同面8電極電容傳感器靈敏度與激勵(lì)信號(hào)的關(guān)系研究

朱 兵，董恩生，孫 超，宮 劍

(空軍航空大學(xué)飛行器控制系，吉林長(zhǎng)春 130022)

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同面8電極電容傳感器靈敏度與激勵(lì)信號(hào)的關(guān)系研究

朱 兵，董恩生，孫 超，宮 劍

(空軍航空大學(xué)飛行器控制系，吉林長(zhǎng)春 130022)

先進(jìn)復(fù)合材料具有比模量高、耐高溫、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代飛機(jī)上的用量越來(lái)越大。隨著飛機(jī)服役年限的增加，復(fù)合材料構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生裂紋、內(nèi)部分層等損傷。同面8電極技術(shù)可以用于飛機(jī)上復(fù)合材料構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)。高靈敏度的傳感器可以檢測(cè)到更細(xì)微的損傷，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有很大的影響。為使同面8電極電容傳感器具有較高的靈敏度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同電壓、頻率及波形與同面8電極電容傳感器靈敏度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：激勵(lì)信號(hào)的類型、幅值、頻率以及矩形波激勵(lì)信號(hào)的占空比對(duì)同面8電極電容傳感器的靈敏度均有不同程度的影響。為選取合適的激勵(lì)信號(hào)提供了依據(jù)。

復(fù)合材料；健康監(jiān)測(cè)；同面8電極；激勵(lì)信號(hào)；靈敏度；損傷

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，具有比模量高、耐高溫、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)復(fù)合材料在先進(jìn)飛機(jī)上(機(jī)翼、尾翼、燃料箱、設(shè)備艙等)的用量越來(lái)越大。例如，在軍用飛機(jī)上，瑞典研制的JAS-39獅鷹戰(zhàn)斗機(jī)，復(fù)合材料占機(jī)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的30%；美國(guó)研制的V-22魚(yú)鷹式傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，復(fù)合材料占機(jī)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的45%；美國(guó)研制的F-22，復(fù)合材料占機(jī)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的26%；歐洲四國(guó)研制的超音速戰(zhàn)機(jī)EF-2000，復(fù)合材料占機(jī)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的43%；美國(guó)研制的輕型偵察攻擊直升機(jī)RAH-66，復(fù)合材料用量達(dá)機(jī)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的51%；A400M軍用運(yùn)輸機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)到全機(jī)質(zhì)量的30%[1-2]。在民用飛機(jī)上，波音公司研制的B777飛機(jī)，其復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的11%；波音B787飛機(jī)，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%；空客公司研制的A380，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的22%[3]。而復(fù)合材料在成型及使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生缺陷或者損傷，降低飛機(jī)的安全性能，影響飛行安全。因此為了保障飛行安全，提高飛機(jī)安全性能，必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件中存在的缺陷及損傷。同面8電極電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、性能優(yōu)良和能在惡劣環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn)[4]，故將其用于復(fù)合材料構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可以在不增加飛機(jī)整體質(zhì)量及不影響飛機(jī)空氣動(dòng)力性能的條件下，完成復(fù)合材料健康數(shù)據(jù)的獲取。使用靈敏度不同的傳感器對(duì)檢測(cè)結(jié)果有很大的影響，高靈敏度的傳感器可以檢測(cè)到更細(xì)微的損傷，具有更高的分辨率。本文設(shè)計(jì)了同面8電極電容傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同電壓幅值、頻率及波形的激勵(lì)信號(hào)對(duì)同面8電極電容傳感器靈敏度的影響，為同面8電極電容傳感器選用合適的激勵(lì)信號(hào)以獲取高靈敏度提供了依據(jù)。

