阅读说明：本技术 一种平面式的电容层析成像系统及检测方法 (A kind of capacitance tomography system and detection method of plane formula ) 是由 萧鹏 史倩竹 丁雨谢 殷丽娟 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种平面式的电容层析成像系统及检测方法,所述电容层析成像系统包括上位机、单片机、电容测量电路、开关电路、阵列式电容传感器,其中：单片机分别与上位机、电容测量电路和开关电路连接；开关电路分别与阵列式电容传感器和电容测量电路连接；单片机控制开关电路对阵列式电容传感器进行电极切换,实现不同电极间的电容连接,以便能用电容测量电路进行测量,电容测量电路的数据单向传递到单片机,利用单片机对数据进行采集后与上位机的数据采集通信系统通信将数据传入电脑,然后图像重建系统对数据进行处理与重建。该电容层析成像系统结构简单,成本低,能够实现大面积的快速检测,从而能实现对缺陷的快速检测与定位。(The invention discloses a kind of capacitance tomography system of plane formula and detection methods, the capacitance tomography system includes host computer, single-chip microcontroller, capacitance measurement circuit, switching circuit, capacitive array sensor, in which: single-chip microcontroller is connect with host computer, capacitance measurement circuit and switching circuit respectively；Switching circuit is connect with capacitive array sensor and capacitance measurement circuit respectively；Single-chip microcontroller control switch circuit carries out electrode switching to capacitive array sensor, realize the capacitance connection between Different electrodes, to be measured with capacitance measurement circuit, the data of capacitance measurement circuit are passed uni-directionally to single-chip microcontroller, data are acquired to communicate with the Data Acquisition and Communication System of host computer afterwards using single-chip microcontroller, data are passed to computer, then image re-construction system is handled and rebuild to data.The Structure of Electrical Capacitance Tomography Systems is simple, at low cost, can be realized the quick detection of large area, to be able to achieve the quick detection and positioning to defect.)

一种平面式的电容层析成像系统及检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于电容层析成像技术的无损检测系统与方法。

背景技术

电容层析成像技术在最初是一种用于检测管道内多相流的无损检测技术，其通过在管道外侧设置多个电极进行电容测量来对管道内部多相流的情况进行重建分析。但随着技术的发展，其传感器结构开始发生了变化，从最早的8电极到各式各样的传感器，到现在的三维层析成像传感器以及平面式的传感器。并且其检测对象也从多相流转变为了其他的非金属物质，由于其电极的特性，使其对材料深处的缺陷及损伤有一定的检测能力，能够弥补其他一些无损检测手段，例如红外检测、超声检测等的不足。

发明内容

本发明为了解决材料内部缺陷较深，不便于使用其他检测手段的问题，提供了一种平面式的电容层析成像系统及检测方法。该电容层析成像系统结构简单，成本低，能够实现大面积的快速检测，从而能实现对缺陷的快速检测与定位。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种平面式的电容层析成像系统，包括上位机、单片机、电容测量电路、开关电路、阵列式电容传感器，其中：

所述单片机分别与上位机、电容测量电路和开关电路连接；

所述开关电路分别与阵列式电容传感器和电容测量电路连接；

所述上位机包含有数据采集通信系统以及图像重建系统；

所述单片机控制开关电路对阵列式电容传感器进行电极切换，实现不同电极间的电容连接，以便能用电容测量电路进行测量，电容测量电路的数据单向传递到单片机，利用单片机对数据进行采集后与上位机的数据采集通信系统通信将数据传入电脑，然后图像重建系统对数据进行处理与重建。

一种利用上述平面式的电容层析成像系统进行材料内部缺陷检测的方法，包括以下步骤：

步骤一：使用20KHz的交流信号对电容测量电路进行激励；

步骤二：利用单片机控制开关电路对阵列式电容传感器进行电极切换，实现不同电极间的电容连接，以便能用电容测量电路进行测量，单片机采集电容测量电路的数据，通过串口通信程序再将数据传递到上位机；

步骤三：利用上位机的数据采集通信系统采集到数据后利用图像重建系统对采集到的数据进行图像重建，得到材料内部缺陷情况。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明利用印刷电路板制作的阵列电极结构简单且抗干扰性强，检测成像面积大，且能对材料深处缺陷进行检测。

2、本发明采用的激励式电容测量电路能对微小电容进行检测，并且电路中包含有带通滤波电路以及全波整流电路，能有效的减少外界对测量结果的干扰。

3、本发明采用的开关电路能对多个电极进行选通与测量。

4、本发明采用Arduino单片机对开关电路进行控制和对电容测量电路的测量结果进行模拟信号采集，实现电极的选择以及电容的测量。

5、针对本发明中设计的4×4阵列电极，采用有限元仿真软件COMSOL对其敏感场进行计算，并利用奇异值分解算法对图像进行重建，能得到更好的检测结果。

6、本发明可以对复合材料较深部位的损伤进行检测，并且由于其电极阵列式的排布，可以实现大面积的检测，同时其结构简单，成本较低，适用于各种非金属材料的检测。

附图说明

图1为电容层析成像系统的示意图；

图2为阵列式电容传感器的示意图；

图3为测量电路的原理图；

图4为仿真实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本实施方式发明提供的平面式的电容层析成像系统包含有上位机、Arduino单片机、电容测量电路、开关电路、阵列式电容传感器，其中：

