平面电容传感器热障涂层缺陷检测系统

代守强，陈棣湘，田武刚，潘孟春，任 远，周卫红

（国防科技大学，湖南 长沙 410073）

平面电容传感器热障涂层缺陷检测系统

代守强，陈棣湘，田武刚，潘孟春，任 远，周卫红

（国防科技大学，湖南 长沙 410073）

为有效检测热障涂层的缺陷，研究基于平面电容传感器的缺陷检测系统。该文对用于热障涂层缺陷检测的平面电容传感器的工作原理进行分析，结合热障涂层的结构，利用COMSOL有限元仿真软件对传感器结构进行优化设计，设计微小电容检测电路，并通过复导纳的方法提取检测信息，搭建热障涂层缺陷检测系统，并对系统的性能进行测试。实验测试中对3种不同厚度的氧化铝陶瓷片进行复导纳的检测，通过对检测结果进行数据分析更易区分不同厚度的陶瓷片，即基于平面电容传感器的缺陷检测系统可以有效检测出热障涂层的厚度变化缺陷。

平面电容；热障涂层；复导纳；缺陷检测

0 引 言

随着边缘电场理论的不断完善与发展，基于边缘电场原理设计的电容传感器被应用于工业和生活的各个领域。其中基于叉指结构的电容传感器被广泛应用于土壤含水量的检测[1]、pH值的测量[2]、电解质溶液阻抗的测量[3]、电缆绝缘层的测量[4]。平面电容传感器的电极均位于同一平面，利用电场线穿透待测物进行检测，具有单边渗透，穿透深度和信号强度可调，不损伤待测物的优点。随着高分子材料和复合材料的发展以及无损检测的需要，平面电容检测的方法已经成为复合材料和多层非金属材料缺陷损伤检测的重要途径之一。热障涂层作为一种多层非金属的复合式材料，对于提高发动机的温度起到了巨大的作用，但是由于热障涂层陶瓷层的非导电性，使许多利用电导率进行检测的方法无法达到检测涂层厚度和缺陷的目的。而涂层的厚度变化和缺陷的出现改变会使自身的介电常数也发生变化，所以通过测涂层电容的方法可以检测涂层厚度的变化和缺陷的产生。而第1次提出利用平面电容检测原理进行热障涂层缺陷检测的是美国JENTEK公司的研究员，他率先开展了基于平面式电磁传感器和电容传感器的热障涂层检测技术的研究，认识到集成电磁和电容两种检测技术的重要性，但在复合式传感器研究方面尚未取得突破性进展和实际性成果，研究还局限在实验室，没有形成外场原位化在役检测能力，而在国内并没有利用平面电容传感器检测热障涂层的先例。

1 热障涂层的结构

如图1[5]所示，是热障涂层最典型的一种结构图。典型的热障涂层包含了4层材料[6-7]：陶瓷层、氧化层、粘结层、高温镍基合金基底。

图1 热障涂层结构体系示意图

热障涂层体系中，陶瓷层熔点较高厚度大概在100～400μm的范围内，是热障涂层的主要组成部分；粘结层是为了使金属基底和熔点较高的陶瓷层能很好地粘结在一起而存在的一种粘合剂，由于粘结层的成分含有很多金属，所以在高温环境下容易发生氧化，从而在粘结层和陶瓷层之间形成一层致密的氧化物，能阻止高温金属材料被进一步氧化，氧化层的厚度一般在10μm以内[8]，而且氧化层的外形和它的厚度对热障涂层体系的工作寿命有着比较大的影响[9]。由于热障涂层有着比较突出的防护功能，让飞机的发动机能在1500℃的温度下继续工作，可大大提高发动机的使用效率，且成本比研究更耐高温的合金材料低很多。因此，热障涂层是一类很有潜力的飞机叶片防护材料，并且有很多已被使用在航空航天领域，解决了许多热防护方面的科学问题。

热障涂层技术在国外（尤其是美国）已经比较成熟，随着航空航天技术的发展，我国的热障涂层技术在现阶段也有了较大的进步，热障涂层也开始应用于发动机燃烧室、喷口、涡轮叶片等地方[10]。

