同面8电极电容传感器灵敏度与激励信号的关系研究

朱 兵，董恩生，孙 超，宫 剑

(空军航空大学飞行器控制系，吉林长春 130022)



同面8电极电容传感器灵敏度与激励信号的关系研究

朱 兵，董恩生，孙 超，宫 剑

(空军航空大学飞行器控制系，吉林长春 130022)

先进复合材料具有比模量高、耐高温、耐疲劳等优点，在现代飞机上的用量越来越大。随着飞机服役年限的增加，复合材料构件会产生裂纹、内部分层等损伤。同面8电极技术可以用于飞机上复合材料构件的健康监测。高灵敏度的传感器可以检测到更细微的损伤，对检测结果有很大的影响。为使同面8电极电容传感器具有较高的灵敏度，通过实验研究了不同电压、频率及波形与同面8电极电容传感器灵敏度的关系。实验结果表明：激励信号的类型、幅值、频率以及矩形波激励信号的占空比对同面8电极电容传感器的灵敏度均有不同程度的影响。为选取合适的激励信号提供了依据。

复合材料；健康监测；同面8电极；激励信号；灵敏度；损伤

0 引言

随着科学技术的不断发展，具有比模量高、耐高温、耐疲劳等优点的先进复合材料在先进飞机上(机翼、尾翼、燃料箱、设备舱等)的用量越来越大。例如，在军用飞机上，瑞典研制的JAS-39狮鹰战斗机，复合材料占机身结构质量的30%；美国研制的V-22鱼鹰式倾转旋翼机，复合材料占机身结构质量的45%；美国研制的F-22，复合材料占机身结构质量的26%；欧洲四国研制的超音速战机EF-2000，复合材料占机身结构质量的43%；美国研制的轻型侦察攻击直升机RAH-66，复合材料用量达机身结构质量的51%；A400M军用运输机的复合材料用量达到全机质量的30%[1-2]。在民用飞机上，波音公司研制的B777飞机，其复合材料占结构质量的11%；波音B787飞机，复合材料占结构质量的50%；空客公司研制的A380，复合材料占结构质量的22%[3]。而复合材料在成型及使用过程中会产生缺陷或者损伤，降低飞机的安全性能，影响飞行安全。因此为了保障飞行安全，提高飞机安全性能，必须及时发现飞机复合材料构件中存在的缺陷及损伤。同面8电极电容传感器具有结构简单、成本低、体积小、性能优良和能在恶劣环境中工作等优点[4]，故将其用于复合材料构件的健康监测系统中，可以在不增加飞机整体质量及不影响飞机空气动力性能的条件下，完成复合材料健康数据的获取。使用灵敏度不同的传感器对检测结果有很大的影响，高灵敏度的传感器可以检测到更细微的损伤，具有更高的分辨率。本文设计了同面8电极电容传感器，通过实验研究了不同电压幅值、频率及波形的激励信号对同面8电极电容传感器灵敏度的影响，为同面8电极电容传感器选用合适的激励信号以获取高灵敏度提供了依据。

1 同面8电极电容传感器的结构及检测原理

针对平板型复合材料构件健康监测问题，借鉴电容层析成像中多电极电容传感器，设计了一种不同于传统电容传感器的同面8电极电容传感器，并用于飞机复合材料构件表面下异常的检测[5]。同面8电极电容传感器实物图如图1所示，基板尺寸为250 mm×90 mm，厚度为1.5 mm；检测电极长25 mm，宽10 mm；两端驱动电极长10 mm，宽10 mm；外围屏蔽宽6 mm；极间屏蔽长60 mm，宽1 mm，高1 mm；电极间隙为13 mm；传感器背面为地屏蔽全部接地。

图1 同面8电极电容传感器实物图

一对电极结构是同面8电极电容传感器的基本组成单元，由发射电极(激励电极)、接收电极、屏蔽电极和绝缘层构成，如图2所示。

图2 同面两电极电容传感器的结构示意图

同面两电极的上方为敏感区域。在发射电极(激励电极)施加激励信号，接收电极(检测电极)检测相应的响应信号。绝缘层的作用是避免驱动电极，发射电极以及接收电极发生短路。屏蔽电极用于防止电场线从下方穿过，增大传感器的敏感区域和避免边缘电场对传感器特性的不良影响，增加检测深度。

