代守強,陳棣湘,田武剛,潘孟春,任　遠

(國防科技大學(xué), 長沙 410000)

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用于熱障涂層檢測的柔性平面電容傳感器

代守強,陳棣湘,田武剛,潘孟春,任遠

(國防科技大學(xué), 長沙 410000)

對用于熱障涂層缺陷檢測的平面電容傳感器的工作原理進行了分析，利用COMSOL有限元仿真軟件對傳感器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，制備了可用于發(fā)動機葉片熱障涂層缺陷檢測的柔性平面電容傳感器，并對傳感器的性能進行了測試。測試結(jié)果表明，柔性平面電容傳感器可以有效地檢測出非金屬材料的缺陷。

平面電容;邊緣電場；COMSOL；熱障涂層

隨著噴涂技術(shù)的發(fā)展，涂層越來越多地被噴涂在金屬或非金屬的表面,用以增強器件的性能、延長器件的使用壽命，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)率進行檢測的方法均無法達到檢測涂層厚度和缺陷的目的。隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，平面電容傳感器已越來越多地應(yīng)用于復(fù)合材料和多層非金屬材料缺陷的檢測中;其通過測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的介電常數(shù)等屬性的變化，從而實現(xiàn)涂層厚度和缺陷的檢測。

筆者對用于熱障涂層缺陷檢測的平面電容傳感器的工作原理進行了分析，利用COMSOL有限元仿真軟件對傳感器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，制備了可用于發(fā)動機葉片熱障涂層缺陷檢測的柔性平面電容傳感器，并對傳感器的性能進行了測試。

1　平面電容傳感器原理分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

平面電容傳感器普遍用于檢測谷物的含水量[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，利用電場線穿透待測物進行檢測，具有單邊滲透，穿透深度和信號強度可調(diào)，不損傷待測物的優(yōu)點。平面電容的結(jié)構(gòu)有很多種，有圓盤型，回字型，圓電極叉指型、矩形交叉指型等。通過分析各種結(jié)構(gòu)的特點，矩形交叉指型電極具有更好的敏感場分布均勻性[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檢測原理的電容傳感器，最簡單的平面電容傳感器是由兩個電極放在同一平面上構(gòu)成的。對其中一個電極施加激勵，另一個電極上便會感應(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)動電極、感應(yīng)電極和保護電極組成。當(dāng)給驅(qū)動電極施加一定的電壓時(見圖3(a))，由于驅(qū)動電極與感應(yīng)電極之間存在的電勢差，電場線會從驅(qū)動電極流向感應(yīng)電極(見圖3(b))，當(dāng)電極下方的檢測物的屬性發(fā)生變化(厚度的變化或缺陷的出現(xiàn))時，會影響電場線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。通過測量感應(yīng)電極電壓的變化，就可以間接地檢測出檢測物屬性的變化。

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

對這種檢測原理進行理論推導(dǎo)，得到式(1)[5]，電勢隨檢測深度變化的分布情況為：

(1)

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

由式(1)可得式(2)，(3)，(4)。式(3)為測得的復(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。

通過對得到的復(fù)介電常數(shù)進行分析和處理，就可以進一步地判斷出涂層屬性的變化。通過對大量的數(shù)據(jù)進行仿真和反演，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)有待通過仿真分析進行優(yōu)化設(shè)計。

1.3優(yōu)化設(shè)計筆者利用COMSOL 5.0軟件對平面電容傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。COMSOL MULTIPHYSICS(簡稱 COMSOL)軟件不僅有界面簡潔，易于操作和繪制模型等優(yōu)點，還具有自動離散模塊和剖分網(wǎng)格的能力，同時還可方便快捷地計算出電容值、電場強度、電勢值等物理量。

