馬 敏， 劉慧潔

(中國(guó)民航大學(xué) 電信與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

基于平面陣列電極傳感器的ECT系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬 敏， 劉慧潔

(中國(guó)民航大學(xué) 電信與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

設(shè)計(jì)了基于平面陣列電極傳感器的電容層析成像(ECT)系統(tǒng)。由平面陣列電極傳感器ECT系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)成像界面組成，采用電容的邊緣效應(yīng)測(cè)量原理，對(duì)復(fù)合材料的損傷、缺陷進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：在介電常數(shù)ε=3.5的玻璃塊材料為被測(cè)對(duì)象的條件下，得到的ECT圖像分辨率高、偽影少。由此表明:該系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單有效、圖像重建效果優(yōu)良的無(wú)損檢測(cè)(NDT)系統(tǒng)。

平面陣列電極傳感器； 電容層析成像(ECT)系統(tǒng)； 復(fù)合材料； 無(wú)損檢測(cè)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步，復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。該材料重量輕、韌性好以及抗擊能力強(qiáng)，這些特點(diǎn)決定了它是一種不可替代的結(jié)構(gòu)材料之一[1]。但是由于環(huán)境惡劣和不恰當(dāng)?shù)氖褂梅椒ǖ纫蛩氐挠绊?，使得?fù)合材料在使用的過(guò)程當(dāng)中容易出現(xiàn)疲勞損傷、斷裂脫層、空隙加大等，因此,必須要對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)，以確保工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和航空飛行的安全[2]。

為此，一種檢測(cè)復(fù)合材料的技術(shù)就變得尤為重要。由于復(fù)合材料本身多為非金屬材料，當(dāng)其出現(xiàn)疲勞損傷和斷層夾隙時(shí)，該材料內(nèi)部的介電常數(shù)就會(huì)發(fā)生改變。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，一種測(cè)量復(fù)合材料電學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)(nondestructive test,NDT)技術(shù)值得研究。

電容層析成像(electrical capacitance tomography，ECT)技術(shù)是一種非侵入、無(wú)輻射、快速響應(yīng)的過(guò)程層析成像技術(shù)[3]，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，該技術(shù)在測(cè)量介質(zhì)成像方面具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、清晰度高等方面的優(yōu)點(diǎn)。為了監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的疲勞損傷程度，以便及時(shí)進(jìn)行維修或者更換，本文研究了一種基于平面陣列電極傳感器的ECT系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)和良好的硬件布局，系統(tǒng)獲得了良好的檢測(cè)結(jié)果。在檢測(cè)常規(guī)復(fù)合材料的時(shí)候，能夠獲得比較清晰的探傷圖像，從而使系統(tǒng)的性能得到了驗(yàn)證。

1 陣列電極的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理

平面陣列電極傳感器就是將方塊電極貼在一塊底板上而形成的傳感器。如圖1所示是典型的平面陣列電極傳感器，該傳感器由16塊方形電極塊和一塊底板組成，電極塊貼附在底板上。

傳感器的測(cè)量原理是基于電容的邊緣效應(yīng)。如圖2(a)所示。

圖1 平面陣列電極傳感器模型

兩塊電極板之間由于電場(chǎng)分布均勻，所以電場(chǎng)線(xiàn)是平行的，但是在電極邊緣就出現(xiàn)電場(chǎng)線(xiàn)呈向外彎曲的形狀，電場(chǎng)線(xiàn)在邊緣分布密集，這就是所謂的電容邊緣效應(yīng)。圖2(b)顯示的就是電極的邊緣效應(yīng)現(xiàn)象。

圖2 電容邊緣效應(yīng)

根據(jù)電容邊緣效應(yīng)可以檢測(cè)傳感器正面的物體和材料，探測(cè)它們的疲勞損傷程度。如圖3所示。

圖3 陣列電極探測(cè)物體

圖3中，R1和R2分別表示方形電極的半徑，S表示兩塊電極片之間的水平距離，d表示傳感器電極板與被測(cè)物體之間的距離。

2 ECT采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖4所示，系統(tǒng)由16陣列電極傳感器、ECT電容采集系統(tǒng)以及PC界面三部分構(gòu)成。

圖4 陣列電極傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這三部分構(gòu)成了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。傳感器負(fù)責(zé)采集檢測(cè)物體的電容信號(hào)；ECT采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換和處理采集的電容信號(hào)，將處理后的數(shù)字信號(hào)交給PC；PC界面則主要是基于一定的ECT圖像重建算法[4]，如LBP算法、Landweber迭代算法[5]，編寫(xiě)電容數(shù)據(jù)的畫(huà)圖程序，再將探測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成探測(cè)物體的介質(zhì)分布信息，解決ECT系統(tǒng)的逆問(wèn)題[6]。三部分功能如下：