所述Arduino单片机分别与上位机、电容测量电路和开关电路连接；

所述开关电路分别与阵列式电容传感器和电容测量电路连接；

所述上位机包含有数据采集通信系统以及图像重建系统；

所述Arduino单片机控制开关电路对阵列式电容传感器进行电极切换，实现不同电极间的电容连接，以便能用电容测量电路进行测量，电容测量电路的数据单向传递到Arduino单片机，利用Arduino单片机对数据进行采集后与上位机的数据采集通信系统通信将数据传入电脑，然后图像重建系统对数据进行处理与重建。

利用上述平面式的电容层析成像系统进行材料内部缺陷检测的步骤如下：

步骤一：使用20KHz的交流信号对电容测量电路进行激励，此交流信号是由信号发生器产生，此信号的峰值为5V。

本步骤中，电容测量电路采用交流激励式的测量方法，电容测量电路的原理图如图3所示。在待测电容经过正弦激励信号激励后，产生的信号如下：

式中，V₀₁为输出信号，V_i为输入信号，C₀为待测电容，ω为激励信号的角频率，C_f为反馈参考电容，R_f为反馈电阻，j为虚数。若参数ω、R_f、C_f满足ωR_fC_f＞＞1，则上式可化简为：

这样就能将电容值转化为输出信号的峰值，便于后续测量。

由于电容极板的开放式设计，难免会引入干扰的信号，所以本发明后续利用OP07设计了巴特沃斯低通和高通滤波器级联组成的带通滤波电路对输出信号进行滤波处理，其中高通滤波器的截止频率为8.7KHz，低通滤波器的截止频率为43KHz。交流激励后的信号通过带通滤波器滤波后利用AD630对正弦信号进行全波整流，再利用OP07设计的低通滤波器对这一整流后的信号进行滤波，根据傅里叶理论，最后能得到和电容值成正比的直流电压信号。

步骤二：利用Arduino单片机控制开关电路切换电极，并且采集电容测量电路的数据，通过串口通信程序将数据传递到上位机。

本步骤中，如图2所示，所述阵列式电容传感器是利用印刷电路制作而成的4×4的16电极阵列，每个电极都为16mm的正方形电极片，相邻电极间的间隔为8mm。

本步骤中，所述开关电路使用的多路复用芯片为16路双向模拟开关CD4067，通过Arduino单片机控制两个开关芯片实现不同电极间的总计120个电容的测量。

本步骤中，所述Arduino单片机通过数字IO口控制模拟开关，利用模拟输入端接收电容测量电路的直流电压信号，并通过串口将数据发送到上位机。

步骤三：利用上位机的数据采集通信系统采集到数据后利用图像重建系统对采集到的数据进行图像重建，得到材料内部缺陷情况。

本步骤中，所述数据采集通信系统和图像重建系统是利用MFC以及C++编写而成。

本步骤中，所述图像重建系统主要需要电容传感器将被测物体的介质分布情况转换为电极对间的电容值，然后根据这个电容值求解物质的分布情况。根据高斯通量定理可得：

式中：为电容值，Q为传感器极板上的感应电荷，V为两电极板间的电位差，ε(x,y)为被测物体截面的介质分布情况，为被测物体截面的电场分布情况。每两个极板之间的电容：

式中：i、j分别表示源电极和测量电极的编号，C_i,j为不同电极间的电容值大小，D表示待测面的面积，S_i,j[x.y,ε(x,y)]为极板电容C_i,j的分布函数，即C_i,j对点(x,y)处的电介质的敏感程度。

通常为了便于求解，假设灵敏度分布函数受介质分布的影响很小，可忽略，则可表示为：

式中：S_i,j(x,y)为极板间电容C_i,j的灵敏度函数，即C_i,j对点(x,y)处的电介质的敏感程度。对其进行离散化和归一化，进一步可表示为：

C＝SG (6)；

其中，S为敏感场矩阵，C为电容矩阵，G为归一化介电常数矢量，它直接对应于重建图像的灰度值。

为了便于获取敏感场矩阵，一般敏感场的计算公式如下：

其中，S_i,j(x,y)为灵敏度函数，p(x,y)为位置信息，E_i(x,y)、E_j(x,y)为单电极通电时对应位置的电场强度，V_i、V_j为单电极的电压。根据公式(7)就可以利用COMSOL导出不同电极单独作用时的电场分布，从而求解出敏感场函数。

本步骤中，所述图像重建系统所使用的算法为奇异值分解算法。该算法的原理是利用数学上矩阵的奇异值分解将一个不能求逆的矩阵分解为多个矩阵，以此来求得矩阵的伪逆。依靠这个数学原理，利用公式(7)以及COMSOL导出的电场分布数据计算出敏感场矩阵S，然后对其进行分解，它可以分解成：

S＝QMZ^T；

其中，Q、Z为正交矩阵，M为对角矩阵。对其进行求逆后就可以和电容矩阵C一起求解出G。求解结果就能对应于传感器上方物质的介电常数分布情况。仿真实验结果如图4所示。由此能对传感器上方的试样进行成像检测，当试样中存在缺陷时，能依靠重建出的图像进行判断，此外还可通过图像处理技术对缺陷位置进行定位，达到自动化的可视检测，为各种材料的无损检测提供一种新的手段与方法。