平面電容傳感器熱障涂層缺陷檢測系統

代守強，陳棣湘，田武剛，潘孟春，任 遠，周衛紅

（國防科技大學，湖南 長沙 410073）

平面電容傳感器熱障涂層缺陷檢測系統

代守強，陳棣湘，田武剛，潘孟春，任 遠，周衛紅

（國防科技大學，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。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行分析，結合熱障涂層的結構，利用COMSOL有限元仿真軟件對傳感器結構進行優化設計，設計微小電容檢測電路，并通過復導納的方法提取檢測信息，搭建熱障涂層缺陷檢測系統，并對系統的性能進行測試。實驗測試中對3種不同厚度的氧化鋁陶瓷片進行復導納的檢測，通過對檢測結果進行數據分析更易區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；復導納；缺陷檢測

0 引 言

隨著邊緣電場理論的不斷完善與發展，基于邊緣電場原理設計的電容傳感器被應用于工業和生活的各個領域。其中基于叉指結構的電容傳感器被廣泛應用于土壤含水量的檢測[1]、pH值的測量[2]、電解質溶液阻抗的測量[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行檢測，具有單邊滲透，穿透深度和信號強度可調，不損傷待測物的優點。隨著高分子材料和復合材料的發展以及無損檢測的需要，平面電容檢測的方法已經成為復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合式材料，對于提高發動機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電性，使許多利用電導率進行檢測的方法無法達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改變會使自身的介電常數也發生變化，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生。而第1次提出利用平面電容檢測原理進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的研究，認識到集成電磁和電容兩種檢測技術的重要性，但在復合式傳感器研究方面尚未取得突破性進展和實際性成果，研究還局限在實驗室，沒有形成外場原位化在役檢測能力，而在國內并沒有利用平面電容傳感器檢測熱障涂層的先例。

1 熱障涂層的結構

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

圖1 熱障涂層結構體系示意圖

熱障涂層體系中，陶瓷層熔點較高厚度大概在100～400μm的范圍內，是熱障涂層的主要組成部分；粘結層是為了使金屬基底和熔點較高的陶瓷層能很好地粘結在一起而存在的一種粘合劑，由于粘結層的成分含有很多金屬，所以在高溫環境下容易發生氧化，從而在粘結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一步氧化，氧化層的厚度一般在10μm以內[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功能，讓飛機的發動機能在1500℃的溫度下繼續工作，可大大提高發動機的使用效率，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葉片防護材料，并且有很多已被使用在航空航天領域，解決了許多熱防護方面的科學問題。

熱障涂層技術在國外（尤其是美國）已經比較成熟，隨著航空航天技術的發展，我國的熱障涂層技術在現階段也有了較大的進步，熱障涂層也開始應用于發動機燃燒室、噴口、渦輪葉片等地方[10]。

根據熱障涂層的損壞機理[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構如圖2（b）所示，相當于將圖2（a）平行板電容的兩個電極經過旋轉的方式，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構如圖3所示，傳感器由驅動電極、感應電極和保護電極組成。當給驅動電極施加一定的電壓時如圖4（a），由于驅動電極與感應電極之間存在的電勢差，電場線會從驅動電極流向感應電極如圖4（b），當電極下方的檢測物屬性發生變化（厚度的變化或缺陷的出現）時會影響電場線的流向和分布，從而使感應電極上感應的電荷發生變化。通過測量感應電極電壓的變化，就可以間接檢測出檢測物屬性的變化。將這種檢測原理進行理論推導則得到式（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變

圖3 矩形交叉指電極平面電容傳感器結構圖

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，λ為平面電極的空間波長。由式（1）可得式（2）、式（3）、式（4）。式（3）為測得的復電容值即復轉移導納值，式（4）為最后需要分析的復介電常數。

通過對得到的復介電常數進行分析和處理就可進一步判斷出涂層屬性的變化，并對應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驗檢測對象進行仿真。平面電容的結構有很多種，有圓盤型、回字型、圓電極交叉指型、矩形交叉指型等。通過分析各種結構的特點，得到矩形交叉指型電極具有更好的敏感場分布均勻性，且結構有更好的周期性，所以選擇矩形交叉指型的電極結構作為傳感器的電極。仿真時根據參數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。

由于三維仿真的計算量較大，所以對于平面電容傳感器的設計主要采用二維仿真的方法確定傳感器的結構參數，然后再利用三維仿真對設計的平面電容傳感器的結構進行驗證。

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格劃分圖，其中Driven為驅動電極，Sensing為感應電極，Guard為保護電極。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、基底介電常數與檢測電容值大小和靈敏度之間的關系，從而為傳感器的參數設計提供依據。

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系，從圖中可以看出檢測深度與電極的空間波長成正相關的關系，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的關系[13]。

圖6 平面電容傳感器空間波長與檢測深度的關系

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的關系；基底厚度與電容檢測值成負相關的關系但與檢測靈敏度成正相關的關系；而基底相對介電常數則與檢測物的介電常數有關。再進一步對三維的模型進行分析即可得到電極長度和電極極對數對互導電容值的影響，最后可根據檢測材料的尺寸和特點設計使互導電容值盡量大，電容響應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以后可以通過三維仿真的方法對二維的參數進行確認，并且可以得到電極間的串擾關系，為制作合適的平面電容傳感器提供數據支撐。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驗對象進行更加真實的模擬，并與實驗的測試結果形成對比，從而驗證檢測系統的可行性。

