专利名称：一种检测复合材料缺陷的装置及方法
技术领域：
本发明是涉及一种检测复合材料缺陷的方法，具体地说是涉及一种通过与无缺 陷材料对比响应信号的基波和谐波幅值来检测复合材料缺陷的方法。
背景技术：
复合材料多为精密材料，具有密度低、强度高、体积小、可设计性强、耐久性好等一 些列特点。因此复合材料被大量地应用于现代新建筑、机械等领域。但是复合材料具有不 均勻性、各向异性、损伤破坏模式复杂、制造工艺过程复杂等特点，在制造和使用过程 中不可避免地会出现纤维断裂、基体开裂、脱粘及分层等缺陷。所以对复合材料缺陷的检 测是复合材料推广和使用的必不可少的环节。目前，复合材料的无损检测技术主要有超声法、X射线法、声发射法、计算机层 析(CT)照相检测法、微波检测法等。这些常用的无损检测法都有一定的局限性，超声波扫 描无法识别薄板中的缺陷；X射线在检测分层时受到限制；声发射检测时必须把构件置于 一定的压力环境当中，这对于某些成品构件和装配好的产品来说是不现实的，并且对操作 人员的身体有很多的�：�。电容层析成像(ECT)技术研究始于20世纪80年代后期的美国和英国。它是以众 所周知的医学CT技术为基础.伴随着计算机技术和传感器技术发展起来的种重要的过程 层析成像(PT)技术。它具有非接触性，可实时监控等优点。但在传统设计中多把电极作 为闭合的圆形分布，不便于检测平面材料。为此，把圆柱和圆环形的电容传感的解析方程进 行了推广，使之适应于较薄的平面材料。
发明内容
本发明正是针对现有技术的不足而提出的检测复合材料缺陷的方法。通过与无缺 陷材料进行对比响应信号的基波和谐波赋值，判断材料是否为缺陷材料的装置及方法。本发明的技术方案是一种检测复合材料缺陷的装置，它包括同面多电极电容传感器、屏蔽层、信号发生装 置、数字信号处理系统和平面板，所述的同面多电极电容传感器均勻分布在平面板上，屏蔽 层放在平面板的下面，信号发生装置的激励信号输出端与同面多电极电容传感器的其中任 一电极相连，数字信号处理系统用于测量该电极与其余电极之间的响应。本发明的同面多电极电容传感器不同于传统的电容传感器的放置方式，是将N个 电极板设置在同一平面上，N为正整数，同面电极数量要越多，检测精度越高。本发明的屏蔽层放在平面板的下面，用于防止电场线从同面多电极电容传感器的 下方通过。本发明的平面板为平面塑料薄板。本发明的数字信号处理系统用于进行快速傅里叶变换FFT和频谱分析，可采用市 场上现成的数字式频谱分析仪或FFT分析仪。
一种检测复合材料缺陷的方法，具体步骤为(a)、将无缺陷复合材料放在平面板上方，然后在信号发生装置中施加IkHz IMHz的 方波信号作为激励信号；首先将同面多电极电容传感器中的第一个电极作为源电极，施加方波激励信号，将第 二电极-第N电极作为检测电极，采用数字信号处理系统测量相邻两电极之间的响应，得到 第一电极和第二电极，第一电极和第三电极，…，第一电极和第N电极之间的响应信号； 由于测量电路的输入端处于虚地状态，所以它们之间互不影响；将第二电极作为源电极，第三电极-第N电极作为检测电极，采用数字信号处理系统测 量相邻两电极之间的响应，得到第二电极和第三电极，第二电极和第四电极，…，第二电 极和第N电极之间的响应信号；再将第三电极作为源电极，以此类推直至第N-I电极作为源电极，电极N成为检测电 极，而第一电极到第N-2电极都是屏蔽电极，共得到M =N (N -1) /2个独立的测量结果；(b)、利用数字信号处理系统(4)把步骤(a)得到的M种响应信号进行快速傅里叶变换 FFT转化为M个基波和M个谐波，并记录各基波和谐波的幅值；(c)、对待检测材料依此重复步骤(a) (b)，分别得到待检测材料的M个基波和M个谐 波的幅值；(d)、将待检测材料的基波和谐波的幅值与无缺陷复合材料对应响应的基波和谐波的 幅值进行对比，如果这M组波的基波和谐波的幅值之差同时为正或同时为负，且相对误差 均大于一个定值时，则判定该材料为缺陷材料。本发明的步骤(d)中的定值为1% 10%。该定值可按检测材料的精度选�。胰� 值取得越�。觳獠牧衔奕毕莶牧系谋Ｖぢ试礁摺１痉⒚鞯牟街�(a)中，所述的激励信号为IkHz IMHz的方波信号。本发明的有益效果本发明本装置的结构简单，灵敏度高，应用范围广、可以实现无损探测且对人体无损害。本发明的检测方法能适应于较薄的平面材料的缺陷检测。
