代守強(qiáng)，陳棣湘，田武剛，潘孟春，任 遠(yuǎn)，周衛(wèi)紅

（國防科技大學(xué)，湖南 長沙 410073）

平面電容傳感器熱障涂層缺陷檢測系統(tǒng)

代守強(qiáng)，陳棣湘，田武剛，潘孟春，任 遠(yuǎn)，周衛(wèi)紅

（國防科技大學(xué)，湖南 長沙 410073）

為有效檢測熱障涂層的缺陷，研究基于平面電容傳感器的缺陷檢測系統(tǒng)。該文對用于熱障涂層缺陷檢測的平面電容傳感器的工作原理進(jìn)行分析，結(jié)合熱障涂層的結(jié)構(gòu)，利用COMSOL有限元仿真軟件對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)微小電容檢測電路，并通過復(fù)導(dǎo)納的方法提取檢測信息，搭建熱障涂層缺陷檢測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)測試中對3種不同厚度的氧化鋁陶瓷片進(jìn)行復(fù)導(dǎo)納的檢測，通過對檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析更易區(qū)分不同厚度的陶瓷片，即基于平面電容傳感器的缺陷檢測系統(tǒng)可以有效檢測出熱障涂層的厚度變化缺陷。

平面電容；熱障涂層；復(fù)導(dǎo)納；缺陷檢測

0 引 言

隨著邊緣電場理論的不斷完善與發(fā)展，基于邊緣電場原理設(shè)計(jì)的電容傳感器被應(yīng)用于工業(yè)和生活的各個領(lǐng)域。其中基于叉指結(jié)構(gòu)的電容傳感器被廣泛應(yīng)用于土壤含水量的檢測[1]、pH值的測量[2]、電解質(zhì)溶液阻抗的測量[3]、電纜絕緣層的測量[4]。平面電容傳感器的電極均位于同一平面，利用電場線穿透待測物進(jìn)行檢測，具有單邊滲透，穿透深度和信號強(qiáng)度可調(diào)，不損傷待測物的優(yōu)點(diǎn)。隨著高分子材料和復(fù)合材料的發(fā)展以及無損檢測的需要，平面電容檢測的方法已經(jīng)成為復(fù)合材料和多層非金屬材料缺陷損傷檢測的重要途徑之一。熱障涂層作為一種多層非金屬的復(fù)合式材料，對于提高發(fā)動機(jī)的溫度起到了巨大的作用，但是由于熱障涂層陶瓷層的非導(dǎo)電性，使許多利用電導(dǎo)率進(jìn)行檢測的方法無法達(dá)到檢測涂層厚度和缺陷的目的。而涂層的厚度變化和缺陷的出現(xiàn)改變會使自身的介電常數(shù)也發(fā)生變化，所以通過測涂層電容的方法可以檢測涂層厚度的變化和缺陷的產(chǎn)生。而第1次提出利用平面電容檢測原理進(jìn)行熱障涂層缺陷檢測的是美國JENTEK公司的研究員，他率先開展了基于平面式電磁傳感器和電容傳感器的熱障涂層檢測技術(shù)的研究，認(rèn)識到集成電磁和電容兩種檢測技術(shù)的重要性，但在復(fù)合式傳感器研究方面尚未取得突破性進(jìn)展和實(shí)際性成果，研究還局限在實(shí)驗(yàn)室，沒有形成外場原位化在役檢測能力，而在國內(nèi)并沒有利用平面電容傳感器檢測熱障涂層的先例。

1 熱障涂層的結(jié)構(gòu)