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構進行分析，確定待檢測熱障涂層結構的厚度，從而確定平面傳感器的空間波長。其他參數如電極寬度、電極厚度、基板的厚度、基板的介電常數、電極的長度、電極的極對數，都可以使用仿真方法進行確定，最后根據實際檢測情況和需要確定一組比較合理的參數進行傳感器的設計與制備。

通過分析可知檢測的陶瓷層厚度約為300～400μm，介電常數約為12。故根據仿真數據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為設計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電極，并在外側設計了一對保護電極，減小邊緣環境的干擾。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

圖8 剛性平面電容傳感器實物圖

圖9 柔性平面電容傳感器實物圖

根據仿真結果設計合適的平面電容傳感器，利用現有的實驗條件對試件進行測試。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進行實驗驗證，柔性的傳感器則能更好的與不規則的涂層結構進行貼合，從而達到檢測熱障涂層厚度缺陷的目的。圖10為系統的檢測原理圖。

圖10 系統檢測原理圖

通過交流電壓激勵平面電容傳感器的驅動電極，這時傳感器的感應電極將產生感應電壓，將感應電壓與激勵電壓進行比對即可得到復轉移導納，結合仿真模型對復轉移導納進行分析就可得到樣品的厚度等參數信息。

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，輸入為感應電極的電壓信號，經過濾波放大后得到采樣的模擬信號，最后經過整周期數字鎖相放大[14]即可得到式（5）中的幅值A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，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行檢測，并將其與仿真結果進行比較，結果如表1、表2所示。通過分析表中的結果可知，平面電容傳感器的空載電容值與電極的空間波長有關，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 剛性傳感器空載時仿真電容值與實測電容值

表2 柔性傳感器空載時仿真電容值與實測電容值

4.2 實驗驗證

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行實驗測試。基于3 mm空間波長的平面電容傳感器測試系統的測試結果見表3，其中相角和幅值是采樣后通過上位機得到的，實測電容值和電阻值是通過式（6）和式（7）利用Matlab程序計算得到的。計算時激勵電壓的峰峰值取0.976 V。

表3 檢測系統實驗測試結果

如表中所示，仿真時涂層的介電常數取氧化鋁的平均介電常數約為9.0，厚度則分別取380，500，600μm，與實驗樣品的加工工藝有關。通過對比可以得到檢測厚度與檢測幅值和相角的關系，通過進一步分析和融合即可通過測幅值和相角的方法得到實驗樣品厚度的變化，從而檢測出由熱障涂層的厚度變化引起的缺陷。

5 結束語

綜上所述，通過將仿真結果和實驗測試結果進行對比，發現基于平面電容傳感器的缺陷檢測系統在一定程度上可以對熱障涂層的厚度變化引起的缺陷進行檢測，但是在實驗測試對象的真實度（和真實的熱障涂層樣品之間的差距）以及數據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，算法和數據分析方面做進一步的研究，提取出熱障涂層更多的缺陷信息。

[1]SULAIMAN S，MANUT A.Design fabrication and testing of fringing electric field soil moisture sensor for wireless precision agriculture applications[C]∥Conference of Information and Multimedia Technology.IEEE，2009：513-516.

[2]MANUT A，ZOOLFAKAR A S，RANI R A，et al. Mechanical parameters characterization ofplanarFEF fingersforpH sensor[C]∥Conference ofElectronic Devices，Systems and Applications.IEEE，2011：191-194.

[3]胥善治，王鵬，董永貴.平面叉指電極溶液阻抗的低頻三角波測量[J].儀器儀表學報，2016，37（2）：387-394.

[4]徐成林.基于邊緣電場傳感器的介電測量方法和系統研究[D].合肥：合肥工業大學，2013.

[5]游晶.熱障涂層損傷聲發射信號源的反演分析[D].湘潭：湘潭大學，2014.

[6]CAO X Q，VASSEN R，STOEVER D.Ceramic materials for thermal barrier coatings[J].Journal of the European Ceramic Society，2004，24（1）：1-10.

[7]曹學強.熱障涂層材料[M].北京：科學出版社，2007：53-59.

[8]PADTURE N P，GELL M，JORDAN E H.Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications[J]. Science，2002，296（5566）：280-284.

[9]ALEXANDR L.Investigations of thermal barrier coatings for turbine parts[C]∥Ceramic Coatings-Applications in Engineering，2012：286.

[10]楊玉娥.熱障涂層結構性能及健康狀況微波無損檢測方法研究[D].北京：北京工業大學，2013.

[11]劉奇星.熱障涂層渦輪葉片失效的有限元模擬[D].湘潭：湘潭大學，2012.

[12]MAMISHEV V，ALEXANDER V.Interdigital dielectrom etry sensor design and parameter estimation algorithms for non-destructive materials evaluation[D].Boston：Massachusetts Institute of Technology，1999.

[13]KIM C，LI G，LI J，et al.Numerical analysis on effective electric field penetration depth for interdigital impedance sensor[J].Journal of Physics，2013，418（1）：2020.

[14]胡恒江.平面陣列式電磁傳感器轉移阻抗測量技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2013.

（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

國家自然科學基金（61171134）高等學校博士學科點專項科研基金（20134307120016）

代守強（1991-），男，湖北襄陽市人，碩士研究生，專業方向為電磁檢測及應用。