图1是本发明的检测结构示意图。图1中1、同面多电极电容传感器；2、屏蔽层；3、信号发生装置； 4、数字信号处理系统；5、平面板；6、复合材料。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示，一种检测复合材料缺陷的装置，它包括同面多电极电容传感器1、屏 蔽层2、信号发生装置3、数字信号处理系统4和平面板5，所述的同面多电极电容传感器1 均勻分布在平面板5上，屏蔽层2放在平面板5的下面，信号发生装置3的激励信号输出端与同面多电极电容传感器1的其中任一电极相连，数字信号处理系统4用于测量该电极与 其余电极之间的响应。本发明的同面多电极电容传感器1是将N个电极板设置在同一平面上，N为正整 数，同面电极数量要越多，检测精度越高。本发明的屏蔽层2放在平面板5的下面，用于防止电场线从同面多电极电容传感 器1的下方通过。本发明的平面板5为平面塑料薄板。本发明的数字信号处理系统4用于进行快速傅里叶变换FFT和频谱分析，可采用 市场上现成的数字式频谱分析仪或FFT分析仪。一种检测复合材料缺陷的方法，具体步骤为(a)、将无缺陷复合材料放在平面板5上方，然后在信号发生装置3中施加IkHz IMHz 的方波信号作为激励信号；首先将同面多电极电容传感器1中的第一个电极作为源电极，施加方波激励信号，将 第二电极-第N电极作为检测电极，采用数字信号处理系统4测量相邻两电极之间的响应， 得到第一电极和第二电极，第一电极和第三电极，…，第一电极和第N电极之间的响应信 号；由于测量电路的输入端处于虚地状态，所以它们之间不影响；将第二电极作为源电极，第三电极-第N电极作为检测电极，采用数字信号处理系统4 测量相邻两电极之间的响应，得到第二电极和第三电极，第二电极和第四电极，…，第二 电极和第N电极之间的响应信号；再将第三电极作为源电极，以此类推直至第N-I电极作为源电极，电极N成为检测电 极，而第一电极到第N-2电极都是屏蔽电极，共得到M =N (N -1) /2个独立的测量结果；(b)、利用数字信号处理系统4把步骤(a)得到的M种响应信号进行快速傅里叶变换 FFT转化为M个基波和M个谐波，并记录各基波和谐波的幅值；(c)、对待检测材料依此重复步骤(a) (b)，分别得到待检测材料的M个基波和M个谐 波的幅值；(d)、将待检测材料的基波和谐波的幅值与无缺陷复合材料对应响应的基波和谐波的 幅值进行对比，如果这M组波的基波和谐波的幅值之差同时为正或同时为负，且相对误差 均大于一个定值时，则判定该材料为缺陷材料。本发明的步骤(d)中的定值为1% 10%。该定值可按检测材料的精度选取，且取 值取得越�。觳獠牧衔奕毕莶牧系谋Ｖぢ试礁�。实施例一(a)将同面多电极电容传感器的同面电极数量取为六个，把无缺陷复合材料放在平面 板上方，然后在信号发生装置中施加50kHz的方波作为激励信号。首先将电极1作为源电 极，施加方波激励信号，将电极2，3，…，6作为检测电极，并同时根据数字信号处理系统得 到1和2，1和3，…，1和6之间的响应信号。由于测量电路的输入端处于虚地状态，所以 它们之间不影响。下一次则选中电极2作为源电极，电极3，4，…，6做为检测电极，由于上 一次测量中电极1和2之间的电容己经测量了，因此在这一次测量中，电极1是冗余的。再 下一次测量中，则以电极3作为源电极，如此进行直至电极5作为源电极，电极6成为检测 电极，而电极1到4都是屏蔽电极。这样一共可以得到M =N (N -1) Λ个独立的测量电容值，其中N =6，那么算出M=15。(b)利用数字信号处理系统把步骤(a)得到的15种激励信号进行快速傅里叶变换 (FFT)转化为基波和谐波，并记录基本和谐波的幅值。(c)对待检测材料依此重复步骤(a) (b)，分别得到15种基波和谐波的赋值。(d)将待检测材料的基波和谐波的幅值与无缺陷复合材料对应电极的基波和谐波 的幅值进行对比，如果这15组波的基波和谐波的幅值之差同时为正或同时为负，且误差均 大于5%，则该材料可断定为缺陷材料。实施例二 (a)将同面电极数量取为八个，把无缺陷复合材料放在平面板上方，然后在信号发生装 置中施加IOOkHz的方波作为激励信号。首先将电极1作为源电极，施加方波激励信号，将 电极2，3，…，8作为检测电极，并同时根据数字信号处理系统得到1和2，1和3，…，1 和8之间的相应信号。由于测量电路的输入端处于虚地状态，所以它们之间不影响。下一 次则选中电极2作为源电极，电极3，4，…，8做为检测电极，由于上一次测量中电极1和2 之间的电容己经测量了，因此在这一次测量中，电极1是冗余的。再下一次测量中，则以电 极3作为源电极，如此进行直至电极7作为源电极，电极8成为检测电极，而电极1到6都 是屏蔽电极。