用于熱障涂層檢測(cè)的柔性平面電容傳感器

代守強(qiáng),陳棣湘,田武剛,潘孟春,任　遠(yuǎn)

(國(guó)防科技大學(xué), 長(zhǎng)沙 410000)

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用于熱障涂層檢測(cè)的柔性平面電容傳感器

代守強(qiáng),陳棣湘,田武剛,潘孟春,任遠(yuǎn)

(國(guó)防科技大學(xué), 長(zhǎng)沙 410000)

對(duì)用于熱障涂層缺陷檢測(cè)的平面電容傳感器的工作原理進(jìn)行了分析，利用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備了可用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層缺陷檢測(cè)的柔性平面電容傳感器，并對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，柔性平面電容傳感器可以有效地檢測(cè)出非金屬材料的缺陷。

平面電容;邊緣電場(chǎng)；COMSOL；熱障涂層

隨著噴涂技術(shù)的發(fā)展，涂層越來(lái)越多地被噴涂在金屬或非金屬的表面,用以增強(qiáng)器件的性能、延長(zhǎng)器件的使用壽命，但涂層的厚度在很大程度上決定了涂層的使用效率，成為衡量涂層健康狀況的主要指標(biāo)之一。由于熱障涂層陶瓷層的非導(dǎo)電性，使得許多利用電導(dǎo)率進(jìn)行檢測(cè)的方法均無(wú)法達(dá)到檢測(cè)涂層厚度和缺陷的目的。隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，平面電容傳感器已越來(lái)越多地應(yīng)用于復(fù)合材料和多層非金屬材料缺陷的檢測(cè)中;其通過(guò)測(cè)量傳感器的等效電容值及其變化量，可以得到材料的厚度以及材料因損傷而帶來(lái)的介電常數(shù)等屬性的變化，從而實(shí)現(xiàn)涂層厚度和缺陷的檢測(cè)。

筆者對(duì)用于熱障涂層缺陷檢測(cè)的平面電容傳感器的工作原理進(jìn)行了分析，利用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備了可用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層缺陷檢測(cè)的柔性平面電容傳感器，并對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試。

1　平面電容傳感器原理分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平面電容傳感器普遍用于檢測(cè)谷物的含水量[1]、木材的含水量[2]、電纜絕緣層的破損[3]等。平面電容傳感器的電極均位于同一平面，利用電場(chǎng)線(xiàn)穿透待測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)，具有單邊滲透，穿透深度和信號(hào)強(qiáng)度可調(diào)，不損傷待測(cè)物的優(yōu)點(diǎn)。平面電容的結(jié)構(gòu)有很多種，有圓盤(pán)型，回字型，圓電極叉指型、矩形交叉指型等。通過(guò)分析各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，矩形交叉指型電極具有更好的敏感場(chǎng)分布均勻性[4]，且結(jié)構(gòu)有更好的周期性，所以筆者選擇矩形交叉指型的電極結(jié)構(gòu)作為傳感器的電極。

1.1基本工作原理

平面電容傳感器是基于邊緣電場(chǎng)檢測(cè)原理的電容傳感器，最簡(jiǎn)單的平面電容傳感器是由兩個(gè)電極放在同一平面上構(gòu)成的。對(duì)其中一個(gè)電極施加激勵(lì)，另一個(gè)電極上便會(huì)感應(yīng)出一定的電荷，即產(chǎn)生感應(yīng)電壓，圖1為平行板電容轉(zhuǎn)變成平面電容的過(guò)程。矩形交叉指型平面電容傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器由驅(qū)動(dòng)電極、感應(yīng)電極和保護(hù)電極組成。當(dāng)給驅(qū)動(dòng)電極施加一定的電壓時(shí)(見(jiàn)圖3(a))，由于驅(qū)動(dòng)電極與感應(yīng)電極之間存在的電勢(shì)差，電場(chǎng)線(xiàn)會(huì)從驅(qū)動(dòng)電極流向感應(yīng)電極(見(jiàn)圖3(b))，當(dāng)電極下方的檢測(cè)物的屬性發(fā)生變化(厚度的變化或缺陷的出現(xiàn))時(shí)，會(huì)影響電場(chǎng)線(xiàn)的流向和分布從而使感應(yīng)電極上感應(yīng)的電荷發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電極電壓的變化，就可以間接地檢測(cè)出檢測(cè)物屬性的變化。