1 同面8電極電容傳感器的結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理

針對(duì)平板型復(fù)合材料構(gòu)件健康監(jiān)測(cè)問(wèn)題，借鑒電容層析成像中多電極電容傳感器，設(shè)計(jì)了一種不同于傳統(tǒng)電容傳感器的同面8電極電容傳感器，并用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件表面下異常的檢測(cè)[5]。同面8電極電容傳感器實(shí)物圖如圖1所示，基板尺寸為250 mm×90 mm，厚度為1.5 mm；檢測(cè)電極長(zhǎng)25 mm，寬10 mm；兩端驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)10 mm，寬10 mm；外圍屏蔽寬6 mm；極間屏蔽長(zhǎng)60 mm，寬1 mm，高1 mm；電極間隙為13 mm；傳感器背面為地屏蔽全部接地。

圖1 同面8電極電容傳感器實(shí)物圖

一對(duì)電極結(jié)構(gòu)是同面8電極電容傳感器的基本組成單元，由發(fā)射電極(激勵(lì)電極)、接收電極、屏蔽電極和絕緣層構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 同面兩電極電容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

同面兩電極的上方為敏感區(qū)域。在發(fā)射電極(激勵(lì)電極)施加激勵(lì)信號(hào)，接收電極(檢測(cè)電極)檢測(cè)相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)。絕緣層的作用是避免驅(qū)動(dòng)電極，發(fā)射電極以及接收電極發(fā)生短路。屏蔽電極用于防止電場(chǎng)線從下方穿過(guò)，增大傳感器的敏感區(qū)域和避免邊緣電場(chǎng)對(duì)傳感器特性的不良影響，增加檢測(cè)深度。

檢測(cè)區(qū)域內(nèi)同一位置的介質(zhì)對(duì)不同電極對(duì)間的電容值影響程度不同。一個(gè)電極對(duì)間的電容值實(shí)際上可近似地看作是檢測(cè)區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)對(duì)該電容貢獻(xiàn)的迭加，因此每對(duì)電極電容的測(cè)量實(shí)質(zhì)上是對(duì)檢測(cè)區(qū)內(nèi)復(fù)合材料介質(zhì)分布的掃描，對(duì)于同面8電極電容傳感器而言，一次完整的測(cè)量過(guò)程，可對(duì)檢測(cè)區(qū)內(nèi)復(fù)合材料介質(zhì)分布進(jìn)行28次不同角度的掃描，數(shù)據(jù)處理模塊就是利用28個(gè)不同電容數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷識(shí)別[6]。

2 不同激勵(lì)信號(hào)對(duì)同面8電極電容傳感器靈敏度影響的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 同面8電極電容傳感器靈敏度的定義

靈敏度是傳感器的輸出增量與輸入增量的比值[7]。同面8電極電容傳感器的靈敏度Sc可以表示為：

(1)

式中：ΔUin為發(fā)射電極激勵(lì)電壓的變化量；ΔUout為接收電極響應(yīng)電壓的變化量。

實(shí)驗(yàn)采用Agilent33220A信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生不同頻率、不同幅值的正弦波、鋸齒波、方波等激勵(lì)信號(hào)，施加在同面8電極電容傳感器兩獨(dú)立電極，分別采用完好復(fù)合材料及空氣作為介質(zhì)。利用DS1102E示波器CH1通道可以實(shí)時(shí)地顯示檢測(cè)電極的波形，利用CH2通道可實(shí)時(shí)顯示激勵(lì)信號(hào)的波形。信號(hào)發(fā)生器和示波器與同面8電極電容傳感器的連接示意圖如圖3所示。

圖3 激勵(lì)信號(hào)作用實(shí)驗(yàn)示意圖

2.2 激勵(lì)信號(hào)的頻率對(duì)靈敏度的影響

將幅值固定，頻率、波形不同的激勵(lì)信號(hào)，施加在源電極E1上，E2為檢測(cè)電極。這時(shí)，輸入電壓的幅值不變，利用式(1)不能直觀地表示出靈敏度隨頻率的變化關(guān)系。由于檢測(cè)電極的響應(yīng)電壓相對(duì)于激勵(lì)信號(hào)十分敏感，故可以通過(guò)檢測(cè)電極輸出電壓的幅值間接地衡量同面8電極電容傳感器的靈敏度。此時(shí)，靈敏度定義為

