一种电容传感器金属材料表面缺陷检测方法*

康宜华， 叶志坚， 孙燕华, 李冬林

(华中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

一种电容传感器金属材料表面缺陷检测方法*

康宜华， 叶志坚， 孙燕华, 李冬林

(华中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

基于电容传感器原理，实现了一种简单有效的金属材料表面缺陷检测方法。首先介绍了电容传感器的工作原理，描述了单电极传感器用于检测金属材料表面缺陷时的基本方法，并给出了相应的电路模型。设计了系列实验验证该检测方法的可行性。实验结果表明：电容传感器对金属材料表面缺陷较敏感，通过单片集成电场成像集成器件MC33794能够快速简单实现该检测方法，为金属材料表面缺陷(如腐蚀)提供了一种快速、便捷、有效的检测方法。

电容传感器； 金属材料； 共面电容； 电场； 腐蚀

0 引 言

电容成像技术作为一种比较成熟的无损检测方法[1～3]，已经广泛用于触摸屏设计[4,5]和电容层析成像[6,7]，也有人开始利用这种技术进行金属材料腐蚀缺陷的检测[8,9]，但该检测方法的实施一般需要配套比较昂贵的设备(如信号发生器、电荷放大器、锁相放大器等)[1～3,8,9]，严重制约了该技术的推广。

针对金属构件表面缺陷，本文提出一种单电极模式电容传感器检测方法，分析了电容传感器用于金属材料腐蚀缺陷检测基本工作原理，采用电场成像集成器件MC33794[10]作为检测工具，通过系列实验证实了该检测方法的可行性。

1 检测原理与电路模型

1.1 单电极电容传感器检测原理

如图1所示为单电极电容传感器金属材料缺陷检测原理图。由于金属材料的高导电性，驱动电极产生的电场不能渗透到工件内部，而是终止于工件表面。电场的作用让电荷定向移动并聚集到工件表面，整个工件导体时等势体，工件表面为等势面。因此,只有金属工件表面特征(如腐蚀、裂缝等)会引起电场扰动，改变电容传感器极板电荷量，最终影响电容传感器电容量的大小，图1中可以看到，电场线起始于驱动电极，终止于工件表面。

1.2 等效电路模型

单电极驱动时，在电容传感器产生电场作用区域内，被检测金属工件整个表面形成等势面。由于导体工件不是无限大，工件接地或悬空时，该等势面势必会影响电容传感器的电容量，从而影响检测信号的大小和信噪比。

图2为导体工件接地时检测示意图和相应电路模型，此时驱动电极和工件表面分别构成电容器的两个电极，其电容大小为Cdg，电场线起始于驱动电极，终止于金属工件表面，由于工件接地，所以,该模式下存在屏蔽效应。工件表面缺陷的存在，会影响两极板等效距离和等效截面积的变化，从而影响Cdg的大小。图3为导体工件悬浮时检测示意图与相应电路模型，其中Cdm为驱动电极与导体工件之间的电容，Cmg为工件与虚拟地之间杂散电容。对比两种电路模型，工件悬浮时的屏蔽效应，可以看成是金属工件表面通过杂散电容Cmg耦合到虚拟地间接实现的，但该杂散电容Cmg在实际检测中不稳定，很难测量。后文针对两种电路模型分别开展了实验，并进行了分析。

图1 金属材料表面缺陷单电极电容传感器检测原理Fig 1 Surface defect detection principle for metal material based on single-electrode capacitive sensor

图2 工件接地时检测示意图与相应电路模型Fig 2 Inspection schematic diagram and corresponding circuit model when specimen is grounded

图3 工件悬浮时检测示意图与相应电路模型Fig 3 Inspection schematic diagram and corresponding circuit model when specimen is floating

2 检测系统

检测系统如图4所示。采用带有表面缺陷的铝板作为被检测工件，缺陷通过电火花加工而成以模拟腐蚀缺陷。MC33794接成单电极模式[10]，将传感器电容值转换为相应的电压值，该模拟量通过意法半导体公司MCU(STM32F103ZET6)进行A/D转换，并通过RS—232接口上传到上位机采集软件进行采集和显示。

图4 电容传感器金属材料表面缺陷检测系统Fig 4 Surface defect inspection system of metal material utilizing capacitive sensor

