基于电容层析成像技术的烧蚀材料检测方法及装置

技术领域

本发明涉及飞行器的烧蚀材料检测技术，尤其涉及一种基于电容层析成像技术的烧蚀材料检测方法及装置。

背景技术

伴随着科技的进步，成像检测技术领域发展十分迅速。成像检测技术具有检测效率高、可视化、无损检测、精度高等优点。以X射线成像技术、红外热成像技术为代表的各种成像检测技术在军事、工业测试、医疗等领域被广泛的运用，大大提高了人们的检测能力，改善了人们的生活水平，促进了科学技术的发展。

其中，电学层析成像技术是20世纪80年代发展起来的一种基于电磁场敏感机理的层析成像技术，电学层析成像技术是电磁学、计算数学、生物学、医学、材料学等多个学科交叉融合的产物，在问世之初即受到了国内外研究人员的广泛关注。电学层析成像根据被测介质的电学特性的不同分为电容层析成像、电阻层析成像、电阻抗层析成像和电磁层析成像等。

电容层析成像技术是比较成熟的一种电学层析成像技术，其工作原理是基于不同的物质具有不同的介电常数，采用特殊设计的敏感阵列传感器，通过测量敏感电极之间的电压值，利用适当的图像重建算法构建目标场域内介质的分布情况，进而实现两相流介质分布的可视化测量。

飞行器的烧蚀材料在飞行器隔热中起到关键的作用，但是在承受着大气高速摩擦的高温和机械条件下，飞行器的表面烧蚀材料会产生耗损。当烧蚀材料因为摩擦烧蚀等因素被耗损到一定厚度，或者因为意外因素产生缺陷坑时，其防护隔热效果降低，外表面的热量会通过防护材料较薄的地方传递到飞行器壳体，导致飞行器内部的温度升高，高温会影响内部仪器的正常工作，增加了飞行器内仪器仪表的故障率，对飞行器的安全也会产生一定的隐患，若温度持续升高超过飞行器表面材料极限温度，在外力的作用下会导致飞行器壳体的损坏甚至解体。因此需要对飞行器的烧蚀隔热材料进行检测，防止因为烧蚀材料的过度耗损而给飞行器带来不必要的危险。

现有的成像检测技术难以在复杂环境下对特殊材料进行成像检测，面对越来越高的检测需求，提出将电学层析成像技术应用于烧蚀材料的检测，研制一种可对飞行器表面烧蚀材料进行检测的测量方法，最终目标为实现预置材料成像，并得出探测距离。

发明内容

针对现有的成像检测技术难以在复杂环境下对烧蚀材料进行成像检测的问题，本发明提出基于电容层析成像技术的烧蚀材料检测方法及装置，研究该检测技术在飞行器烧蚀材料的单面检测中的相关机理和实现方法，为这项新型测试技术实现对飞行器烧蚀材料烧蚀检测提供一定的理论和实验基础。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：基于电容层析成像技术的烧蚀材料检测方法及装置，包括平面阵列电容传感器单元、电容采集单元、PC端图像重建单元，所述的平面阵列电容传感器单元用来测量被测场中被测物在测量电极间的电容值，通过12根同轴屏蔽线缆与所述的电容采集单元连接；所述的电容采集单元主要完成将所述的平面阵列电容传感器单元的信息读取并传输至所述的PC端图像重建单元，同时也响应所述的PC端图像重建单元的控制指令进行工作，与所述的PC端图像重建单元通过RS422异步串行通讯完成数据交互。

上述平面阵列电容传感器单元的传感器阵列为3*4(行*列)；极板长度为40mm；极板宽度为30mm；间距为3mm；极间屏蔽位于极板间距中间位置，宽度为1mm；基板厚度为2mm，介电常数为4.2到5.0的PCB板材。

上述PC端图像重建单元完成所述的电容采集单元工作状态的评估，向电容采集单元发送控制指令以及对电容采集单元发送过来的信号进行处理，采用Landweber迭代的图像算法，进行图像重建。

上述电容采集单元包括：微控制器电路、激励信号放大电路、数模转换电路、阵列开关选通电路、C/V转换电路、可编程增益放大电路、相位解调电路以及模数转换电路，所述的微控制器电路通过串口接收PC端图像重建单元发送的控制指令，控制所述的数模转换电路输出激励信号，并经过所述的激励信号放大电路放大后通过所述的阵列开关选通电路加载到所述的平面阵列电容传感器单元的极板上；所述的C/V转换电路采集来自所述的阵列开关选通电路的电容信号，并转换为交流电压信号，经过所述的可编程增益放大电路和相位解调电路处理后，通过模数转换电路转换成数字信号，并通过微控制器电路发送给PC端图像重建单元进行处理、成像。

上述微控制器电路采用意法半导体公司的STM32F103系列单片机作为控制器芯片，通过串口向数模转换电路输出控制信号；通过I/O管脚输出阵列开关选通电路的控制信号，输出可编程增益放大电路的增益调节控制信号，输出模数转换电路的控制信号；通过串口和PC端图像重建单元进行数据交互。

