基于ECT的飞机复合材料检测方法研究

马　敏，吴海超

(中国民航大学航空自动化学院，天津　300300)

0　引言

随着航空技术和材料科学的发展，各类新型、先进的复合材料在民用飞机中得到越来越广泛的应用，使得飞机重量明显降低，提高了飞机性能。例如，波音777的垂尾、平尾、后气密框和客舱地板梁等均使用了复合材料，占结构总质量的11%[1-2]。在役复合材料制件在使用过程中容易产生疲劳损伤和环境损伤，因此，有必要对飞机复合材料进行损伤、缺陷检测，保证飞行安全。

由于非金属复合材料本身具有电学特性，发生疲劳或环境损伤时，其电特性也发生相应变化。因此，可利用基于电容敏感机理的电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技术实现在线监测[3-4]。

ECT通过测量物场边界电容值反推物场内部物质分布情况，是一种无辐射、可视化、实时性高(可达1 500幅/s)、可靠性强的无损检测技术，目前多用于气/固、油/气等两相流体的检测，如密相煤粉灰气力输送过程检测[3]等。该类应用多选用环形电极阵列。而复合材料的检测主要以平面电极为主，为此，文中设计了基于平面电极传感器的数据采集系统。

如图1所示，该ECT系统主要由三部分组成：平面阵列电容传感器、数据采集单元及图像重建与分析显示单元[4]。

图1ECT系统结构图

1　系统总体方案

基于ECT的飞机复合材料检测系统总体设计框图如图2所示。

图2　ECT系统总体设计框图

该系统采用Spartan-6系列XC6SLX16-2CSG324 FPGA芯片作为核心处理器。用于控制12 bit高速模数转换器AD9224直接对C/V转换电路输出Vo(t)进行采样，并将A/D转换后的信号存储到DDR2中[5]。同时实现存储数据的滤波与相敏解调，以DMA的方式将处理后的数据通过PCI总线传送给上位机以完成图像重建[6]。

2　数据采集系统设计

数据采集系统主要由A/D转换、信号处理和PCI总线数据传输3个部分组成。

2．1模数信号转换设计

经过预处理的信号送入A/D模块进行转换，将采集到的模拟信号转化为数字信号送往后级的信号处理模块。由于ECT系统采集到的信号微弱，因此，A/D转换电路的精度将直接影响成像效果。该系统采用高速芯片AD9224。AD9224具有12位的位宽、40MSPS的转换速率[7]。支持直流或交流耦合的单端或差分输入。文中所采用的系统的激励频率为500 kHz，采用串行方式采集数据。因此，选用交流耦合单端输入方式。

2．2数据处理模块设计

为实现对数据的快速存储，该系统使用了128 Mbit的DDR2 SDRAM芯片。它有8 M的数据容量、16位的数据总线及8个Banks。

图3给出了DDR2存储器工作时，状态机的转换结构图。系统初始化完成以后，状态机进入IDLE状态。然后根据不同的请求指令，状态机转换到相应的状态，并将指令发送至DDR2存储芯片，同时触发计数器开始计数。满足规定时间间隔后，控制器可再次接受新的指令并根据请求转换为相应的工作状态，同时计数器置零，开始新的计数。

图3　DDR2控制器状态机

2．3数据传输模块设计

PCI总线接口开发技术的实现有2种方式：一是使用专用的PCI接口芯片；二是采用可编程逻辑器件来实现PCI接口。该系统利用专用PCI接口芯片PCI9054实现数据传输，将复杂的PCI总线接口转换为简单的I/O接口，虽然只用到了部分PCI接口功能，但可以缩短系统开发周期，并提高系统的可扩展性[8]。

在数据流传输方面，该板卡采用存储器空间，用DMA方式进行数据高速传输。主机或FPGA只需发出DMA开始信号后，即可由PCI9054完成DMA的所有操作。可见，DMA 操作大幅度减轻了主机端CPU的负担[9]。

3　软件算法设计

3．1数字相敏解调算法研究

数字解调是将高速A/D采集得到的数据预先存储在数字处理器中，然后利用相应的数字计算方法获得被测信号的幅值和相位信息。常用的数字计算方法有快速傅立叶变换(FFT)算法和正交序列解调算法[10]。正交算法如下：

设被测信号s(n)、正交参考信号q(n)、同相参考信号r(n)分别为

(1)

式中：θ为被测物体引起的相角；N为每个周期的采样点数。

同相分量R为

(2)