如圖1[5]所示，是熱障涂層最典型的一種結(jié)構(gòu)圖。典型的熱障涂層包含了4層材料[6-7]：陶瓷層、氧化層、粘結(jié)層、高溫鎳基合金基底。

圖1 熱障涂層結(jié)構(gòu)體系示意圖

熱障涂層體系中，陶瓷層熔點(diǎn)較高厚度大概在100～400μm的范圍內(nèi)，是熱障涂層的主要組成部分；粘結(jié)層是為了使金屬基底和熔點(diǎn)較高的陶瓷層能很好地粘結(jié)在一起而存在的一種粘合劑，由于粘結(jié)層的成分含有很多金屬，所以在高溫環(huán)境下容易發(fā)生氧化，從而在粘結(jié)層和陶瓷層之間形成一層致密的氧化物，能阻止高溫金屬材料被進(jìn)一步氧化，氧化層的厚度一般在10μm以內(nèi)[8]，而且氧化層的外形和它的厚度對熱障涂層體系的工作壽命有著比較大的影響[9]。由于熱障涂層有著比較突出的防護(hù)功能，讓飛機(jī)的發(fā)動機(jī)能在1500℃的溫度下繼續(xù)工作，可大大提高發(fā)動機(jī)的使用效率，且成本比研究更耐高溫的合金材料低很多。因此，熱障涂層是一類很有潛力的飛機(jī)葉片防護(hù)材料，并且有很多已被使用在航空航天領(lǐng)域，解決了許多熱防護(hù)方面的科學(xué)問題。

熱障涂層技術(shù)在國外（尤其是美國）已經(jīng)比較成熟，隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，我國的熱障涂層技術(shù)在現(xiàn)階段也有了較大的進(jìn)步，熱障涂層也開始應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃燒室、噴口、渦輪葉片等地方[10]。

根據(jù)熱障涂層的損壞機(jī)理[11]，厚度的變化將在很大程度上改變熱障涂層的性能，從而導(dǎo)致涂層失效，所以本文主要將涂層的缺陷檢測放在對涂層的厚度檢測方面。由于氧化層的厚度太薄，只對熱障涂層的整體厚度及陶瓷層的厚度缺陷進(jìn)行研究與檢測。

2 平面電容傳感器的檢測原理

平面電容傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，相當(dāng)于將圖2（a）平行板電容的兩個電極經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的方式，使兩個電極位于同一平面上。矩形交叉指型平面電容傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳感器由驅(qū)動電極、感應(yīng)電極和保護(hù)電極組成。當(dāng)給驅(qū)動電極施加一定的電壓時(shí)如圖4（a），由于驅(qū)動電極與感應(yīng)電極之間存在的電勢差，電場線會從驅(qū)動電極流向感應(yīng)電極如圖4（b），當(dāng)電極下方的檢測物屬性發(fā)生變化（厚度的變化或缺陷的出現(xiàn)）時(shí)會影響電場線的流向和分布，從而使感應(yīng)電極上感應(yīng)的電荷發(fā)生變化。通過測量感應(yīng)電極電壓的變化，就可以間接檢測出檢測物屬性的變化。將這種檢測原理進(jìn)行理論推導(dǎo)則得到式（1）[12]，電勢隨檢測深度變化的分布情況。

圖2 平行板電容到平面電容的轉(zhuǎn)變

圖3 矩形交叉指電極平面電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖4 矩形叉指電極平面電容傳感器工作原理示意圖

其中Φ為電勢，kn=2πn/λ為每種模式下的波數(shù)，λ為平面電極的空間波長。由式（1）可得式（2）、式（3）、式（4）。式（3）為測得的復(fù)電容值即復(fù)轉(zhuǎn)移導(dǎo)納值，式（4）為最后需要分析的復(fù)介電常數(shù)。

通過對得到的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行分析和處理就可進(jìn)一步判斷出涂層屬性的變化，并對應(yīng)得到涂層厚度的變化和涂層的損傷情況。

3 仿真分析與傳感器制備

利用COMSOL有限元仿真軟件對實(shí)驗(yàn)檢測對象進(jìn)行仿真。平面電容的結(jié)構(gòu)有很多種，有圓盤型、回字型、圓電極交叉指型、矩形交叉指型等。通過分析各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，得到矩形交叉指型電極具有更好的敏感場分布均勻性，且結(jié)構(gòu)有更好的周期性，所以選擇矩形交叉指型的電極結(jié)構(gòu)作為傳感器的電極。仿真時(shí)根據(jù)參數(shù)的分布情況分別采用二維仿真模型和三維仿真模型的方法。

由于三維仿真的計(jì)算量較大，所以對于平面電容傳感器的設(shè)計(jì)主要采用二維仿真的方法確定傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后再利用三維仿真對設(shè)計(jì)的平面電容傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 二維仿真

