專利名稱：一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種檢測復(fù)合材料缺陷的方法，具體地說是涉及一種通過與無缺 陷材料對比響應(yīng)信號的基波和諧波幅值來檢測復(fù)合材料缺陷的方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料多為精密材料，具有密度低、強度高、體積小、可設(shè)計性強、耐久性好等一 些列特點。因此復(fù)合材料被大量地應(yīng)用于現(xiàn)代新建筑、機械等領(lǐng)域。但是復(fù)合材料具有不 均勻性、各向異性、損傷破壞模式復(fù)雜、制造工藝過程復(fù)雜等特點，在制造和使用過程 中不可避免地會出現(xiàn)纖維斷裂、基體開裂、脫粘及分層等缺陷。所以對復(fù)合材料缺陷的檢 測是復(fù)合材料推廣和使用的必不可少的環(huán)節(jié)。目前，復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)主要有超聲法、X射線法、聲發(fā)射法、計算機層 析(CT)照相檢測法、微波檢測法等。這些常用的無損檢測法都有一定的局限性，超聲波掃 描無法識別薄板中的缺陷；X射線在檢測分層時受到限制；聲發(fā)射檢測時必須把構(gòu)件置于 一定的壓力環(huán)境當中，這對于某些成品構(gòu)件和裝配好的產(chǎn)品來說是不現(xiàn)實的，并且對操作 人員的身體有很多的危害。電容層析成像(ECT)技術(shù)研究始于20世紀80年代后期的美國和英國。它是以眾 所周知的醫(yī)學CT技術(shù)為基礎(chǔ).伴隨著計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)發(fā)展起來的種重要的過程 層析成像(PT)技術(shù)。它具有非接觸性，可實時監(jiān)控等優(yōu)點。但在傳統(tǒng)設(shè)計中多把電極作 為閉合的圓形分布，不便于檢測平面材料。為此，把圓柱和圓環(huán)形的電容傳感的解析方程進 行了推廣，使之適應(yīng)于較薄的平面材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出的檢測復(fù)合材料缺陷的方法。通過與無缺 陷材料進行對比響應(yīng)信號的基波和諧波賦值，判斷材料是否為缺陷材料的裝置及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置，它包括同面多電極電容傳感器、屏蔽層、信號發(fā)生裝 置、數(shù)字信號處理系統(tǒng)和平面板，所述的同面多電極電容傳感器均勻分布在平面板上，屏蔽 層放在平面板的下面，信號發(fā)生裝置的激勵信號輸出端與同面多電極電容傳感器的其中任 一電極相連，數(shù)字信號處理系統(tǒng)用于測量該電極與其余電極之間的響應(yīng)。本發(fā)明的同面多電極電容傳感器不同于傳統(tǒng)的電容傳感器的放置方式，是將N個 電極板設(shè)置在同一平面上，N為正整數(shù)，同面電極數(shù)量要越多，檢測精度越高。本發(fā)明的屏蔽層放在平面板的下面，用于防止電場線從同面多電極電容傳感器的 下方通過。本發(fā)明的平面板為平面塑料薄板。本發(fā)明的數(shù)字信號處理系統(tǒng)用于進行快速傅里葉變換FFT和頻譜分析，可采用市 場上現(xiàn)成的數(shù)字式頻譜分析儀或FFT分析儀。
一種檢測復(fù)合材料缺陷的方法，具體步驟為(a)、將無缺陷復(fù)合材料放在平面板上方，然后在信號發(fā)生裝置中施加IkHz IMHz的 方波信號作為激勵信號；首先將同面多電極電容傳感器中的第一個電極作為源電極，施加方波激勵信號，將第 二電極-第N電極作為檢測電極，采用數(shù)字信號處理系統(tǒng)測量相鄰兩電極之間的響應(yīng)，得到 第一電極和第二電極，第一電極和第三電極，…，第一電極和第N電極之間的響應(yīng)信號； 由于測量電路的輸入端處于虛地狀態(tài)，所以它們之間互不影響；將第二電極作為源電極，第三電極-第N電極作為檢測電極，采用數(shù)字信號處理系統(tǒng)測 