正交分量I为

(3)

由式(2)、式(3)即可解出A和θ。

数字正交解调的好处是预先将计算好的参考信号储存在处理器内，解调过程中只需查表就可得到离散的参考值。这种做法速度快，同时为PGA参数的选定提供了方便。但是对A/D转换电路的速率及CPU的计算处理能力要求较高。

3．2PGA处理算法研究

ECT系统的测量信号微弱，为了提高成像质量，除了必要的屏蔽以及降噪措施外，如何放大信号，充分利用A/D转换芯片的量程也至关重要。传统的环形电极阵列每个电极之间测量信号的大小是可以预测的。而平面电极阵列传感器，检测部位不同产生的每个电极对之间的信号强弱差距很大。这就为PGA增益倍数的选定带来了很大的难度。

为解决以上问题，文中设计了一种自适应的方法。首先采集空场的信号，通过相敏解调得到120个幅值进行存储。在测量物体时，统一设定各路信号PGA增益为2 dB．对采集到的物场信号进行相敏解调，得出的120个幅值与空场值相减，分析120个差值，并按照表1进行PGA增益的设定。

表1　可编程增益放大器增益的选择表

4　系统测试结果分析

4．1PGA处理算法测试结果

文中讲述到，若直接将检测到的电容值送给A/D转换电路，则无法充分利用A/D芯片的量程。图4、图5给出了16电极的平面阵列传感器，选取第1电极和第7电极分别作为激励电极时，各电极测量得到的电容值以及经过程控放大后的电容值。

图4　第一电极

图5　第七电极

从图中可以明显看出，经过程控放大后的电容值变化范围较小。在图7中，放大前电容最大值和最小值之间相差18.46倍，放大后仅相差1.73倍；而在图8中，放大前后电容最大值和最小值之间分别相差14.33倍和1.8倍。由此可见，经过放大的信号更能充分利用A/D的量程。

4．2实验结果

实验条件：该系统采用4×4的正方形排列的16电极传感器，平面材料为有机玻璃，平面长、宽为12 cm×12 cm，平面电极阵列传感器的电极尺寸为2 cm×2 cm，电极间距为0.5 cm．检测对象为正方体玻璃，分别放置在传感器的四周和中央，其几何尺寸为高2 cm、底面长、宽2 cm，介电常数为4.9。图6、图7、图8分别显示了当有机玻璃放置在传感器中间时的空场实测、物场实测和差值实测曲线。

图6　空场曲线

图7　物场曲线

图8　差值曲线

中间上下左右图像重建采用共轭梯度算法[11]，重建图像如图9所示。

(a)中间

(b)上下

(c)左右

5　结束语

实验表明，该系统满足电容层析成像系统实时性的要求，在保持一定的采集精度基础上，明显提高了数据传输速率。该系统快速的数据吞吐率和较高采集精度，为ECT技术在航空复合材料检测设备的应用提供了空间。

参考文献：

[1]MARTIN M D，ORMAETXEA M，HARISMENDY I，et al．Cure Chemo-rheology of mixtures based on epoxy resins and ester cyanates．European Polymer Journal，1999，35(1)：57-68．

[2]杨乃宾．新一代大型客机复合材料结构．航空学报，2008，29(3)：596-603．

[3]孙猛，刘石．利用ECT对稀疏气固两相流动进行浓度测量．锅炉技术，2010(6)．

[4]张立峰．电容层析成像系统的设计及应用研究：[学位论文]．天津：天津大学，2003．

[5]崔自强．双模态电学层析成像技术研究：[学位论文]．天津：天津大学，2009．

[6]BOLTON G T，KORCHINSKY W J，WATERFALL R C．Calibration of Capacitance Tomography System for Liquid-liquid Dispersions．Meas Sci Technol，1998，9(11)：1797-1800．

[7]Complete 12-Bit，40 MSPS Monolithic A/D Converter．1999．

[8]朱惠静．PC19054及其在高速数据采集系统中的应用，国外电子测量技术，2008，(2)：2-6．

[9]吴建．基于FPGA的PCI数据采集卡的研究与开发：[学位论文]．长沙：中南大学．2007．

[10]YANG W Q．Hardware Design of Electrical Capacitance Tomography Systems．Measurement Science and Technology，1996，7(3)：225-232．

[11]王化祥，朱学明，张立峰．用于电容层析成像技术的共轭梯度算法．天津大学学报，2005，38(1)：1-4．