(2)

式中Uout為接收電極響應(yīng)電壓。

即在相同條件下，檢測(cè)電極輸出電壓的幅值或者峰峰值越大(小)，同面8電極電容傳感器的靈敏度越高(低)。將幅值為5 V而頻率不同的正弦波、方波、鋸齒波分別施加到同面8電極電容傳感器的獨(dú)立電極對(duì)(E1，E2)的激勵(lì)電極上，測(cè)得的傳感器靈敏度與激勵(lì)信號(hào)頻率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 介質(zhì)為完好復(fù)合材料頻率與靈敏度的關(guān)系

Agilent33220A信號(hào)發(fā)生器輸出的鋸齒波頻率范圍為0～200 kHz，方波信號(hào)的頻率范圍為0～2 MHz，正弦波信號(hào)頻率范圍為0～2 MHz。由圖4可知，同面8電極電容傳感器的靈敏度在方波信號(hào)激勵(lì)下隨頻率的增加而增大；在正弦波信號(hào)激勵(lì)下，傳感器的靈敏度隨著頻率的增加先增大后減小，且在頻率達(dá)到200 kHz時(shí)，靈敏度最大；在鋸齒波信號(hào)激勵(lì)下，傳感器的靈敏度隨著頻率的增加大致呈增大趨勢(shì)，且當(dāng)頻率為200 kHz時(shí)傳感器的靈敏度最大。

通過(guò)對(duì)比分析分別施加3種不同類型激勵(lì)信號(hào)時(shí)傳感器的靈敏度曲線可知，在0～200 kHz頻率范圍內(nèi)，方波信號(hào)激勵(lì)下的靈敏度最大，其次是正弦波，鋸齒波最小。在200 kHz～2 MHz頻率范圍內(nèi)，方波的靈敏度最大，其次是正弦波。因此，在相同的頻率下，為了使傳感器得到較大的靈敏度應(yīng)選擇方波為激勵(lì)信號(hào)。

2.3 激勵(lì)電壓對(duì)靈敏度的影響

(3)

將頻率為200 kHz而幅值不同的正弦波、方波、鋸齒波分別施加在同面8電極電容傳感器的獨(dú)立電極對(duì)(E1，E2)的源電極上，測(cè)得的傳感器靈敏度與激勵(lì)信號(hào)幅值的關(guān)系如圖5所示。

圖5 介質(zhì)為完好復(fù)合材料電壓與靈敏度的關(guān)系

Agilent33220A信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波、方波、鋸齒波的電壓范圍為0～5 V。由圖5可知，當(dāng)激勵(lì)頻率為200 kHz、介質(zhì)為完好復(fù)合材料，激勵(lì)幅值在2～3.1 V范圍內(nèi)時(shí)，選擇正弦波信號(hào)作為激勵(lì)能使同面8電極具有較好的靈敏度。當(dāng)激勵(lì)幅值在其他范圍內(nèi)時(shí)，選擇方波作為激勵(lì)信號(hào)能使同面8電極電容傳感器具有較好的靈敏度。

2.4 矩形波激勵(lì)占空比對(duì)靈敏度的影響

將幅值、頻率固定，占空比不同的矩形波信號(hào)施加在源電極E1上，E2為檢測(cè)電極。同樣地，利用式(1)不能直觀地表示出靈敏度隨頻率的變化關(guān)系。此時(shí)仍利用式(2)分析占空比與靈敏度的關(guān)系。Agilent33220A信號(hào)發(fā)生器輸出的幅值為5 V，頻率為10 kHz的矩形波為激勵(lì)信號(hào)施加在同面8電極電容傳感器的獨(dú)立電極對(duì)(E1，E2)的激勵(lì)電極上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)得傳感器的靈敏度與激勵(lì)信號(hào)占空比的關(guān)系如圖6所示。

