一种用于雷达结构中电绝缘材料微损伤检测的方法与流程

本发明涉及一种非侵入式无损检测方法，尤其是一种用于电绝缘材料检测的方法。

背景技术

由于有机高分子材料具有强度高、质量轻及良好的电绝缘与耐腐蚀特点，广泛的应用于雷达结构。通常在雷达结构中，有机高分子材料既可用于电绝缘材料(印刷电路板)的制作，也可作为天线罩、盒、盖等构件的材料。由于雷达多工作于复杂恶劣环境，而有机高分子材料耐热性差，易老化，又具有可燃的特点，因此，在机械应用中高分子材料在长期服役过程中会产生理化性能、力学性能不同程度的降低，导致裂纹、缺陷的产生，最终引发重大损失。因此需要发展一种可用于雷达结构中电绝缘材料(高分子材料)损伤检测的方法。

文献“结构微裂纹混频非线性超声检测方法，声学学报，2013,vol.38,no.6”公开了一种基于混频效应的非线性超声微裂纹检测方法。该方法针对常规超声无法检测的结构微裂纹问题，采用异侧激励模式对结构微裂纹进行了检测及定位实验研究，研究结果表明，在该模式下能够有效得检测出微裂纹的存在，并且通过对激励信号的时移扫查，异侧激励混频模式可以实现缺陷检查与定位。但是文献所述方法仅适用于金属或者合金材料的微裂纹检测，无法检测电绝缘材料(有机高分子材料)，且该方法抗干扰能力差，信噪比较低。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于电容边缘效应的相邻电容传感器检测方法，采用基于电容的边缘效应通过测量有无微裂纹存在时电绝缘材料介电常数的不同，从而检测有无微裂纹存在并测量微裂纹深度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

采用两个相互位置固定且相互不接触的电容传感器置于待检测绝缘材料表面且遍历待检测绝缘材料表面，其中一个电容传感器作为激励极板，另一个电容传感器作为接收极板，在传感器激励极板上加载交流信号，观测两个电容传感器之间的测量电容值；若绝缘材料表面无微裂纹则测量电容值为固定值，若测量电容值发生改变则说明两个电容传感器之间的待检测绝缘材料表面存在裂纹。

进一步的，在确定裂纹所在位置后，将两个电容传感器置于裂纹两侧，改变两个电容传感器之间的距离，获得不同距离下的测量电容值；通过事先设定的裂纹深度和对应的测量电容值进行样本学习，得到数据表或数学模型，实际测量时通过查表或代入数学模型，由测得的测量电容值得到裂纹深度。

所述传感器激励极板上加载的交流信号幅值不超过10v，频率低于2.5mhz。

本发明的有益效果是：检测灵敏度高；检测范围大，相对变化率可超过100％；动态响应快；鲁棒性好，能够长期工作在高温、低温、强辐射、强磁场的环境下，尤其是解决高温高压环境下的检测难题；成本低廉，使用寿命长且辐射小。

附图说明

图1是雷达结构中有机高分子材料表面电容传感器结构示意图；

图2是雷达结构中有机高分子材料表面电容传感器电场示意图；

图3是雷达结构中有机高分子材料表面出现微裂纹示意图；

图4是边缘电容传感器检测微裂纹存在以及其深度测量方法示意图；

图5是极板宽度为10mm，极板间距为3mm时电容值随穿透深度变化曲线；

图6是极板宽度为10mm，极板间距为10mm时电容值随穿透深度变化曲线；

图7是微裂纹深度测量硬件系统结构框图；

图8是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种基于电容边缘效应的相邻电容传感器检测方法，具体原理和步骤如下所述：

(1)在待检测绝缘材料表面布置两个电容传感器，初始位置为材料最左上端，该传感器可在材料表面按照由左到右、由上到下的方式移动检测。在传感器激励极板上加载幅值不超过10v、频率低于2.5mhz的交流信号，则激励极板和接受极板之间通过边缘效应形成一稳定的静电场。当在雷达结构中的电绝缘材料表面无微裂纹时，相邻电容极板之间的电介质的介电常数为固定值(电绝缘材料的介电常数)，传感器测量电容值为固定值，此时测量电容值为参考电容值。

(2)当电绝缘材料表面出现微裂纹时，电绝缘材料以及微裂纹内的空气形成混合电介质，并对传感器的边缘电场共同作用形成边缘电容，由于极板之间的介电常数发生变化，导致极板间的电容值发生改变。随着裂纹z轴方向的扩展，混合电容率变化(雷达电绝缘材料与裂纹空气比例产生变化)，导致测量电容值进一步改变，通过外部电路检测该变化，进而再将信号返回控制单元分析处理，最终达到检测微裂纹以及测量其深度的目的。

基于边缘效应的相邻电容检测计算公式如下所示，其中a代表极板的宽度，b代表极板长度，d代表极板间距，ε代表被测物的介电常数，c代表所测的电容值。

测量电容值与裂纹深度的变化近似线性关系，通过事先设定的裂纹深度和对应的测量电容值进行样本学习，得到数据表或数学模型，实际测量时通过查表或代入数学模型，由测得的测量电容值得到裂纹深度。

下面结合附图详细描述本发明的测量过程：

首先，用于检测雷达结构中有机高分子材料表面微裂纹的电容传感器结构如图1所示，其中①代表有机高分子材料，②和③代表相邻电容传感器的激励极板和接收极板，④代表电容传感器的背衬，⑤代表电容传感器的屏蔽层。具体布置顺序由下至上为：有机高分子材料、传感器激励与接收极板、传感器柔性绝缘背衬、传感器接地屏蔽。图2中的⑥则表示激励极板和接收极板之间的电场结构，图1和图2整体表示的是当雷达结构中的有机高分子材料表面无微裂纹存在时，电容传感器的激励极板和接受极板之间介质的介电常数为固定值，即为有机高分子材料的介电常数，因此测到的电容值也为固定值。

图3中的⑦表示含有微裂纹的机高分子材料表面，图4给出了示意检测微裂纹存在并对微裂纹的深度进行测量的方法原理。其中⑧代表的是电容传感器的激励极板和接收极板整体左右移动。电容传感器移动范围需要覆盖整个待检测材料表面，这样当微裂纹进入两个极板检测范围，极板之间的介质就不仅仅是有机高分子材料，而是由有机高分子材料和微裂纹内的空气形成混合介质共同对传感器作用，此时由于介电常数发生改变那么所测电容值也会发生改变，从而实现对微裂纹的检测功能。

图4中的⑨和⑩即传感器激励极板和接受极板相向移动，可用于有机高分子材料微裂纹深度测量。其测量原理在于，当传感器极板间距变化，会引起电场穿透深度的改变，穿透深度对微裂纹在厚度方向进行检测，因此可以根据电容测量值来判断电场线穿透深度的变化。根据穿透深度推算微裂纹的深度。图5和图6则分别给出了在电容传感器激励极板和接收极板宽度都是10mm，而极板间距分别为3mm和10mm时电容测量值随穿透深度的变化曲线，直观地表现出穿透深度对电容测量值的具体影响以及和电容值之间的关系，从而间接反映了微裂纹的深度和电容测量值之间关系。

图7为微裂纹深度测量系统的结构框图，其中数据采集部分由多极板相邻电容传感器与多路乘法器构成；数据转换传输部分由基于电容-数字转换芯片(cdc)的外部电路构成；测量结果反馈部分包括了测量结果的校正、结果显示等。