直接影響平面電容傳感器檢測性能的兩個參數(shù)為傳感器的電場滲透深度和檢測靈敏度[6]，文章也主要從這兩個方面進行考慮。一直以來，對于叉指型平面電極的滲透深度沒有明確的計算公式。通過分析矩形叉指型平面電極的二維半波長模型和三維模型的電場線分布，發(fā)現(xiàn)對電場滲透深度影響最大的因素為電極的空間波長(即圖4中相鄰兩個感應(yīng)電極或驅(qū)動電極的軸心距)。滲透深度與不同深度處的電勢大小有關(guān)，當(dāng)電勢減小到一定范圍時可視為已超出平面電容的檢測范圍[7]。由式(1)可知，當(dāng)激勵電勢確定時，不同深度處的電勢大小只與電極的空間波長λ 有關(guān)。仿真時為了更明確地看出滲透深度與空間波長的關(guān)系，采用不斷改變待檢測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為1,2,3,4 mm時，極間電容與涂層厚度間的關(guān)系曲線。從圖5中可以看出，涂層厚度相同時,空間波長越短，極間電容的值越大；空間波長越長，電容值的拐點對應(yīng)的涂層越厚，即能檢測的深度越深，檢測深度約為空間波長的1/3。

圖5　不同空間波長時，涂層厚度與極間電容的關(guān)系曲線

通過對矩形叉指電極二維模型的仿真分析，得到了圖4中各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感器輸出信號的強度和靈敏度的影響。電極寬度和電極厚度均與電容值和檢測靈敏度(檢測靈敏度為傳感器檢測電容的變化相對于檢測樣本介電常數(shù)變化的比值)成正相關(guān)的關(guān)系；基底厚度與電容值負相關(guān)，但與檢測靈敏度正相關(guān)；而基底相對介電常數(shù)則與檢測對象的介電常數(shù)有關(guān)。然后再進一步分析三維模型(見圖6)，即可得到電極長度和電極極對數(shù)對檢測電容值的影響，最后可根據(jù)檢測對象的尺寸和特點，設(shè)計使互導(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電勢圖

2　平面電容傳感器的制備與性能測試

2.1樣品制備

隨著檢測技術(shù)發(fā)展的需要，檢測的對象已經(jīng)不僅僅局限于平整表面的檢測，而是出現(xiàn)了越來越多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要檢測。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面(如發(fā)動機葉片的涂層檢測)。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；然后再根據(jù)對電極其他結(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種不同空間波長的傳感器樣品照片。

圖7　不同空間波長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矩形叉指結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，每個叉指結(jié)構(gòu)的等效電路如圖8所示。平面電容傳感器是根據(jù)測量的需要,由多個矩形叉指結(jié)構(gòu)并聯(lián)起來組成的。

圖8　矩形叉指電極的電容等效電路圖

圖8中，R10為驅(qū)動電極與背板之間的電阻，C10為驅(qū)動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)動電極與感應(yīng)電極之間的電阻，C12為驅(qū)動電極與感應(yīng)電極之間的電容。其中R12、C12是待測參數(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對檢測結(jié)果的影響降到最小，將背板進行接地處理，這樣可在原理上消除R10、C10、R20、C20的影響。

2.3性能測試

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

利用COMSOL軟件對平面電容傳感器和檢測試件進行建模和仿真分析，分別得到空間波長為2,3,4 mm的傳感器對涂層厚度分別為0,380,500,600 μm的試件進行檢測時的仿真電容值。檢測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，并通過圖7所示的BNC接口連接到阻抗分析儀對電容值進行實測，仿真電容值與實測電容值的對比如表1所示。

從表1可看出，同一空間波長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，空間波長較長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。平面電容傳感器對不導(dǎo)電涂層的厚度具有很好的分辨能力，通過后期數(shù)據(jù)的處理和融合便可通過實測電容值反演出涂層的厚度，并可通過建立仿真模型進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。

表1　不同厚度涂層的仿真電容值與實測電容值

3　結(jié)語

在分析平面電容傳感器檢測原理的基礎(chǔ)上，采用COMSOL有限元仿真軟件對不同的電極結(jié)構(gòu)進行了仿真，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鳎捎米杩狗治鰞x對傳感器的性能進行了測試，并與仿真結(jié)果進行了對比。仿真和測試結(jié)果表明，所設(shè)計的平面電容傳感器可以滿足涂層缺陷檢測的需要。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(61671460)。

代守強(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電磁傳感與測量。

陳棣湘，E-mail: nudt_emgroup@163.com。

10.11973/wsjc201610002

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0006-04