鞠梓宸 叢雪明 韓瑋 彭勝利

摘 要：本文針對(duì)非金屬材料開放式缺陷和隱藏式缺陷檢測(cè)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于CIDT的新型電容成像檢測(cè)傳感器，新型傳感器既能增加檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，又能增加電極對(duì)間準(zhǔn)靜態(tài)邊緣電場(chǎng)的檢測(cè)深度，達(dá)到同時(shí)檢測(cè)非金屬材料開放式缺陷與隱藏式缺陷的目的。使用COMSOL軟件建立新型電容成像檢測(cè)傳感器的二維仿真模型，仿真得出的電勢(shì)圖初步驗(yàn)證新型電容成像檢測(cè)傳感器同時(shí)檢測(cè)開放式缺陷與隱藏式缺陷的可行性。

關(guān)鍵詞： CIDT; 傳感器; 開放式缺陷; 隱藏式缺陷

1 ?引 ?言

電容成像檢測(cè)技術(shù)（capacitance imaging detection technology， CIDT）是一種新型無損檢測(cè)技術(shù)，與傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)相比，具有安全環(huán)保、廉價(jià)、非接觸式和非侵入式等特點(diǎn);CIDT既能檢測(cè)金屬表面缺陷，又能檢測(cè)非金屬材料表面缺陷和內(nèi)部缺陷，目前已廣泛應(yīng)用到玻璃鋼管道、有機(jī)玻璃板、金屬防腐管道、陶瓷裝甲等檢測(cè)。CIDT檢測(cè)非金屬材料缺陷的基本原理為：共面電極對(duì)產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)邊緣電場(chǎng)經(jīng)過空氣層到達(dá)被測(cè)試件，并在被測(cè)試件中形成一個(gè)特定的檢測(cè)體積;如果被測(cè)試件中的缺陷在特定的檢測(cè)體積內(nèi)，就會(huì)擾動(dòng)整個(gè)電場(chǎng)，改變檢測(cè)極板上的電荷數(shù)，從而達(dá)到檢測(cè)缺陷的目的[1]。

2 ?電容成像傳感器仿真分析

2.1 ?新型電容成像傳感器設(shè)計(jì)

電容成像檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)是CIDT的關(guān)鍵，合理的設(shè)計(jì)使得CIDT能對(duì)非金屬材料內(nèi)部多個(gè)不同深度的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，缺陷即使是隱藏在非金屬材料的內(nèi)部也能檢測(cè)。設(shè)計(jì)的新型電容成像檢測(cè)傳感器，它由圓形銅電極、屏蔽銅電極和FR4板構(gòu)成。新型電容成像檢測(cè)傳感器激勵(lì)電極與檢測(cè)電極的形狀都是圓形，增加了新型電容成像傳感器的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度;這種新型傳感器的電場(chǎng)分布比以往的傳感器更發(fā)散，使得這種新型電容檢測(cè)傳感器的檢測(cè)深度更大，達(dá)到檢測(cè)較深表面缺陷與隱藏缺陷的目的。除此之外，這種新型電容成像檢測(cè)傳感器含有優(yōu)化后的屏蔽電極，既可用于增加傳感器的檢測(cè)深度，又可屏蔽外部雜散電容，使得此傳感器的信噪比（SNR）優(yōu)于常用的三角形電極[2]。

2.2 ?仿真模型建立

由于新型電容成像檢測(cè)傳感器包含一個(gè)激勵(lì)電極和一個(gè)檢測(cè)電極，其檢測(cè)電容值的動(dòng)態(tài)變化范圍一般較大，且都在皮法級(jí)以上，故可以省略檢測(cè)傳感器軸向的邊緣效應(yīng)，采用簡(jiǎn)化的二維模型仿真分析。本文仿真分析采用有機(jī)玻璃試件作為被測(cè)試件，有機(jī)玻璃的相對(duì)介電常數(shù)為4.5。圖1中有機(jī)玻璃的尺寸為210mm×20mm，圖1（a）為有四個(gè)開放式缺陷的有機(jī)玻璃試件，缺陷A、B、C、D的深度分別為5mm、9mm、13mm、17mm，它們的寬度都為10mm，且相鄰缺陷間的中心距為30mm;圖1（b）為有四個(gè)隱藏式缺陷的有機(jī)玻璃試件，缺陷a、b、c、d的隱藏深度分別為3mm、7mm、11mm、15mm，它們的長(zhǎng)度也都為10mm，且相鄰缺陷間的中心距也為30mm。

