的，但該雜散電容Cmg在實(shí)際檢測(cè)中不穩(wěn)定，很難測(cè)量。后文針對(duì)兩種電路模型分別開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了分析。

圖1 金屬材料表面缺陷單電極電容傳感器檢測(cè)原理Fig 1 Surface defect detection principle for metal material based on single-electrode capacitive sensor

圖2 工件接地時(shí)檢測(cè)示意圖與相應(yīng)電路模型Fig 2 Inspection schematic diagram and corresponding circuit model when specimen is grounded

圖3 工件懸浮時(shí)檢測(cè)示意圖與相應(yīng)電路模型Fig 3 Inspection schematic diagram and corresponding circuit model when specimen is floating

2 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。采用帶有表面缺陷的鋁板作為被檢測(cè)工件，缺陷通過(guò)電火花加工而成以模擬腐蝕缺陷。MC33794接成單電極模式[10]，將傳感器電容值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，該模擬量通過(guò)意法半導(dǎo)體公司MCU(STM32F103ZET6)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過(guò)RS—232接口上傳到上位機(jī)采集軟件進(jìn)行采集和顯示。

圖4 電容傳感器金屬材料表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)Fig 4 Surface defect inspection system of metal material utilizing capacitive sensor

實(shí)驗(yàn)中用到的鋁板工件含有4個(gè)不同直徑(5,10,15,20 mm)的通孔，具體尺寸如圖5所示。

圖5 帶缺陷鋁板工件Fig 5 Aluminum plate specimen with crack

實(shí)驗(yàn)的探頭通過(guò)印刷電路板(PCB)制作而成，采用屏蔽驅(qū)動(dòng)模式[10]，探頭尺寸與實(shí)物如圖6所示。

圖6 屏蔽驅(qū)動(dòng)探頭Fig 6 Shield driving probe

其中,底面直徑為10 mm的電極為檢測(cè)電極，以拾取金屬工件表面缺陷變化，正面直徑10.6 mm的電極為屏蔽驅(qū)動(dòng)電極，該電極在任何時(shí)候都與驅(qū)動(dòng)電極電位保持一致，增加激勵(lì)電場(chǎng)朝工件表面的指向性，以提高檢測(cè)靈敏度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探頭(電極)表面在檢測(cè)過(guò)程中始終保持與工件表面0.5 mm提離，對(duì)每個(gè)缺陷掃查6次。分別針對(duì)被檢工件懸浮和接地時(shí)，提取傳感器探頭掃查不同直徑缺陷時(shí)的信號(hào)，檢測(cè)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 工件懸浮時(shí)不同直徑(5，10，15，20 mm)通孔檢測(cè)信號(hào)Fig 7 Inspection signal of through holes of diameter 5,10,15, 20 mm while specimen is floating

圖8 工件接地時(shí)不同直徑(5,10,15,20 mm)通孔檢測(cè)信號(hào)Fig 8 Inspection signal of through holes of diameter 5,10,15, 20 mm while specimen is grounded

提取圖7、圖8中信號(hào)的峰峰值，并做平均處理，得到工件接地和懸浮(不接地)時(shí)，不同缺陷直徑，信號(hào)峰峰值的大小，如圖9所示。

圖9 工件接地和懸浮(不接地)時(shí)信號(hào)峰峰值平均值對(duì)比Fig 9 Comparison of average value of signal peak-to-peak value while specimen is grounded and floating

由圖9可以看出:隨著缺陷直徑變大，信號(hào)峰峰值逐漸變大。由于鋁板工件表面充當(dāng)電容傳感器其中一個(gè)電極，當(dāng)工件表面存在缺陷時(shí)，電容傳感器的等效面積和等效極板距離發(fā)生改變，導(dǎo)致電容量發(fā)生變化，缺陷越大，電容量變化越大，所以信號(hào)也越大。同時(shí)還可以看到，15 mm通孔信號(hào)與20 mm通孔信號(hào)的變化差距不是很大。由于驅(qū)動(dòng)電極的直徑為10 mm，當(dāng)缺陷尺寸超過(guò)驅(qū)動(dòng)電極尺寸較多時(shí)，該缺陷的尺寸范圍會(huì)遠(yuǎn)離傳感器的靈敏度范圍，導(dǎo)致即使缺陷尺寸變化較大，但信號(hào)變化不是很明顯。

對(duì)比圖7、圖8、圖9可以看到，工件接地時(shí)信噪比明顯優(yōu)于工件懸浮狀態(tài)。引起這種現(xiàn)象的原因是多方面的，可能是附件存在一個(gè)接地導(dǎo)體的干擾，也可能是操作人員手或者身體的靠近。此外，懸浮導(dǎo)體有時(shí)可以看成一個(gè)天線(xiàn)，使得測(cè)量信號(hào)很容易受外部電場(chǎng)的干擾。所以，為了獲得最佳的檢測(cè)結(jié)果，被檢工件應(yīng)接地。

4 結(jié) 論

本文提出了一種單電極電容傳感器金屬材料表面缺陷檢測(cè)方法，并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。傳統(tǒng)電容傳感器廣泛用于非導(dǎo)電材料的檢測(cè)，通過(guò)本文論證，電容傳感器同樣適用于金屬材料的檢測(cè)，且只檢測(cè)表面缺陷。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：為得到較好信噪比，工件需接地，探頭尺寸應(yīng)和缺陷尺寸相當(dāng)。該檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，有較大應(yīng)用前景。

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A surface defect detection method for metal material using capacitive sensor*

KANG Yi-hua， YE Zhi-jian， SUN Yan-hua， LI Dong-lin

(State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment & Technology, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Propose a simple and effective surface defect detection method for metal material,based on principle of capacitive sensor.Working principle of capacitive sensor is introduced,basic method surface defect detecting of metal material,utilizing single electrode sensor is described and the corresponding circuit model is provided.A series of experiments are designed to verify the feasibility of this method.The experimental results show that capacitive sensor is sensitive to surface defect of metal material,the detection method can be quickly and easily implemented through monolithic integrated electric field imaging integrated device MC33794,which provides a quick,convenient and effective detection method for surface defects(such as corrosion)for metal material.

capacitive sensor; metal material; coplanar capacitor; electric field; corrosion

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0127—03

2014—04—18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105158,51275193)；國(guó)家“973”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB046706)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012FFB0063)

TG 115

A

1000—9787(2014)12—0127—03

康宜華(1965-)，男，江蘇海安人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)新技術(shù)等。