根据热障涂层的损坏机理[11]，厚度的变化将在很大程度上改变热障涂层的性能，从而导致涂层失效，所以本文主要将涂层的缺陷检测放在对涂层的厚度检测方面。由于氧化层的厚度太薄，只对热障涂层的整体厚度及陶瓷层的厚度缺陷进行研究与检测。

2 平面电容传感器的检测原理

平面电容传感器的结构如图2（b）所示，相当于将图2（a）平行板电容的两个电极经过旋转的方式，使两个电极位于同一平面上。矩形交叉指型平面电容传感器的结构如图3所示，传感器由驱动电极、感应电极和保护电极组成。当给驱动电极施加一定的电压时如图4（a），由于驱动电极与感应电极之间存在的电势差，电场线会从驱动电极流向感应电极如图4（b），当电极下方的检测物属性发生变化（厚度的变化或缺陷的出现）时会影响电场线的流向和分布，从而使感应电极上感应的电荷发生变化。通过测量感应电极电压的变化，就可以间接检测出检测物属性的变化。将这种检测原理进行理论推导则得到式（1）[12]，电势随检测深度变化的分布情况。

图2 平行板电容到平面电容的转变

图3 矩形交叉指电极平面电容传感器结构图

图4 矩形叉指电极平面电容传感器工作原理示意图

其中Φ为电势，kn=2πn/λ为每种模式下的波数，λ为平面电极的空间波长。由式（1）可得式（2）、式（3）、式（4）。式（3）为测得的复电容值即复转移导纳值，式（4）为最后需要分析的复介电常数。

通过对得到的复介电常数进行分析和处理就可进一步判断出涂层属性的变化，并对应得到涂层厚度的变化和涂层的损伤情况。

3 仿真分析与传感器制备

利用COMSOL有限元仿真软件对实验检测对象进行仿真。平面电容的结构有很多种，有圆盘型、回字型、圆电极交叉指型、矩形交叉指型等。通过分析各种结构的特点，得到矩形交叉指型电极具有更好的敏感场分布均匀性，且结构有更好的周期性，所以选择矩形交叉指型的电极结构作为传感器的电极。仿真时根据参数的分布情况分别采用二维仿真模型和三维仿真模型的方法。

由于三维仿真的计算量较大，所以对于平面电容传感器的设计主要采用二维仿真的方法确定传感器的结构参数，然后再利用三维仿真对设计的平面电容传感器的结构进行验证。

3.1 二维仿真

如图5所示，是平面电容传感器的二维半波长模型的网格划分图，其中Driven为驱动电极，Sensing为感应电极，Guard为保护电极。通过二维半波长模型可以得到电极宽度、电极厚度、电极长度、基底厚度、基底介电常数与检测电容值大小和灵敏度之间的关系，从而为传感器的参数设计提供依据。

图5 二维仿真的半波长模型

图6反映的是检测深度与空间波长之间的关系，从图中可以看出检测深度与电极的空间波长成正相关的关系，且检测深度约为电极空间波长的1/3，即h=λ/3。满足检测深度为空间波长的1/4到1/3的关系[13]。

图6 平面电容传感器空间波长与检测深度的关系

通过二维仿真可以得到电极宽度和电极厚度均与电容检测值和检测灵敏度成正相关的关系；基底厚度与电容检测值成负相关的关系但与检测灵敏度成正相关的关系；而基底相对介电常数则与检测物的介电常数有关。再进一步对三维的模型进行分析即可得到电极长度和电极极对数对互导电容值的影响，最后可根据检测材料的尺寸和特点设计使互导电容值尽量大，电容响应灵敏度高的平面电容传感器。

3.2 三维仿真

二维仿真确定了主要的参数以后可以通过三维仿真的方法对二维的参数进行确认，并且可以得到电极间的串扰关系，为制作合适的平面电容传感器提供数据支撑。图7为三维仿真示意图。

图7 平面电容传感器三维仿真电势分布图

通过三维仿真可以对实验对象进行更加真实的模拟，并与实验的测试结果形成对比，从而验证检测系统的可行性。

3.3 传感器制备

需检测的热障涂层样品的厚度决定了空间波长的选择。所以需要对热障涂层的结构进行分析，确定待检测热障涂层结构的厚度，从而确定平面传感器的空间波长。其他参数如电极宽度、电极厚度、基板的厚度、基板的介电常数、电极的长度、电极的极对数，都可以使用仿真方法进行确定，最后根据实际检测情况和需要确定一组比较合理的参数进行传感器的设计与制备。