圖1　平面電容的形成示意

圖2　矩形叉指電極平面電容傳感器結(jié)構(gòu)示意

圖3　矩形叉指電極平面電容傳感器工作原理示意

對(duì)這種檢測(cè)原理進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到式(1)[5]，電勢(shì)隨檢測(cè)深度變化的分布情況為：

(1)

式中：Φ為電勢(shì);kn=2πn/λ為每種模式下的波數(shù)；λ為平面電極的空間波長(zhǎng)。

由式(1)可得式(2)，(3)，(4)。式(3)為測(cè)得的復(fù)電容值即復(fù)轉(zhuǎn)移導(dǎo)納值，式(4)為最后需要分析的復(fù)介電常數(shù)。

(2)

(3)

(4)

式中：ε為介電常數(shù)；σ為電導(dǎo)率;ω為頻率。

通過(guò)對(duì)得到的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行分析和處理，就可以進(jìn)一步地判斷出涂層屬性的變化。通過(guò)對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真和反演，可以更精確地判斷出涂層厚度的變化和涂層缺陷的損傷情況。

1.2結(jié)構(gòu)組成圖4所示是矩形叉指型平面電容傳感器橫截面的一部分，從圖中可以看出平面電容傳感器主要由驅(qū)動(dòng)電極、感應(yīng)電極、基底層、背板層四部分組成。從截面圖中可以看出，矩形叉指型平面電容傳感器需要考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)有電極厚度、電極寬度、基底厚度、背板厚度、傳感器的空間波長(zhǎng)以及基底介電常數(shù)εt。

圖4　矩形叉指電極平面電容傳感器的截面示意

其中，電極寬度、電極厚度、基底厚度、基底介電常數(shù)、背板厚度等參數(shù)有待通過(guò)仿真分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3優(yōu)化設(shè)計(jì)筆者利用COMSOL 5.0軟件對(duì)平面電容傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。COMSOL MULTIPHYSICS(簡(jiǎn)稱(chēng) COMSOL)軟件不僅有界面簡(jiǎn)潔，易于操作和繪制模型等優(yōu)點(diǎn)，還具有自動(dòng)離散模塊和剖分網(wǎng)格的能力，同時(shí)還可方便快捷地計(jì)算出電容值、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)值等物理量。

直接影響平面電容傳感器檢測(cè)性能的兩個(gè)參數(shù)為傳感器的電場(chǎng)滲透深度和檢測(cè)靈敏度[6]，文章也主要從這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。一直以來(lái)，對(duì)于叉指型平面電極的滲透深度沒(méi)有明確的計(jì)算公式。通過(guò)分析矩形叉指型平面電極的二維半波長(zhǎng)模型和三維模型的電場(chǎng)線(xiàn)分布，發(fā)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)滲透深度影響最大的因素為電極的空間波長(zhǎng)(即圖4中相鄰兩個(gè)感應(yīng)電極或驅(qū)動(dòng)電極的軸心距)。滲透深度與不同深度處的電勢(shì)大小有關(guān)，當(dāng)電勢(shì)減小到一定范圍時(shí)可視為已超出平面電容的檢測(cè)范圍[7]。由式(1)可知，當(dāng)激勵(lì)電勢(shì)確定時(shí)，不同深度處的電勢(shì)大小只與電極的空間波長(zhǎng)λ 有關(guān)。仿真時(shí)為了更明確地看出滲透深度與空間波長(zhǎng)的關(guān)系，采用不斷改變待檢測(cè)涂層厚度的方法觀察電容值的變化，直到電容值幾乎不變?yōu)橹?。圖5所示為電極空間波長(zhǎng)為1,2,3,4 mm時(shí)，極間電容與涂層厚度間的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖5中可以看出，涂層厚度相同時(shí),空間波長(zhǎng)越短，極間電容的值越大；空間波長(zhǎng)越長(zhǎng)，電容值的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的涂層越厚，即能檢測(cè)的深度越深，檢測(cè)深度約為空間波長(zhǎng)的1/3。