量相鄰兩電極之間的響應(yīng)，得到第二電極和第三電極，第二電極和第四電極，…，第二電 極和第N電極之間的響應(yīng)信號；再將第三電極作為源電極，以此類推直至第N-I電極作為源電極，電極N成為檢測電 極，而第一電極到第N-2電極都是屏蔽電極，共得到M =N (N -1) /2個獨立的測量結(jié)果；(b)、利用數(shù)字信號處理系統(tǒng)(4)把步驟(a)得到的M種響應(yīng)信號進行快速傅里葉變換 FFT轉(zhuǎn)化為M個基波和M個諧波，并記錄各基波和諧波的幅值；(c)、對待檢測材料依此重復(fù)步驟(a) (b)，分別得到待檢測材料的M個基波和M個諧 波的幅值；(d)、將待檢測材料的基波和諧波的幅值與無缺陷復(fù)合材料對應(yīng)響應(yīng)的基波和諧波的 幅值進行對比，如果這M組波的基波和諧波的幅值之差同時為正或同時為負，且相對誤差 均大于一個定值時，則判定該材料為缺陷材料。本發(fā)明的步驟(d)中的定值為1% 10%。該定值可按檢測材料的精度選取，且取 值取得越小，檢測材料為無缺陷材料的保證率越高。本發(fā)明的步驟(a)中，所述的激勵信號為IkHz IMHz的方波信號。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明本裝置的結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣、可以實現(xiàn)無損探測且對人體無損害。本發(fā)明的檢測方法能適應(yīng)于較薄的平面材料的缺陷檢測。


圖1是本發(fā)明的檢測結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中1、同面多電極電容傳感器；2、屏蔽層；3、信號發(fā)生裝置； 4、數(shù)字信號處理系統(tǒng)；5、平面板；6、復(fù)合材料。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置，它包括同面多電極電容傳感器1、屏 蔽層2、信號發(fā)生裝置3、數(shù)字信號處理系統(tǒng)4和平面板5，所述的同面多電極電容傳感器1 均勻分布在平面板5上，屏蔽層2放在平面板5的下面，信號發(fā)生裝置3的激勵信號輸出端與同面多電極電容傳感器1的其中任一電極相連，數(shù)字信號處理系統(tǒng)4用于測量該電極與 其余電極之間的響應(yīng)。本發(fā)明的同面多電極電容傳感器1是將N個電極板設(shè)置在同一平面上，N為正整 數(shù)，同面電極數(shù)量要越多，檢測精度越高。本發(fā)明的屏蔽層2放在平面板5的下面，用于防止電場線從同面多電極電容傳感 器1的下方通過。本發(fā)明的平面板5為平面塑料薄板。本發(fā)明的數(shù)字信號處理系統(tǒng)4用于進行快速傅里葉變換FFT和頻譜分析，可采用 市場上現(xiàn)成的數(shù)字式頻譜分析儀或FFT分析儀。一種檢測復(fù)合材料缺陷的方法，具體步驟為(a)、將無缺陷復(fù)合材料放在平面板5上方，然后在信號發(fā)生裝置3中施加IkHz IMHz 的方波信號作為激勵信號；首先將同面多電極電容傳感器1中的第一個電極作為源電極，施加方波激勵信號，將 第二電極-第N電極作為檢測電極，采用數(shù)字信號處理系統(tǒng)4測量相鄰兩電極之間的響應(yīng)， 得到第一電極和第二電極，第一電極和第三電極，…，第一電極和第N電極之間的響應(yīng)信 號；由于測量電路的輸入端處于虛地狀態(tài)，所以它們之間不影響；將第二電極作為源電極，第三電極-第N電極作為檢測電極，采用數(shù)字信號處理系統(tǒng)4 測量相鄰兩電極之間的響應(yīng)，得到第二電極和第三電極，第二電極和第四電極，…，第二 電極和第N電極之間的響應(yīng)信號；再將第三電極作為源電極，以此類推直至第N-I電極作為源電極，電極N成為檢測電 極，而第一電極到第N-2電極都是屏蔽電極，共得到M =N (N -1) /2個獨立的測量結(jié)果；(b)、利用數(shù)字信號處理系統(tǒng)4把步驟(a)得到的M種響應(yīng)信號進行快速傅里葉變換 FFT轉(zhuǎn)化為M個基波和M個諧波，并記錄各基波和諧波的幅值；(c)、對待檢測材料依此重復(fù)步驟(a) (b)，分別得到待檢測材料的M個基波和M個諧 波的幅值；(d)、將待檢測材料的基波和諧波的幅值與無缺陷復(fù)合材料對應(yīng)響應(yīng)的基波和諧波的 幅值進行對比，如果這M組波的基波和諧波的幅值之差同時為正或同時為負，且相對誤差 均大于一個定值時，則判定該材料為缺陷材料。