如圖5所示，是平面電容傳感器的二維半波長模型的網(wǎng)格劃分圖，其中Driven為驅(qū)動電極，Sensing為感應(yīng)電極，Guard為保護(hù)電極。通過二維半波長模型可以得到電極寬度、電極厚度、電極長度、基底厚度、基底介電常數(shù)與檢測電容值大小和靈敏度之間的關(guān)系，從而為傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖5 二維仿真的半波長模型

圖6反映的是檢測深度與空間波長之間的關(guān)系，從圖中可以看出檢測深度與電極的空間波長成正相關(guān)的關(guān)系，且檢測深度約為電極空間波長的1/3，即h=λ/3。滿足檢測深度為空間波長的1/4到1/3的關(guān)系[13]。

圖6 平面電容傳感器空間波長與檢測深度的關(guān)系

通過二維仿真可以得到電極寬度和電極厚度均與電容檢測值和檢測靈敏度成正相關(guān)的關(guān)系；基底厚度與電容檢測值成負(fù)相關(guān)的關(guān)系但與檢測靈敏度成正相關(guān)的關(guān)系；而基底相對介電常數(shù)則與檢測物的介電常數(shù)有關(guān)。再進(jìn)一步對三維的模型進(jìn)行分析即可得到電極長度和電極極對數(shù)對互導(dǎo)電容值的影響，最后可根據(jù)檢測材料的尺寸和特點(diǎn)設(shè)計(jì)使互導(dǎo)電容值盡量大，電容響應(yīng)靈敏度高的平面電容傳感器。

3.2 三維仿真

二維仿真確定了主要的參數(shù)以后可以通過三維仿真的方法對二維的參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，并且可以得到電極間的串?dāng)_關(guān)系，為制作合適的平面電容傳感器提供數(shù)據(jù)支撐。圖7為三維仿真示意圖。

圖7 平面電容傳感器三維仿真電勢分布圖

通過三維仿真可以對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行更加真實(shí)的模擬，并與實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果形成對比，從而驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的可行性。

3.3 傳感器制備

需檢測的熱障涂層樣品的厚度決定了空間波長的選擇。所以需要對熱障涂層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定待檢測熱障涂層結(jié)構(gòu)的厚度，從而確定平面?zhèn)鞲衅鞯目臻g波長。其他參數(shù)如電極寬度、電極厚度、基板的厚度、基板的介電常數(shù)、電極的長度、電極的極對數(shù)，都可以使用仿真方法進(jìn)行確定，最后根據(jù)實(shí)際檢測情況和需要確定一組比較合理的參數(shù)進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)與制備。

通過分析可知檢測的陶瓷層厚度約為300～400μm，介電常數(shù)約為12。故根據(jù)仿真數(shù)據(jù)和檢測理論制備了空間波長分別為2，3，4mm的平面電容傳感器。如圖8為設(shè)計(jì)制備的剛性平面電容傳感器，圖9為柔性平面電容傳感器。

傳感器正面為激勵電極和感應(yīng)電極，并在外側(cè)設(shè)計(jì)了一對保護(hù)電極，減小邊緣環(huán)境的干擾。背面則覆了一層很薄的銅層，同樣起到屏蔽的作用。

4 檢測系統(tǒng)

圖8 剛性平面電容傳感器實(shí)物圖

圖9 柔性平面電容傳感器實(shí)物圖

根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)合適的平面電容傳感器，利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件對試件進(jìn)行測試。制備的傳感器分為剛性和柔性兩種，剛性的由于形狀固定可以更好的對各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，柔性的傳感器則能更好的與不規(guī)則的涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行貼合，從而達(dá)到檢測熱障涂層厚度缺陷的目的。圖10為系統(tǒng)的檢測原理圖。

圖10 系統(tǒng)檢測原理圖

通過交流電壓激勵平面電容傳感器的驅(qū)動電極，這時(shí)傳感器的感應(yīng)電極將產(chǎn)生感應(yīng)電壓，將感應(yīng)電壓與激勵電壓進(jìn)行比對即可得到復(fù)轉(zhuǎn)移導(dǎo)納，結(jié)合仿真模型對復(fù)轉(zhuǎn)移導(dǎo)納進(jìn)行分析就可得到樣品的厚度等參數(shù)信息。