圖6 占空比與靈敏度的關(guān)系

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，當(dāng)占空比小于10%時(shí)，由于矩形波的諧波含量高，對(duì)響應(yīng)信號(hào)幅值影響較大，所以矩形波激勵(lì)信號(hào)占空比范圍選擇為10%～80%。從圖6中的占空比與靈敏度的關(guān)系曲線可以看出，介質(zhì)為完好復(fù)合材料時(shí)，在一定的幅值與頻率條件下，隨著激勵(lì)信號(hào)占空比的增加，除在45%～50%區(qū)間變化靈敏度增加外，在其余區(qū)間變化時(shí)傳感器的靈敏度均隨之變小。10%～30%、40%～60%、65%～75%靈敏度平緩減小。30%～40%、60%～80%靈敏度減小幅度較大。因此，在相同的頻率和幅值下，占空比測(cè)試范圍選擇為10%～80%，為了得到較大的靈敏度應(yīng)選擇小占空比的激勵(lì)信號(hào)。

介質(zhì)為空氣時(shí)，在一定的幅值與頻率條件下，由占空比與靈敏度的關(guān)系曲線可知，隨著占空比的增加，傳感器的靈敏度曲線總體呈下降趨勢(shì)。

同時(shí)，對(duì)比兩曲線可知，在相同條件下，介質(zhì)為完好復(fù)合材料時(shí)的靈敏度比介質(zhì)為空氣時(shí)的靈敏度高。為了避免諧波對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，同時(shí)使傳感器具有較高的靈敏度，應(yīng)選擇占空比為50%左右的矩形波作為激勵(lì)信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中，健康數(shù)據(jù)的獲取是不可缺少的一環(huán)，同面8電極電容傳感器可以在不增加飛機(jī)整體質(zhì)量及不影響飛機(jī)空氣動(dòng)力性能的條件下獲取復(fù)合材料的健康數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)中具有很大的發(fā)展?jié)摿?。為了使同?電極電容傳感器具有更高的靈敏度，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同電壓、頻率及波形的激勵(lì)信號(hào)與同面8電極電容傳感器靈敏度的關(guān)系，得出了在不同激勵(lì)信號(hào)類型、幅值、頻率以及矩形波占空比條件下靈敏度的變化特性，并分別給出了為使同面8電極電容傳感器具有較高的靈敏度激勵(lì)信號(hào)類型選取方法和激勵(lì)幅值、頻率及矩形波占空比的取值范圍。為選用合適的激勵(lì)信號(hào)以使同面8電極電容傳感器具有較高的靈敏度提供了參考。

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Studying on Relationship Between Uniplanar 8-electrodeCapacitance Sensor Sensitivity and Excitation Signal

ZHU Bing,DONG En-sheng,SUN Chao,GONG Jian

(Aviation University of Air Force , Changchun 130022 ,China)

With high modulus, high temperature resistance, fatigue resistance and other advantages, the advanced composite materials were widely used in the modern plane. With the increase of aircraft fleet age, composite component produced damage such as the crack, internal delamination and so on. The uniplanar 8-electrode technology can be used for aircraft composite structure health monitoring. High sensitivity of the sensor can detect more minor injury, and has a great influence on inspection. In order to make the uniplanar 8-electrode sensor has better sensitivity, the relationship between the signal with different voltage, frequency , waveform and the sensor sensitivity was studied through experiments. The experimental results show that the type, amplitude, and frequency of the excitation signal, and duty ratio of rectangular wave excitation signal have different impacts on uniplanar 8-electrode sensor sensitivity . This experiment provides the basis for selecting the appropriate excitation signal.

composite materials; health monitoring; uniplanar 8-electrode;excitation signal; sensitivity; damage

2014-11-27 收修改稿日期：2015-06-25

TP212

A

1002-1841(2015)10-0095-03

朱兵(1992—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域：異常檢測(cè)技術(shù)。 E-mail：zhubingtqq@163.com 董恩生(1964—)，教授，主要研究領(lǐng)域：傳感器異常檢測(cè)技術(shù)。E-mail：DongEnsheng@tsinghua.org.cn