本發(fā)明的步驟(d)中的定值為1% 10%。該定值可按檢測材料的精度選取，且取 值取得越小，檢測材料為無缺陷材料的保證率越高。實施例一(a)將同面多電極電容傳感器的同面電極數(shù)量取為六個，把無缺陷復(fù)合材料放在平面 板上方，然后在信號發(fā)生裝置中施加50kHz的方波作為激勵信號。首先將電極1作為源電 極，施加方波激勵信號，將電極2，3，…，6作為檢測電極，并同時根據(jù)數(shù)字信號處理系統(tǒng)得 到1和2，1和3，…，1和6之間的響應(yīng)信號。由于測量電路的輸入端處于虛地狀態(tài)，所以 它們之間不影響。下一次則選中電極2作為源電極，電極3，4，…，6做為檢測電極，由于上 一次測量中電極1和2之間的電容己經(jīng)測量了，因此在這一次測量中，電極1是冗余的。再 下一次測量中，則以電極3作為源電極，如此進行直至電極5作為源電極，電極6成為檢測 電極，而電極1到4都是屏蔽電極。這樣一共可以得到M =N (N -1) Λ個獨立的測量電容值，其中N =6，那么算出M=15。(b)利用數(shù)字信號處理系統(tǒng)把步驟(a)得到的15種激勵信號進行快速傅里葉變換 (FFT)轉(zhuǎn)化為基波和諧波，并記錄基本和諧波的幅值。(c)對待檢測材料依此重復(fù)步驟(a) (b)，分別得到15種基波和諧波的賦值。(d)將待檢測材料的基波和諧波的幅值與無缺陷復(fù)合材料對應(yīng)電極的基波和諧波 的幅值進行對比，如果這15組波的基波和諧波的幅值之差同時為正或同時為負，且誤差均 大于5%，則該材料可斷定為缺陷材料。實施例二 (a)將同面電極數(shù)量取為八個，把無缺陷復(fù)合材料放在平面板上方，然后在信號發(fā)生裝 置中施加IOOkHz的方波作為激勵信號。首先將電極1作為源電極，施加方波激勵信號，將 電極2，3，…，8作為檢測電極，并同時根據(jù)數(shù)字信號處理系統(tǒng)得到1和2，1和3，…，1 和8之間的相應(yīng)信號。由于測量電路的輸入端處于虛地狀態(tài)，所以它們之間不影響。下一 次則選中電極2作為源電極，電極3，4，…，8做為檢測電極，由于上一次測量中電極1和2 之間的電容己經(jīng)測量了，因此在這一次測量中，電極1是冗余的。再下一次測量中，則以電 極3作為源電極，如此進行直至電極7作為源電極，電極8成為檢測電極，而電極1到6都 是屏蔽電極。這樣一共可以得到M =N (N -1) Λ個獨立的測量電容值，其中N =8，那么算 出 Mi8。(b)利用數(shù)字信號處理系統(tǒng)把步驟(a)得到的28種激勵信號進行快速傅里葉變換 (FFT)轉(zhuǎn)化為基波和諧波，并記錄基本和諧波的幅值。(c)對待檢測材料依此重復(fù)步驟(a) (b)，分別得到28種基波和諧波的賦值。(d)將待檢測材料的基波和諧波的幅值與無缺陷復(fù)合材料對應(yīng)電極的基波和諧波 的幅值進行對比，如果這觀組波的基波和諧波的幅值之差同時為正或同時為負，且誤差均 大于8%，則該材料可斷定為缺陷材料。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置，其特征是它包括同面多電極電容傳感器(1)、屏蔽 層(2)、信號發(fā)生裝置(3)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)(4)和平面板(5)，所述的同面多電極電容傳 感器(1)均勻分布在平面板(5)上，屏蔽層(2)放在平面板(5)的下面，信號發(fā)生裝置(3) 的激勵信號輸出端與同面多電極電容傳感器(1)的其中任一電極相連，數(shù)字信號處理系統(tǒng) (4)用于測量該電極與其余電極之間的響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置，其特征在于所述的同面多 電極電容傳感器(1)是將N個電極板設(shè)置在同一平面上，N為正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置，其特征在于所述的屏蔽層 (2)放在平面板(5)的下面，用于防止電場線從同面多電極電容傳感器(1)的下方通過。