通过分析可知检测的陶瓷层厚度约为300～400μm，介电常数约为12。故根据仿真数据和检测理论制备了空间波长分别为2，3，4mm的平面电容传感器。如图8为设计制备的刚性平面电容传感器，图9为柔性平面电容传感器。

传感器正面为激励电极和感应电极，并在外侧设计了一对保护电极，减小边缘环境的干扰。背面则覆了一层很薄的铜层，同样起到屏蔽的作用。

4 检测系统

图8 刚性平面电容传感器实物图

图9 柔性平面电容传感器实物图

根据仿真结果设计合适的平面电容传感器，利用现有的实验条件对试件进行测试。制备的传感器分为刚性和柔性两种，刚性的由于形状固定可以更好的对各种参数进行实验验证，柔性的传感器则能更好的与不规则的涂层结构进行贴合，从而达到检测热障涂层厚度缺陷的目的。图10为系统的检测原理图。

图10 系统检测原理图

通过交流电压激励平面电容传感器的驱动电极，这时传感器的感应电极将产生感应电压，将感应电压与激励电压进行比对即可得到复转移导纳，结合仿真模型对复转移导纳进行分析就可得到样品的厚度等参数信息。

如图11所示为平面电容传感器的等效电路图，平面电容传感器的检测可以简化为测电阻R12和电容C12的值。图12为输出的硬件检测电路，输入为感应电极的电压信号，经过滤波放大后得到采样的模拟信号，最后经过整周期数字锁相放大[14]即可得到式（5）中的幅值A和相角φ。

图11 平面电容传感器的等效电路图

图12 输出硬件检测电路图

式（5）为检测电路的传递函数，通过化简可等效得到式（6）和式（7）。

通过式（6）和式（7）两个方程组即可得到电阻R12和电容C12两个未知参量。

4.1 平面电容传感器的测试

通过检测系统对刚性平面电容传感器和柔性平面电容传感器的空载电容值进行检测，并将其与仿真结果进行比较，结果如表1、表2所示。通过分析表中的结果可知，平面电容传感器的空载电容值与电极的空间波长有关，空间波长越小电容值越大。且由于基底材料和基底厚度的不同，同样空间波长的刚性平面电容传感器的空载电容值要大于柔性平面电容传感器的空载电容值。

表1 刚性传感器空载时仿真电容值与实测电容值

表2 柔性传感器空载时仿真电容值与实测电容值

4.2 实验验证

由于热障涂层的制备比较困难，本文使用氧化铝陶瓷模拟热障涂层的陶瓷层，利用铝合金板代替涂层的基底进行实验测试。基于3 mm空间波长的平面电容传感器测试系统的测试结果见表3，其中相角和幅值是采样后通过上位机得到的，实测电容值和电阻值是通过式（6）和式（7）利用Matlab程序计算得到的。计算时激励电压的峰峰值取0.976 V。

表3 检测系统实验测试结果

如表中所示，仿真时涂层的介电常数取氧化铝的平均介电常数约为9.0，厚度则分别取380，500，600μm，与实验样品的加工工艺有关。通过对比可以得到检测厚度与检测幅值和相角的关系，通过进一步分析和融合即可通过测幅值和相角的方法得到实验样品厚度的变化，从而检测出由热障涂层的厚度变化引起的缺陷。

5 结束语

综上所述，通过将仿真结果和实验测试结果进行对比，发现基于平面电容传感器的缺陷检测系统在一定程度上可以对热障涂层的厚度变化引起的缺陷进行检测，但是在实验测试对象的真实度（和真实的热障涂层样品之间的差距）以及数据分析方面也存在着一定的不足。后期需要在检测样品的制备，算法和数据分析方面做进一步的研究，提取出热障涂层更多的缺陷信息。

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（编辑：刘杨）

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

国家自然科学基金（61171134）高等学校博士学科点专项科研基金（20134307120016）

代守强（1991-），男，湖北襄阳市人，硕士研究生，专业方向为电磁检测及应用。