这样一共可以得到M =N (N -1) Λ个独立的测量电容值，其中N =8，那么算 出 Mi8。(b)利用数字信号处理系统把步骤(a)得到的28种激励信号进行快速傅里叶变换 (FFT)转化为基波和谐波，并记录基本和谐波的幅值。(c)对待检测材料依此重复步骤(a) (b)，分别得到28种基波和谐波的赋值。(d)将待检测材料的基波和谐波的幅值与无缺陷复合材料对应电极的基波和谐波 的幅值进行对比，如果这观组波的基波和谐波的幅值之差同时为正或同时为负，且误差均 大于8%，则该材料可断定为缺陷材料。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种检测复合材料缺陷的装置，其特征是它包括同面多电极电容传感器(1)、屏蔽 层(2)、信号发生装置(3)、数字信号处理系统(4)和平面板(5)，所述的同面多电极电容传 感器(1)均勻分布在平面板(5)上，屏蔽层(2)放在平面板(5)的下面，信号发生装置(3) 的激励信号输出端与同面多电极电容传感器(1)的其中任一电极相连，数字信号处理系统 (4)用于测量该电极与其余电极之间的响应。
2.根据权利要求1所述的一种检测复合材料缺陷的装置，其特征在于所述的同面多 电极电容传感器(1)是将N个电极板设置在同一平面上，N为正整数。
3.根据权利要求1所述的一种检测复合材料缺陷的装置，其特征在于所述的屏蔽层 (2)放在平面板(5)的下面，用于防止电场线从同面多电极电容传感器(1)的下方通过。
4.根据权利要求1所述的一种检测复合材料缺陷的装置，其特征在于所述平面板(5) 为平面塑料薄板。
5.根据权利要求1所述的一种检测复合材料缺陷的装置，其特征在于数字信号处理 系统(4)用于进行快速傅里叶变换FFT和频谱分析。
6.一种利用权利要求1所述的检测复合材料缺陷的装置的进行检测的方法，其特征在 于具体步骤为(a)、将无缺陷复合材料放在平面板(5)上方，然后在信号发生装置(3)中施加激励信号；首先将同面多电极电容传感器(1)中的第一个电极作为源电极，施加方波激励信号，将 第二电极-第N电极作为检测电极，采用数字信号处理系统(4)测量相邻两电极之间的响 应，得到第一电极和第二电极，第一电极和第三电极，…，第一电极和第N电极之间的响应信号；将第二电极作为源电极，第三电极-第N电极作为检测电极，采用数字信号处理系统 (4)测量相邻两电极之间的响应，得到第二电极和第三电极，第二电极和第四电极，…， 第二电极和第N电极之间的响应信号；再将第三电极作为源电极，以此类推直至第N-I电极作为源电极，电极N成为检测电 极，共得到M =N (N -1) /2个独立的测量结果；(b)、利用数字信号处理系统(4)把步骤(a)得到的M种响应信号进行快速傅里叶变换 FFT转化为M个基波和M个谐波，并记录各基波和谐波的幅值；(c)、对待检测材料依此重复步骤(a) (b)，分别得到待检测材料的M个基波和M个谐 波的幅值；(d)、将待检测材料的基波和谐波的幅值与无缺陷复合材料对应响应的基波和谐波的 幅值进行对比，如果这M组波的基波和谐波的幅值之差同时为正或同时为负，且相对误差 均大于一个定值时，则判定该材料为缺陷材料。
7.根据权利要求6所述的一种检测复合材料缺陷的方法，其特征在于步骤(d)中的定 值为1% 10%O
8.根据权利要求6所述的一种检测复合材料缺陷的方法，其特征在于步骤(a)中，所 述的激励信号为IkHz IMHz的方波信号。
全文摘要
一种检测复合材料缺陷的装置及方法，它包括同面多电极电容传感器(1)、屏蔽层(2)、信号发生装置(3)、数字信号处理系统(4)和平面板(5)，所述的同面多电极电容传感器(1)均匀分布在平面板(5)上，屏蔽层(2)放在平面板(5)的下面，信号发生装置(3)的激励信号输出端与同面多电极电容传感器(1)的其中任一电极相连，数字信号处理系统(4)用于测量该电极与其余电极之间的响应。本发明的检测方法能适应于较薄的平面材料的缺陷检测；结构简单，灵敏度高，应用范围广、可以实现无损探测且对人体无损害。
文档编号G01N27/61GK102053115SQ20101057494
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者刘睿, 娄保东, 孟庆祥, 樊舒婕 申请人:河海大学
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