基于平面阵列电极传感器的ECT系统设计*

马 敏， 刘慧洁

(中国民航大学 电信与自动化学院，天津 300300)

基于平面阵列电极传感器的ECT系统设计*

马 敏， 刘慧洁

(中国民航大学 电信与自动化学院，天津 300300)

设计了基于平面阵列电极传感器的电容层析成像(ECT)系统。由平面阵列电极传感器ECT系统和计算机成像界面组成，采用电容的边缘效应测量原理，对复合材料的损伤、缺陷进行检测。结果表明：在介电常数ε=3.5的玻璃块材料为被测对象的条件下，得到的ECT图像分辨率高、伪影少。由此表明:该系统是一种简单有效、图像重建效果优良的无损检测(NDT)系统。

平面阵列电极传感器； 电容层析成像(ECT)系统； 复合材料； 无损检测

0 引 言

随着现代科学的进步，复合材料在工业领域和航空航天领域都得到了广泛的应用。该材料重量轻、韧性好以及抗击能力强，这些特点决定了它是一种不可替代的结构材料之一[1]。但是由于环境恶劣和不恰当的使用方法等因素的影响，使得复合材料在使用的过程当中容易出现疲劳损伤、断裂脱层、空隙加大等，因此,必须要对复合材料进行定期的检查和维护，以确保工业生产过程和航空飞行的安全[2]。

为此，一种检测复合材料的技术就变得尤为重要。由于复合材料本身多为非金属材料，当其出现疲劳损伤和断层夹隙时，该材料内部的介电常数就会发生改变。针对这个特点，一种测量复合材料电学特性的无损检测(nondestructive test,NDT)技术值得研究。

电容层析成像(electrical capacitance tomography，ECT)技术是一种非侵入、无辐射、快速响应的过程层析成像技术[3]，经过几十年的发展，该技术在测量介质成像方面具有实时性强、清晰度高等方面的优点。为了监测复合材料的疲劳损伤程度，以便及时进行维修或者更换，本文研究了一种基于平面阵列电极传感器的ECT系统。经过精心的设计和良好的硬件布局，系统获得了良好的检测结果。在检测常规复合材料的时候，能够获得比较清晰的探伤图像，从而使系统的性能得到了验证。

1 阵列电极的结构和测量原理

平面阵列电极传感器就是将方块电极贴在一块底板上而形成的传感器。如图1所示是典型的平面阵列电极传感器，该传感器由16块方形电极块和一块底板组成，电极块贴附在底板上。

传感器的测量原理是基于电容的边缘效应。如图2(a)所示。

图1 平面阵列电极传感器模型

两块电极板之间由于电场分布均匀，所以电场线是平行的，但是在电极边缘就出现电场线呈向外弯曲的形状，电场线在边缘分布密集，这就是所谓的电容边缘效应。图2(b)显示的就是电极的边缘效应现象。

图2 电容边缘效应

根据电容边缘效应可以检测传感器正面的物体和材料，探测它们的疲劳损伤程度。如图3所示。

图3 阵列电极探测物体

图3中，R1和R2分别表示方形电极的半径，S表示两块电极片之间的水平距离，d表示传感器电极板与被测物体之间的距离。

2 ECT采集系统结构

如图4所示，系统由16阵列电极传感器、ECT电容采集系统以及PC界面三部分构成。

图4 阵列电极传感器系统结构

这三部分构成了系统的整体结构。传感器负责采集检测物体的电容信号；ECT采集系统负责转换和处理采集的电容信号，将处理后的数字信号交给PC；PC界面则主要是基于一定的ECT图像重建算法[4]，如LBP算法、Landweber迭代算法[5]，编写电容数据的画图程序，再将探测到的数据转换成探测物体的介质分布信息，解决ECT系统的逆问题[6]。三部分功能如下：

1)电极模块：在电极的贴附板面积固定的情况下，减小电极块之间的距离，电容边缘效应就会加强，但这同时会使电极块面积变小，降低测量响应，因此这是一个矛盾的过程。经过多次的结构和参数优化，本设计采用拥有16电极块的平面电极。

2) ECT采集模块：该模块通过现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的DDS IP核产生电极激励信号，作用于传感器之后，通过电容/电压(C/V)转换电路把电容信号转换为电压信号；为了充分利用模/数(A/D)转换器的量程，利用可编程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)把电压信号进行程序控制放大；最后进行信号的A/D转换，并把转换之后的信号交由FPGA来处理。通过FPGA对采集信号进行数字解调，求解出测量场的电容信息，同时基于USB 2.0通信协议，把信息传送到PC端进行ECT图像重建。

3)PC端软件界面：它是基于VC 6.0软件的界面，通过融入ECT成像算法，用FPGA处理的信号数据重建出检测物的图像。

3 系统测试与结果分析

3.1 直接检测测试

直接检测就是直接对被测物进行检测。被测物为ε=3.5的有机玻璃，成像算法为Landweber算法，其实验效果如图5，图6。

图5 单被测物成像效果

图6 双被测物成像效果

图5和图6都是系统直接对被测物进行测量，从重建出来的图像可知，系统具有较高的图像分辨率和抗噪声性能。

3.2 透射能力测试

透射能力检测就是在电极板上盖上一层4 mm厚的非金属材料板，然后再用它来检测被测物，被测物也为ε=3.5的有机玻璃，成像算法为Landweber算法。其实验效果如图7、图8。

图7 单被测物成像效果

图8 双被测物成像效果

从图7和图8中可以看出，系统能够穿透4 mm的非金属板去检测有机玻璃。从而可知，系统具有一定的穿透探伤能力，其性能优良。

4 结 论

阵列电极传感器系统可应用于复合材料的测试，通过玻璃块实验得出系统能够重建出清晰的物体图像。在同等条件下，直接物体测试和物体穿透测试得出的图像清晰度不一样，后者与前者相比分辨率较低。通过实验，验证了采集系统的性能，但是成像速度和精度还有待提高。

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

[2] 王 挺.基于电容敏感机理的飞机复合材料检测方法研究[D].天津:中国民航大学,2013.

[3] 彭珍瑞,殷 红,董海棠.电容层析成像技术的研究现状综述[J].传感器与微系统,2009,28(9):5-9.

[4] 高宝庆.基于迭代法的电容层析成像图像重建算法[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2010.

[5] 朱学明．电容层析成像技术的图像重建算法研究[D]．天津:天津大学,2004.

[6] 马 敏,周苗苗,李新建.基于ECT技术的航空发动机尾气监测系统设计[J].传感器与微系统,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

国家自然科学基金资助项目(61401466, 61102096); 民航科技资金资助项目(20150220); 中央高校基本科研业务费资助项目(Y15—07)

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0082—02

TP 212

A

1000—9787(2017)02—0082—02

马 敏(1971-)，女，教授，主要从事过程参数检测与信息处理技术方面的研究工作。

刘慧洁(1992-),女，通讯作者,硕士研究生，研究方向为电容层析成像系统算法，E—mail:240017913@qq.com。