圖5　不同空間波長(zhǎng)時(shí)，涂層厚度與極間電容的關(guān)系曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)矩形叉指電極二維模型的仿真分析，得到了圖4中各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的強(qiáng)度和靈敏度的影響。電極寬度和電極厚度均與電容值和檢測(cè)靈敏度(檢測(cè)靈敏度為傳感器檢測(cè)電容的變化相對(duì)于檢測(cè)樣本介電常數(shù)變化的比值)成正相關(guān)的關(guān)系；基底厚度與電容值負(fù)相關(guān)，但與檢測(cè)靈敏度正相關(guān)；而基底相對(duì)介電常數(shù)則與檢測(cè)對(duì)象的介電常數(shù)有關(guān)。然后再進(jìn)一步分析三維模型(見(jiàn)圖6)，即可得到電極長(zhǎng)度和電極極對(duì)數(shù)對(duì)檢測(cè)電容值的影響，最后可根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的尺寸和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)使互導(dǎo)電容盡量大且電容響應(yīng)靈敏度高的平面電容傳感器。

圖6　三維模型的zy電勢(shì)圖

2　平面電容傳感器的制備與性能測(cè)試

2.1樣品制備

隨著檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的需要，檢測(cè)的對(duì)象已經(jīng)不僅僅局限于平整表面的檢測(cè)，而是出現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要檢測(cè)。所以，制備的傳感器需要一定的柔性去貼合具有一定曲率的檢測(cè)面(如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的涂層檢測(cè))。根據(jù)涂層厚度和仿真所得的結(jié)果，確定平面電容傳感器的滲透深度從而確定平面電極的空間波長(zhǎng)；然后再根據(jù)對(duì)電極其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真結(jié)果，在工藝加工允許的范圍內(nèi)制作信號(hào)輸出和靈敏度最優(yōu)的矩形交叉指型平面電容傳感器。圖7為3種不同空間波長(zhǎng)的傳感器樣品照片。

圖7　不同空間波長(zhǎng)的平面電容傳感器的樣品照片

2.2等效電路

矩形交叉指型平面電容傳感器是由多個(gè)矩形叉指結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，每個(gè)叉指結(jié)構(gòu)的等效電路如圖8所示。平面電容傳感器是根據(jù)測(cè)量的需要,由多個(gè)矩形叉指結(jié)構(gòu)并聯(lián)起來(lái)組成的。

圖8　矩形叉指電極的電容等效電路圖

圖8中，R10為驅(qū)動(dòng)電極與背板之間的電阻，C10為驅(qū)動(dòng)電極與背板之間的電容；R20為感應(yīng)電極與背板之間的電阻，C20為感應(yīng)電極與背板之間的電容；R12為驅(qū)動(dòng)電極與感應(yīng)電極之間的電阻，C12為驅(qū)動(dòng)電極與感應(yīng)電極之間的電容。其中R12、C12是待測(cè)參數(shù)，而R10、C10、R20、C20是傳感器非理想特性的體現(xiàn)，為了將R10、C10、R20、C20對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響降到最小，將背板進(jìn)行接地處理，這樣可在原理上消除R10、C10、R20、C20的影響。

2.3性能測(cè)試

文章采用阻抗分析儀對(duì)傳感器的輸出值進(jìn)行檢測(cè)，然后與仿真值進(jìn)行比對(duì)，從而對(duì)制備的矩形交叉指型平面電容傳感器的性能進(jìn)行驗(yàn)證。