实验中用到的铝板工件含有4个不同直径(5,10,15,20 mm)的通孔，具体尺寸如图5所示。

图5 带缺陷铝板工件Fig 5 Aluminum plate specimen with crack

实验的探头通过印刷电路板(PCB)制作而成，采用屏蔽驱动模式[10]，探头尺寸与实物如图6所示。

图6 屏蔽驱动探头Fig 6 Shield driving probe

其中,底面直径为10 mm的电极为检测电极，以拾取金属工件表面缺陷变化，正面直径10.6 mm的电极为屏蔽驱动电极，该电极在任何时候都与驱动电极电位保持一致，增加激励电场朝工件表面的指向性，以提高检测灵敏度。

3 实验结果

实验过程中，探头(电极)表面在检测过程中始终保持与工件表面0.5 mm提离，对每个缺陷扫查6次。分别针对被检工件悬浮和接地时，提取传感器探头扫查不同直径缺陷时的信号，检测结果如图7和图8所示。

图7 工件悬浮时不同直径(5，10，15，20 mm)通孔检测信号Fig 7 Inspection signal of through holes of diameter 5,10,15, 20 mm while specimen is floating

图8 工件接地时不同直径(5,10,15,20 mm)通孔检测信号Fig 8 Inspection signal of through holes of diameter 5,10,15, 20 mm while specimen is grounded

提取图7、图8中信号的峰峰值，并做平均处理，得到工件接地和悬浮(不接地)时，不同缺陷直径，信号峰峰值的大小，如图9所示。

图9 工件接地和悬浮(不接地)时信号峰峰值平均值对比Fig 9 Comparison of average value of signal peak-to-peak value while specimen is grounded and floating

由图9可以看出:随着缺陷直径变大，信号峰峰值逐渐变大。由于铝板工件表面充当电容传感器其中一个电极，当工件表面存在缺陷时，电容传感器的等效面积和等效极板距离发生改变，导致电容量发生变化，缺陷越大，电容量变化越大，所以信号也越大。同时还可以看到，15 mm通孔信号与20 mm通孔信号的变化差距不是很大。由于驱动电极的直径为10 mm，当缺陷尺寸超过驱动电极尺寸较多时，该缺陷的尺寸范围会远离传感器的灵敏度范围，导致即使缺陷尺寸变化较大，但信号变化不是很明显。

对比图7、图8、图9可以看到，工件接地时信噪比明显优于工件悬浮状态。引起这种现象的原因是多方面的，可能是附件存在一个接地导体的干扰，也可能是操作人员手或者身体的靠近。此外，悬浮导体有时可以看成一个天线，使得测量信号很容易受外部电场的干扰。所以，为了获得最佳的检测结果，被检工件应接地。

4 结 论

本文提出了一种单电极电容传感器金属材料表面缺陷检测方法，并进行了理论分析和实验验证。传统电容传感器广泛用于非导电材料的检测，通过本文论证，电容传感器同样适用于金属材料的检测，且只检测表面缺陷。从实验结果看出：为得到较好信噪比，工件需接地，探头尺寸应和缺陷尺寸相当。该检测方法操作简单，有较大应用前景。

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A surface defect detection method for metal material using capacitive sensor*

KANG Yi-hua， YE Zhi-jian， SUN Yan-hua， LI Dong-lin

(State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment & Technology, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Propose a simple and effective surface defect detection method for metal material,based on principle of capacitive sensor.Working principle of capacitive sensor is introduced,basic method surface defect detecting of metal material,utilizing single electrode sensor is described and the corresponding circuit model is provided.A series of experiments are designed to verify the feasibility of this method.The experimental results show that capacitive sensor is sensitive to surface defect of metal material,the detection method can be quickly and easily implemented through monolithic integrated electric field imaging integrated device MC33794,which provides a quick,convenient and effective detection method for surface defects(such as corrosion)for metal material.

capacitive sensor; metal material; coplanar capacitor; electric field; corrosion

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0127—03

2014—04—18

国家自然科学基金资助项目(51105158,51275193)；国家“973”计划资助项目(2014CB046706)；湖北省自然科学基金资助项目(2012FFB0063)

TG 115

A

1000—9787(2014)12—0127—03

康宜华(1965-)，男，江苏海安人，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向为无损检测新技术等。