基于CIDT的非金屬材料缺陷檢測傳感器設計

鞠梓宸 叢雪明 韓瑋 彭勝利

摘 要：本文針對非金屬材料開放式缺陷和隱藏式缺陷檢測的難點，設計一種基于CIDT的新型電容成像檢測傳感器，新型傳感器既能增加檢測信號的強度，又能增加電極對間準靜態邊緣電場的檢測深度，達到同時檢測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傳感器的二維仿真模型，仿真得出的電勢圖初步驗證新型電容成像檢測傳感器同時檢測開放式缺陷與隱藏式缺陷的可行性。

關鍵詞： CIDT; 傳感器; 開放式缺陷; 隱藏式缺陷

1 ?引 ?言

電容成像檢測技術（capacitance imaging detection technology， CIDT）是一種新型無損檢測技術，與傳統的無損檢測技術相比，具有安全環保、廉價、非接觸式和非侵入式等特點;CIDT既能檢測金屬表面缺陷，又能檢測非金屬材料表面缺陷和內部缺陷，目前已廣泛應用到玻璃鋼管道、有機玻璃板、金屬防腐管道、陶瓷裝甲等檢測。CIDT檢測非金屬材料缺陷的基本原理為：共面電極對產生的準靜態邊緣電場經過空氣層到達被測試件，并在被測試件中形成一個特定的檢測體積;如果被測試件中的缺陷在特定的檢測體積內，就會擾動整個電場，改變檢測極板上的電荷數，從而達到檢測缺陷的目的[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計

電容成像檢測傳感器的設計是CIDT的關鍵，合理的設計使得CIDT能對非金屬材料內部多個不同深度的缺陷進行檢測，缺陷即使是隱藏在非金屬材料的內部也能檢測。設計的新型電容成像檢測傳感器，它由圓形銅電極、屏蔽銅電極和FR4板構成。新型電容成像檢測傳感器激勵電極與檢測電極的形狀都是圓形，增加了新型電容成像傳感器的檢測信號強度;這種新型傳感器的電場分布比以往的傳感器更發散，使得這種新型電容檢測傳感器的檢測深度更大，達到檢測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傳感器含有優化后的屏蔽電極，既可用于增加傳感器的檢測深度，又可屏蔽外部雜散電容，使得此傳感器的信噪比（SNR）優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傳感器包含一個激勵電極和一個檢測電極，其檢測電容值的動態變化范圍一般較大，且都在皮法級以上，故可以省略檢測傳感器軸向的邊緣效應，采用簡化的二維模型仿真分析。本文仿真分析采用有機玻璃試件作為被測試件，有機玻璃的相對介電常數為4.5。圖1中有機玻璃的尺寸為210mm×20mm，圖1（a）為有四個開放式缺陷的有機玻璃試件，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）為有四個隱藏式缺陷的有機玻璃試件，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傳感器線掃描隱藏式缺陷的仿真模型。新型電容成像檢測傳感器距離有機玻璃試件的提離高度為2mm，線掃描的長度范圍為-85mm到85mm，線掃描的步長為1mm，采用1mm的掃描步長既能達到預定的檢測目的，又能在現有計算機配置的前提下節約求解時間。二維仿真模型中，有機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檢測電容值的干擾，提高激勵電極與檢測電極間電容值的檢測精度;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為懸浮電位，用于模擬無限遠處的電位分布，最大限度減小外部環境對檢測結果的影響[3]。

2.3 ?仿真結果

軟件仿真求解后的結果如圖3所示，圖3（a）為新型電容成像檢測傳感器檢測17mm深開放式缺陷的電勢圖，圖3（b）為新型電容成像檢測傳感器檢測15mm深隱藏式缺陷的電勢圖。由于電場線垂直與等勢線，可知新型電容成像檢測傳感器產生的電場線能穿過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，等勢線在檢測傳感器的附近較密，在遠離傳感器的地方較疏，這與理論上電場線的分布規律一樣，從而驗證仿真模型的正確性以及新型電容傳感器檢測開放式缺陷與隱藏式缺陷的可行性。

3 ?結論

以非金屬材料中的有機玻璃為被測試件，設計一種基于CIDT的新型電容成像檢測傳感器，新型傳感器既能增加檢測信號的強度，又能增加電極對間準靜態邊緣電場的檢測深度，達到同時檢測非金屬材料開放式缺陷與隱藏式缺陷的目的，解決無法同時檢測非金屬材料開放式缺陷與隱藏式缺陷的難點。

運用COMSOL軟件對新型電容成像檢測傳感器進行二維仿真分析，檢測有機玻璃四個深度不同的開放式缺陷和四個深度不同的隱藏式缺陷，得到的電勢圖驗證了新型電容成像檢測傳感器同時檢測開放式缺陷和隱藏式缺陷的可行性。

參考文獻：

[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].電子測量技術，2017，40（09）：1-5.

[2]侯亞賓，卜雄洙，孫斌.微小電容檢測系統的設計及應用[J].國外電子測量技術，2015，34（12）：87-90.

[3]張小勇，陳穎鳴，郭禹姬.基于電容檢測芯片的電容檢測系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（06）：35-37.