如圖11所示為平面電容傳感器的等效電路圖，平面電容傳感器的檢測可以簡化為測電阻R12和電容C12的值。圖12為輸出的硬件檢測電路，輸入為感應(yīng)電極的電壓信號，經(jīng)過濾波放大后得到采樣的模擬信號，最后經(jīng)過整周期數(shù)字鎖相放大[14]即可得到式（5）中的幅值A(chǔ)和相角φ。

圖11 平面電容傳感器的等效電路圖

圖12 輸出硬件檢測電路圖

式（5）為檢測電路的傳遞函數(shù)，通過化簡可等效得到式（6）和式（7）。

通過式（6）和式（7）兩個方程組即可得到電阻R12和電容C12兩個未知參量。

4.1 平面電容傳感器的測試

通過檢測系統(tǒng)對剛性平面電容傳感器和柔性平面電容傳感器的空載電容值進(jìn)行檢測，并將其與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1、表2所示。通過分析表中的結(jié)果可知，平面電容傳感器的空載電容值與電極的空間波長有關(guān)，空間波長越小電容值越大。且由于基底材料和基底厚度的不同，同樣空間波長的剛性平面電容傳感器的空載電容值要大于柔性平面電容傳感器的空載電容值。

表1 剛性傳感器空載時(shí)仿真電容值與實(shí)測電容值

表2 柔性傳感器空載時(shí)仿真電容值與實(shí)測電容值

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于熱障涂層的制備比較困難，本文使用氧化鋁陶瓷模擬熱障涂層的陶瓷層，利用鋁合金板代替涂層的基底進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。基于3 mm空間波長的平面電容傳感器測試系統(tǒng)的測試結(jié)果見表3，其中相角和幅值是采樣后通過上位機(jī)得到的，實(shí)測電容值和電阻值是通過式（6）和式（7）利用Matlab程序計(jì)算得到的。計(jì)算時(shí)激勵電壓的峰峰值取0.976 V。

表3 檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

如表中所示，仿真時(shí)涂層的介電常數(shù)取氧化鋁的平均介電常數(shù)約為9.0，厚度則分別取380，500，600μm，與實(shí)驗(yàn)樣品的加工工藝有關(guān)。通過對比可以得到檢測厚度與檢測幅值和相角的關(guān)系，通過進(jìn)一步分析和融合即可通過測幅值和相角的方法得到實(shí)驗(yàn)樣品厚度的變化，從而檢測出由熱障涂層的厚度變化引起的缺陷。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)基于平面電容傳感器的缺陷檢測系統(tǒng)在一定程度上可以對熱障涂層的厚度變化引起的缺陷進(jìn)行檢測，但是在實(shí)驗(yàn)測試對象的真實(shí)度（和真實(shí)的熱障涂層樣品之間的差距）以及數(shù)據(jù)分析方面也存在著一定的不足。后期需要在檢測樣品的制備，算法和數(shù)據(jù)分析方面做進(jìn)一步的研究，提取出熱障涂層更多的缺陷信息。

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（編輯：劉楊）

Thermal barrier coatings based on planar capacitive sensor defect detection system

DAI Shouqiang，CHEN Dixiang，TIAN Wugang，PAN Mengchun，REN Yuan，ZHOU Weihong
（National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

In order to more effectively detect thermal barrier coating defects，research on defect detection system based on planar capacitive sensor.The principle of the planar capacitance sensor was analyzed in this paper，the structure of the thermal barrier coating was described and the sensor structure was optimized with COMSOL finite element simulation software.Design tiny capacitance detection circuit，and extract information by detecting the complex admittance method. The defect detection system used for defect detection of thermal barrier coatings was set up and the performance of the system was tested.Experimental tests on three different thicknesses of alumina ceramic pieces were re-admittance testing，through the analysis of test results it can be relatively easy to distinguish the different thickness of the ceramic sheet.The testing results show that the defect detection system which based on flexible planar capacitive sensor can detect the defects in variation in thickness of the thermal barrier coatings effectively.

planar capacitive；thermal barrier coatings；complex admittance；detect detection

A

：1674-5124（2017）01-0078-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.017

2016-07-13；

：2016-08-17

國家自然科學(xué)基金（61171134）高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20134307120016）

代守強(qiáng)（1991-），男，湖北襄陽市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡姶艡z測及應(yīng)用。