基于平面陣列電極傳感器的ECT系統設計*

馬 敏， 劉慧潔

(中國民航大學 電信與自動化學院，天津 300300)

基于平面陣列電極傳感器的ECT系統設計*

馬 敏， 劉慧潔

(中國民航大學 電信與自動化學院，天津 300300)

設計了基于平面陣列電極傳感器的電容層析成像(ECT)系統。由平面陣列電極傳感器ECT系統和計算機成像界面組成，采用電容的邊緣效應測量原理，對復合材料的損傷、缺陷進行檢測。結果表明：在介電常數ε=3.5的玻璃塊材料為被測對象的條件下，得到的ECT圖像分辨率高、偽影少。由此表明:該系統是一種簡單有效、圖像重建效果優良的無損檢測(NDT)系統。

平面陣列電極傳感器； 電容層析成像(ECT)系統； 復合材料； 無損檢測

0 引 言

隨著現代科學的進步，復合材料在工業領域和航空航天領域都得到了廣泛的應用。該材料重量輕、韌性好以及抗擊能力強，這些特點決定了它是一種不可替代的結構材料之一[1]。但是由于環境惡劣和不恰當的使用方法等因素的影響，使得復合材料在使用的過程當中容易出現疲勞損傷、斷裂脫層、空隙加大等，因此,必須要對復合材料進行定期的檢查和維護，以確保工業生產過程和航空飛行的安全[2]。

為此，一種檢測復合材料的技術就變得尤為重要。由于復合材料本身多為非金屬材料，當其出現疲勞損傷和斷層夾隙時，該材料內部的介電常數就會發生改變。針對這個特點，一種測量復合材料電學特性的無損檢測(nondestructive test,NDT)技術值得研究。

電容層析成像(electrical capacitance tomography，ECT)技術是一種非侵入、無輻射、快速響應的過程層析成像技術[3]，經過幾十年的發展，該技術在測量介質成像方面具有實時性強、清晰度高等方面的優點。為了監測復合材料的疲勞損傷程度，以便及時進行維修或者更換，本文研究了一種基于平面陣列電極傳感器的ECT系統。經過精心的設計和良好的硬件布局，系統獲得了良好的檢測結果。在檢測常規復合材料的時候，能夠獲得比較清晰的探傷圖像，從而使系統的性能得到了驗證。

1 陣列電極的結構和測量原理

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。

傳感器的測量原理是基于電容的邊緣效應。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分布均勻，所以電場線是平行的，但是在電極邊緣就出現電場線呈向外彎曲的形狀，電場線在邊緣分布密集，這就是所謂的電容邊緣效應。圖2(b)顯示的就是電極的邊緣效應現象。

圖2 電容邊緣效應

根據電容邊緣效應可以檢測傳感器正面的物體和材料，探測它們的疲勞損傷程度。如圖3所示。

圖3 陣列電極探測物體

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物體之間的距離。

2 ECT采集系統結構

如圖4所示，系統由16陣列電極傳感器、ECT電容采集系統以及PC界面三部分構成。

圖4 陣列電極傳感器系統結構

這三部分構成了系統的整體結構。傳感器負責采集檢測物體的電容信號；ECT采集系統負責轉換和處理采集的電容信號，將處理后的數字信號交給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]，編寫電容數據的畫圖程序，再將探測到的數據轉換成探測物體的介質分布信息，解決ECT系統的逆問題[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，電容邊緣效應就會加強，但這同時會使電極塊面積變小，降低測量響應，因此這是一個矛盾的過程。經過多次的結構和參數優化，本設計采用擁有16電極塊的平面電極。

2) ECT采集模塊：該模塊通過現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的DDS IP核產生電極激勵信號，作用于傳感器之后，通過電容/電壓(C/V)轉換電路把電容信號轉換為電壓信號；為了充分利用模/數(A/D)轉換器的量程，利用可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)把電壓信號進行程序控制放大；最后進行信號的A/D轉換，并把轉換之后的信號交由FPGA來處理。通過FPGA對采集信號進行數字解調，求解出測量場的電容信息，同時基于USB 2.0通信協議，把信息傳送到PC端進行ECT圖像重建。

3)PC端軟件界面：它是基于VC 6.0軟件的界面，通過融入ECT成像算法，用FPGA處理的信號數據重建出檢測物的圖像。

3 系統測試與結果分析

3.1 直接檢測測試

直接檢測就是直接對被測物進行檢測。被測物為ε=3.5的有機玻璃，成像算法為Landweber算法，其實驗效果如圖5，圖6。

圖5 單被測物成像效果

圖6 雙被測物成像效果

圖5和圖6都是系統直接對被測物進行測量，從重建出來的圖像可知，系統具有較高的圖像分辨率和抗噪聲性能。

3.2 透射能力測試

透射能力檢測就是在電極板上蓋上一層4 mm厚的非金屬材料板，然后再用它來檢測被測物，被測物也為ε=3.5的有機玻璃，成像算法為Landweber算法。其實驗效果如圖7、圖8。

圖7 單被測物成像效果

圖8 雙被測物成像效果

從圖7和圖8中可以看出，系統能夠穿透4 mm的非金屬板去檢測有機玻璃。從而可知，系統具有一定的穿透探傷能力，其性能優良。

4 結 論

陣列電極傳感器系統可應用于復合材料的測試，通過玻璃塊實驗得出系統能夠重建出清晰的物體圖像。在同等條件下，直接物體測試和物體穿透測試得出的圖像清晰度不一樣，后者與前者相比分辨率較低。通過實驗，驗證了采集系統的性能，但是成像速度和精度還有待提高。

[1] 楊乃賓.新一代大型客機復合材料結構[J].航空學報，2008,29(3):596-603.

[2] 王 挺.基于電容敏感機理的飛機復合材料檢測方法研究[D].天津:中國民航大學,2013.

[3] 彭珍瑞,殷 紅,董海棠.電容層析成像技術的研究現狀綜述[J].傳感器與微系統,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,2010.

[5] 朱學明．電容層析成像技術的圖像重建算法研究[D]．天津:天津大學,2004.

[6] 馬 敏,周苗苗,李新建.基于ECT技術的航空發動機尾氣監測系統設計[J].傳感器與微系統,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

國家自然科學基金資助項目(61401466, 61102096); 民航科技資金資助項目(20150220); 中央高校基本科研業務費資助項目(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，主要從事過程參數檢測與信息處理技術方面的研究工作。

劉慧潔(1992-),女，通訊作者,碩士研究生，研究方向為電容層析成像系統算法，E—mail:240017913@qq.com。