1)電極模塊：在電極的貼附板面積固定的情況下，減小電極塊之間的距離，電容邊緣效應(yīng)就會(huì)加強(qiáng)，但這同時(shí)會(huì)使電極塊面積變小，降低測(cè)量響應(yīng)，因此這是一個(gè)矛盾的過(guò)程。經(jīng)過(guò)多次的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，本設(shè)計(jì)采用擁有16電極塊的平面電極。

2) ECT采集模塊：該模塊通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA)的DDS IP核產(chǎn)生電極激勵(lì)信號(hào)，作用于傳感器之后，通過(guò)電容/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換電路把電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；為了充分利用模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的量程，利用可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)把電壓信號(hào)進(jìn)行程序控制放大；最后進(jìn)行信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換之后的信號(hào)交由FPGA來(lái)處理。通過(guò)FPGA對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，求解出測(cè)量場(chǎng)的電容信息，同時(shí)基于USB 2.0通信協(xié)議，把信息傳送到PC端進(jìn)行ECT圖像重建。

3)PC端軟件界面：它是基于VC 6.0軟件的界面，通過(guò)融入ECT成像算法，用FPGA處理的信號(hào)數(shù)據(jù)重建出檢測(cè)物的圖像。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 直接檢測(cè)測(cè)試

直接檢測(cè)就是直接對(duì)被測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)。被測(cè)物為ε=3.5的有機(jī)玻璃，成像算法為L(zhǎng)andweber算法，其實(shí)驗(yàn)效果如圖5，圖6。

圖5 單被測(cè)物成像效果

圖6 雙被測(cè)物成像效果

圖5和圖6都是系統(tǒng)直接對(duì)被測(cè)物進(jìn)行測(cè)量，從重建出來(lái)的圖像可知，系統(tǒng)具有較高的圖像分辨率和抗噪聲性能。

3.2 透射能力測(cè)試

透射能力檢測(cè)就是在電極板上蓋上一層4 mm厚的非金屬材料板，然后再用它來(lái)檢測(cè)被測(cè)物，被測(cè)物也為ε=3.5的有機(jī)玻璃，成像算法為L(zhǎng)andweber算法。其實(shí)驗(yàn)效果如圖7、圖8。

圖7 單被測(cè)物成像效果

圖8 雙被測(cè)物成像效果

從圖7和圖8中可以看出，系統(tǒng)能夠穿透4 mm的非金屬板去檢測(cè)有機(jī)玻璃。從而可知，系統(tǒng)具有一定的穿透探傷能力，其性能優(yōu)良。

4 結(jié) 論

陣列電極傳感器系統(tǒng)可應(yīng)用于復(fù)合材料的測(cè)試，通過(guò)玻璃塊實(shí)驗(yàn)得出系統(tǒng)能夠重建出清晰的物體圖像。在同等條件下，直接物體測(cè)試和物體穿透測(cè)試得出的圖像清晰度不一樣，后者與前者相比分辨率較低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了采集系統(tǒng)的性能，但是成像速度和精度還有待提高。

[1] 楊乃賓.新一代大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[J].航空學(xué)報(bào)，2008,29(3):596-603.

[2] 王 挺.基于電容敏感機(jī)理的飛機(jī)復(fù)合材料檢測(cè)方法研究[D].天津:中國(guó)民航大學(xué),2013.

[3] 彭珍瑞,殷 紅,董海棠.電容層析成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(9):5-9.

[4] 高寶慶.基于迭代法的電容層析成像圖像重建算法[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2010.

[5] 朱學(xué)明．電容層析成像技術(shù)的圖像重建算法研究[D]．天津:天津大學(xué),2004.

[6] 馬 敏,周苗苗,李新建.基于ECT技術(shù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(5): 88-91.

Design of ECT system based on planar array electrode sensor*

MA Min, LIU Hui-jie

(College of Electronic Information and Automation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

A electrical capacitance tomography(ECT)system which based on planar array electrodes sensor is designed.This system is composed of a planar array electrodes sensor system of ECT and a computer imaging interface,and detects the damage and flaw of composite material by using the measuring principle of edge effect of capacitance.The results show that when the glass block material whose dielectric constant is 3.5 is tested,this system can come out an image with higher resolution ratio,smaller artifacts.This indicates that the system is a simple and effective nondestructive test(NDT)system with excellent image reconstruction effect.

planar array electrodes sensor; electrical capacitance tomography(ECT)system; composite material; nondestructive test(NDT)

2016—03—23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401466, 61102096); 民航科技資金資助項(xiàng)目(20150220); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(Y15—07)

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0082—02

TP 212

A

1000—9787(2017)02—0082—02

馬 敏(1971-)，女，教授，主要從事過(guò)程參數(shù)檢測(cè)與信息處理技術(shù)方面的研究工作。

劉慧潔(1992-),女，通訊作者,碩士研究生，研究方向?yàn)殡娙輰游龀上裣到y(tǒng)算法，E—mail:240017913@qq.com。