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置，其特征在于所述平面板(5) 為平面塑料薄板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置，其特征在于數(shù)字信號處理 系統(tǒng)(4)用于進行快速傅里葉變換FFT和頻譜分析。
6.一種利用權(quán)利要求1所述的檢測復(fù)合材料缺陷的裝置的進行檢測的方法，其特征在 于具體步驟為(a)、將無缺陷復(fù)合材料放在平面板(5)上方，然后在信號發(fā)生裝置(3)中施加激勵信號；首先將同面多電極電容傳感器(1)中的第一個電極作為源電極，施加方波激勵信號，將 第二電極-第N電極作為檢測電極，采用數(shù)字信號處理系統(tǒng)(4)測量相鄰兩電極之間的響 應(yīng)，得到第一電極和第二電極，第一電極和第三電極，…，第一電極和第N電極之間的響應(yīng)信號；將第二電極作為源電極，第三電極-第N電極作為檢測電極，采用數(shù)字信號處理系統(tǒng) (4)測量相鄰兩電極之間的響應(yīng)，得到第二電極和第三電極，第二電極和第四電極，…， 第二電極和第N電極之間的響應(yīng)信號；再將第三電極作為源電極，以此類推直至第N-I電極作為源電極，電極N成為檢測電 極，共得到M =N (N -1) /2個獨立的測量結(jié)果；(b)、利用數(shù)字信號處理系統(tǒng)(4)把步驟(a)得到的M種響應(yīng)信號進行快速傅里葉變換 FFT轉(zhuǎn)化為M個基波和M個諧波，并記錄各基波和諧波的幅值；(c)、對待檢測材料依此重復(fù)步驟(a) (b)，分別得到待檢測材料的M個基波和M個諧 波的幅值；(d)、將待檢測材料的基波和諧波的幅值與無缺陷復(fù)合材料對應(yīng)響應(yīng)的基波和諧波的 幅值進行對比，如果這M組波的基波和諧波的幅值之差同時為正或同時為負，且相對誤差 均大于一個定值時，則判定該材料為缺陷材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種檢測復(fù)合材料缺陷的方法，其特征在于步驟(d)中的定 值為1% 10%O
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種檢測復(fù)合材料缺陷的方法，其特征在于步驟(a)中，所 述的激勵信號為IkHz IMHz的方波信號。
全文摘要
一種檢測復(fù)合材料缺陷的裝置及方法，它包括同面多電極電容傳感器(1)、屏蔽層(2)、信號發(fā)生裝置(3)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)(4)和平面板(5)，所述的同面多電極電容傳感器(1)均勻分布在平面板(5)上，屏蔽層(2)放在平面板(5)的下面，信號發(fā)生裝置(3)的激勵信號輸出端與同面多電極電容傳感器(1)的其中任一電極相連，數(shù)字信號處理系統(tǒng)(4)用于測量該電極與其余電極之間的響應(yīng)。本發(fā)明的檢測方法能適應(yīng)于較薄的平面材料的缺陷檢測；結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣、可以實現(xiàn)無損探測且對人體無損害。
文檔編號G01N27/61GK102053115SQ20101057494
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者劉睿, 婁保東, 孟慶祥, 樊舒婕 申請人:河海大學