利用COMSOL軟件對(duì)平面電容傳感器和檢測(cè)試件進(jìn)行建模和仿真分析，分別得到空間波長(zhǎng)為2,3,4 mm的傳感器對(duì)涂層厚度分別為0,380,500,600 μm的試件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的仿真電容值。檢測(cè)試件是在不銹鋼基底材料上粘貼不同厚度的氧化鋁陶瓷片構(gòu)成的，將制備的平面電容傳感器緊貼在其表面，并通過(guò)圖7所示的BNC接口連接到阻抗分析儀對(duì)電容值進(jìn)行實(shí)測(cè)，仿真電容值與實(shí)測(cè)電容值的對(duì)比如表1所示。

從表1可看出，同一空間波長(zhǎng)的平面電容傳感器可以很好地分辨出三種不同厚度的涂層，空間波長(zhǎng)較短的傳感器等效電容值較大，但隨涂層厚度的變化較小，空間波長(zhǎng)較長(zhǎng)的傳感器等效電容值略小，但能靈敏地反應(yīng)出涂層厚度的變化。平面電容傳感器對(duì)不導(dǎo)電涂層的厚度具有很好的分辨能力，通過(guò)后期數(shù)據(jù)的處理和融合便可通過(guò)實(shí)測(cè)電容值反演出涂層的厚度，并可通過(guò)建立仿真模型進(jìn)一步判斷缺陷的損傷情況，即可以用于非導(dǎo)電材料的缺陷檢測(cè)。

表1　不同厚度涂層的仿真電容值與實(shí)測(cè)電容值

3　結(jié)語(yǔ)

在分析平面電容傳感器檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，采用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)不同的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，得到了一組優(yōu)化的矩形交叉指型平面電容傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)?；谌嵝噪娐钒逯苽淞似矫骐娙輦鞲衅?，采用阻抗分析儀對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的平面電容傳感器可以滿(mǎn)足涂層缺陷檢測(cè)的需要。

[1]楊柳，楊明皓，劉嫣紅. 利用邊緣電場(chǎng)的電容式谷物水分傳感器的研究[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007(12):58-61.

[2]劉少剛. 基于單一平面電容傳感器的木材含水率檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2009.

[3]徐成林. 基于邊緣電場(chǎng)傳感器的介電測(cè)量方法和系統(tǒng)研究[D].合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2013.

[4]汪蓓蓓，黃云志，劉永洪. 平面電容傳感器設(shè)計(jì)及在材料探傷中的應(yīng)用研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2014,27(7):997-1001.

[5]ALEXANDER V M. Interdigital dielectrometry sensor design and parameter estimation algorithms for non-destructive materials evaluation[D]. America: Massachusetts Institute of Technology, 1999.

[6]KIM C, LI G, LI J, et al. Numerical analysis on effective electric field penetration depth for interdigital impedance sensor[C]//Journal of Physics: Conference Series. [S.l.]:IOP Publishing, 2013: 012020.

[7]KAI H Y S. Design and experimental study on measurement system for fringing electric field sensor[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2012, 2: 14-16.

Flexible Planar Capacitive Sensor for Detection of Thermal Barrier Coatings

DAI Shou-qiang, CHEN Di-xiang, TIAN Wu-gang, PAN Meng-chun, REN Yuan

(National University of Defense Technology, Changsha 410000, China)

The principle of the planar capacitance sensor was analyzed in this paper, and the sensor structure was optimized with COMSOL finite element simulation software. The flexible planar capacitance sensor used for defect detection of thermal barrier coatings in engine blades was fabricated and the performance of the sensor was tested. The testing results show that the flexible planar capacitive sensor can detect the defects in non-metallic materials effectively.

Planar capacitive; Fringing electric field; COMSOL; Thermal barrier coatings

2016-06-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61671460)。

代守強(qiáng)(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艂鞲信c測(cè)量。

陳棣湘，E-mail: nudt_emgroup@163.com。

10.11973/wsjc201610002

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0006-04