检测区域内同一位置的介质对不同电极对间的电容值影响程度不同。一个电极对间的电容值实际上可近似地看作是检测区内所有点对该电容贡献的迭加，因此每对电极电容的测量实质上是对检测区内复合材料介质分布的扫描，对于同面8电极电容传感器而言，一次完整的测量过程，可对检测区内复合材料介质分布进行28次不同角度的扫描，数据处理模块就是利用28个不同电容数据进行损伤识别[6]。

2 不同激励信号对同面8电极电容传感器灵敏度影响的实验研究

2.1 同面8电极电容传感器灵敏度的定义

灵敏度是传感器的输出增量与输入增量的比值[7]。同面8电极电容传感器的灵敏度Sc可以表示为：

(1)

式中：ΔUin为发射电极激励电压的变化量；ΔUout为接收电极响应电压的变化量。

实验采用Agilent33220A信号发生器可产生不同频率、不同幅值的正弦波、锯齿波、方波等激励信号，施加在同面8电极电容传感器两独立电极，分别采用完好复合材料及空气作为介质。利用DS1102E示波器CH1通道可以实时地显示检测电极的波形，利用CH2通道可实时显示激励信号的波形。信号发生器和示波器与同面8电极电容传感器的连接示意图如图3所示。

图3 激励信号作用实验示意图

2.2 激励信号的频率对灵敏度的影响

将幅值固定，频率、波形不同的激励信号，施加在源电极E1上，E2为检测电极。这时，输入电压的幅值不变，利用式(1)不能直观地表示出灵敏度随频率的变化关系。由于检测电极的响应电压相对于激励信号十分敏感，故可以通过检测电极输出电压的幅值间接地衡量同面8电极电容传感器的灵敏度。此时，灵敏度定义为

(2)

式中Uout为接收电极响应电压。

即在相同条件下，检测电极输出电压的幅值或者峰峰值越大(小)，同面8电极电容传感器的灵敏度越高(低)。将幅值为5 V而频率不同的正弦波、方波、锯齿波分别施加到同面8电极电容传感器的独立电极对(E1，E2)的激励电极上，测得的传感器灵敏度与激励信号频率的关系如图4所示。

图4 介质为完好复合材料频率与灵敏度的关系

Agilent33220A信号发生器输出的锯齿波频率范围为0～200 kHz，方波信号的频率范围为0～2 MHz，正弦波信号频率范围为0～2 MHz。由图4可知，同面8电极电容传感器的灵敏度在方波信号激励下随频率的增加而增大；在正弦波信号激励下，传感器的灵敏度随着频率的增加先增大后减小，且在频率达到200 kHz时，灵敏度最大；在锯齿波信号激励下，传感器的灵敏度随着频率的增加大致呈增大趋势，且当频率为200 kHz时传感器的灵敏度最大。

通过对比分析分别施加3种不同类型激励信号时传感器的灵敏度曲线可知，在0～200 kHz频率范围内，方波信号激励下的灵敏度最大，其次是正弦波，锯齿波最小。在200 kHz～2 MHz频率范围内，方波的灵敏度最大，其次是正弦波。因此，在相同的频率下，为了使传感器得到较大的灵敏度应选择方波为激励信号。

2.3 激励电压对灵敏度的影响

(3)

将频率为200 kHz而幅值不同的正弦波、方波、锯齿波分别施加在同面8电极电容传感器的独立电极对(E1，E2)的源电极上，测得的传感器灵敏度与激励信号幅值的关系如图5所示。

图5 介质为完好复合材料电压与灵敏度的关系

Agilent33220A信号发生器输出正弦波、方波、锯齿波的电压范围为0～5 V。由图5可知，当激励频率为200 kHz、介质为完好复合材料，激励幅值在2～3.1 V范围内时，选择正弦波信号作为激励能使同面8电极具有较好的灵敏度。当激励幅值在其他范围内时，选择方波作为激励信号能使同面8电极电容传感器具有较好的灵敏度。