圖2為COMSOL軟件建立的線掃描仿真模型，圖2（a）為新型電容成像傳感器線掃描開放式缺陷的仿真模型，圖2（b）為新型電容成像檢測(cè)傳感器線掃描隱藏式缺陷的仿真模型。新型電容成像檢測(cè)傳感器距離有機(jī)玻璃試件的提離高度為2mm，線掃描的長(zhǎng)度范圍為-85mm到85mm，線掃描的步長(zhǎng)為1mm，采用1mm的掃描步長(zhǎng)既能達(dá)到預(yù)定的檢測(cè)目的，又能在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)配置的前提下節(jié)約求解時(shí)間。二維仿真模型中，有機(jī)玻璃試件輪廓下邊與仿真求解域下邊（虛地）的距離為20mm，可以有效消除虛地對(duì)檢測(cè)電容值的干擾，提高激勵(lì)電極與檢測(cè)電極間電容值的檢測(cè)精度;除了仿真求解域下邊為虛地外，其他三邊的邊界條件都被設(shè)為懸浮電位，用于模擬無限遠(yuǎn)處的電位分布，最大限度減小外部環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響[3]。

2.3 ?仿真結(jié)果

軟件仿真求解后的結(jié)果如圖3所示，圖3（a）為新型電容成像檢測(cè)傳感器檢測(cè)17mm深開放式缺陷的電勢(shì)圖，圖3（b）為新型電容成像檢測(cè)傳感器檢測(cè)15mm深隱藏式缺陷的電勢(shì)圖。由于電場(chǎng)線垂直與等勢(shì)線，可知新型電容成像檢測(cè)傳感器產(chǎn)生的電場(chǎng)線能穿過17mm深的開放式缺陷和15mm深的隱藏式缺陷，從而能檢測(cè)到其他深度的開放式缺陷和隱藏式缺陷;從圖3中還可以看出，等勢(shì)線在檢測(cè)傳感器的附近較密，在遠(yuǎn)離傳感器的地方較疏，這與理論上電場(chǎng)線的分布規(guī)律一樣，從而驗(yàn)證仿真模型的正確性以及新型電容傳感器檢測(cè)開放式缺陷與隱藏式缺陷的可行性。

3 ?結(jié)論

以非金屬材料中的有機(jī)玻璃為被測(cè)試件，設(shè)計(jì)一種基于CIDT的新型電容成像檢測(cè)傳感器，新型傳感器既能增加檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，又能增加電極對(duì)間準(zhǔn)靜態(tài)邊緣電場(chǎng)的檢測(cè)深度，達(dá)到同時(shí)檢測(cè)非金屬材料開放式缺陷與隱藏式缺陷的目的，解決無法同時(shí)檢測(cè)非金屬材料開放式缺陷與隱藏式缺陷的難點(diǎn)。

運(yùn)用COMSOL軟件對(duì)新型電容成像檢測(cè)傳感器進(jìn)行二維仿真分析，檢測(cè)有機(jī)玻璃四個(gè)深度不同的開放式缺陷和四個(gè)深度不同的隱藏式缺陷，得到的電勢(shì)圖驗(yàn)證了新型電容成像檢測(cè)傳感器同時(shí)檢測(cè)開放式缺陷和隱藏式缺陷的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李振，殷曉康，李晨，王克凡.基于COMSOL的電容成像傳感器仿真研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017，40（09）：1-5.

[2]侯亞賓，卜雄洙，孫斌.微小電容檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2015，34（12）：87-90.

[3]張小勇，陳穎鳴，郭禹姬.基于電容檢測(cè)芯片的電容檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（06）：35-37.