2.4 矩形波激励占空比对灵敏度的影响

将幅值、频率固定，占空比不同的矩形波信号施加在源电极E1上，E2为检测电极。同样地，利用式(1)不能直观地表示出灵敏度随频率的变化关系。此时仍利用式(2)分析占空比与灵敏度的关系。Agilent33220A信号发生器输出的幅值为5 V，频率为10 kHz的矩形波为激励信号施加在同面8电极电容传感器的独立电极对(E1，E2)的激励电极上，通过实验系统测得传感器的灵敏度与激励信号占空比的关系如图6所示。

图6 占空比与灵敏度的关系

通过实验观察，当占空比小于10%时，由于矩形波的谐波含量高，对响应信号幅值影响较大，所以矩形波激励信号占空比范围选择为10%～80%。从图6中的占空比与灵敏度的关系曲线可以看出，介质为完好复合材料时，在一定的幅值与频率条件下，随着激励信号占空比的增加，除在45%～50%区间变化灵敏度增加外，在其余区间变化时传感器的灵敏度均随之变小。10%～30%、40%～60%、65%～75%灵敏度平缓减小。30%～40%、60%～80%灵敏度减小幅度较大。因此，在相同的频率和幅值下，占空比测试范围选择为10%～80%，为了得到较大的灵敏度应选择小占空比的激励信号。

介质为空气时，在一定的幅值与频率条件下，由占空比与灵敏度的关系曲线可知，随着占空比的增加，传感器的灵敏度曲线总体呈下降趋势。

同时，对比两曲线可知，在相同条件下，介质为完好复合材料时的灵敏度比介质为空气时的灵敏度高。为了避免谐波对检测结果的影响，同时使传感器具有较高的灵敏度，应选择占空比为50%左右的矩形波作为激励信号。

3 结束语

在飞机复合材料构件健康监测过程中，健康数据的获取是不可缺少的一环，同面8电极电容传感器可以在不增加飞机整体质量及不影响飞机空气动力性能的条件下获取复合材料的健康数据，将其应用在飞机复合材料构件的健康监测中具有很大的发展潜力。为了使同面8电极电容传感器具有更高的灵敏度，本文通过实验研究了不同电压、频率及波形的激励信号与同面8电极电容传感器灵敏度的关系，得出了在不同激励信号类型、幅值、频率以及矩形波占空比条件下灵敏度的变化特性，并分别给出了为使同面8电极电容传感器具有较高的灵敏度激励信号类型选取方法和激励幅值、频率及矩形波占空比的取值范围。为选用合适的激励信号以使同面8电极电容传感器具有较高的灵敏度提供了参考。

[1] 沈军,谢怀勤.先进复合材料在航空航天领域的研发与应用.材料科学与工艺,2008(5):737-740 .

[2] 陈吉平,苏佳智,郑义珠.复合材料成型工艺在A400M军用运输机上的应用. 航空制造技术,2008(10):32-35.

[3] 汪萍.复合材料在大型民用飞机中的应用. 民用飞机设计与研究,2008(3):11-15.

[4] WARSITO W, FAN L S.Measurement of real-time flow structures in gas-liquid and gas-liquid-solid flow systems using electrical capacitance tomography.Chemical Engineering Science, 2001, 56(6): 6455-6462.

[5] 董恩生,董永贵,吕文尔.同面多电极电容传感器的仿真与试验研究. 机械工程学报,2006(2):6-11.

[6] 李兰英,高明,陈德运.一种电容层析成像系统多电极激励方法. 电机与控制学报,2011(9):99-104.

[7] 颜华,张亮.不采用灵敏度矩阵的ECT图像迭代重建. 沈阳工业大学学报,2008(4):457-460.

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—)，硕士研究生，主要研究领域：异常检测技术。 E-mail：zhubingtqq@163.com 董恩生(1964—)，教授，主要研究领域：传感器异常检测技术。E-mail：DongEnsheng@tsinghua.org.cn