上述数模转换电路主要包括型号为AD9958的数模转换芯片，接收来自微控制器电路的控制信号，将数字控制信号转换为模拟信号输出。

上述激励信号放大电路主要包括型号为AD620的仪表放大器，完成对数模转换电路输出模拟信号的一级放大以达到所述的平面阵列电容传感器单元所需激励信号电压幅值范围。

上述阵列开关选通电路通过所述的微控制器电路的输出控制信号进行选通：所述的阵列开关选通电路一端连接平面阵列电容传感器单元，是激励信号放大电路输出的激励电压信号进入平面阵列电容传感器单元以及平面阵列电容传感器单元输出的电容信号进入C/V转换电路的通道；

进一步的，所述的阵列开关选通电路可选通三种工作模式：激励模式、检测模式以及接地模式。

上述C/V转换电路是基于交流激励型的C/V转换电路，完成电容信号转换为输出交流电压幅值信号。

上述可编程增益放大电路主要包括型号为THS7001的编程增益放大器，根据不同的通道调节放大倍数使输出电压范围较为集中。

上述相位解调电路主要包括型号为AD633四象限乘法器，采用正交化数据处理方法排除经过C/V转换电路以及可编程增益放大电路处理后产生的相移。

上述模数转换电路主要包括型号为ADS8588的数模转换芯片，将所属的相位解调电路输出的模拟信号转换成数字信号，并将采集数据传输给微控制器电路。

在进行飞行器烧蚀材料检测试验时，提出如下检测方法：

S1:上电、自检：上述电容采集单元上电后检查工作状态，自检无故障后，所设的微控制器电路控制装置进入指令等待状态，PC端图像重建单元通过串口通讯设置后的通讯状态完成当前电容采集单元工作状态的评估，确保工作状态良好后给电容采集单元发送指令；

S2：指令等待状态判断工作模式：电容采集单元内部微控制器电路收到来自PC端图像重建单元发出的激励模式控制指令后，微控制器电路通过串口将指令发送给数模转换电路，同时微控制器电路的输出控制信号到阵列开关选通电路进行激励模式选通；

S3：数模转换电路配置驱动：数模转换电路接收来自微控制器电路的控制信号，输出激励信号，经由激励信号放大电路放大后，激励平面阵列电容传感器单元工作；

S4：阵列开关选通电路选通检测模式：平面阵列电容传感器单元被激励后，微控制器电路输出控制信号到阵列开关选通电路进行检测模式选通；

S5：可编程增益切换、模数采集转化：来自平面阵列电容传感器单元的电容信号，经由C/V转换电路将待测电容信号转换为输出交流电压幅值信号，同时微控制器电路输出可编程增益放大电路的增益调节控制信号，输出模数转换电路的控制信号，进行数据的采集转化；

S6：微控制器数据处理：微控制器电路接收模数转换电路的数字信号，同一通道多次循环采集，并将数据发送给PC端图像重建单元；

S7：数据发送、成像：PC端图像重建单元接收到数据后，运用图像重构算法对数据进行处理，最后转化为图像在PC端显示出来；同时，微控制器电路判断12个通道全部采集完成，发送控制信号到阵列开关选通电路进行接地模式选通，并等待下一次指令的发出，至此采集成像工作结束。

本发明通过PC端图像重建单元、电容采集单元、平面阵列电容传感器单元三个部分配合工作，实现由PC端图像重建单元按预设的参数发送控制信号给电容采集单元，电容采集通过12根同轴屏蔽线缆发送激励信号给平面阵列电容传感器单元；电容采集单元采集平面阵列电容传感器单元的电容信号再经过转换后发送给PC端图像重建单元；PC端图像重建单元对接受到的数据进行分析成像。与传统的成像方式相比，基于平面阵列电容传感器的层析成像技术利用电容器对介质介电系数敏感的特性，可以对不导电的特殊材料进行非接触式检测，也不需要耦合剂等对材料侵入式的介质，对材料本身影响极低，具有检测精度高、结构简单、可视化、反应灵敏的优点，具有较高的实用性价值。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的系统流程图。

图3为本发明的成像实验烧蚀材料空洞相对位置示意图。

图4为本发明的距离极板表面不同高度图像重建结果图。

图1中：1、PC端图像重建单元；2、电容采集单元；3、12根同轴屏蔽线缆；4、平面阵列电容传感器单元；5、微控器电路；6、数模转换电路；7、激励信号放大电路；8、阵列开关选通电路；9、C/V转换电路；10、可编程增益放大电路；11、相位解调电路；12、模数转换电路。

具体实施方法

如图1所示，本发明包括平面阵列电容传感器单元4、电容采集单元2、PC端图像重建单元1，所述的平面阵列电容传感器单元4用来测量被测场中被测物在测量电极间的电容值，通过12根同轴屏蔽线缆3与所述的电容采集单元2连接；所述的电容采集单元2主要完成将所述的平面阵列电容传感器单元4的信息读取并传输至所述的PC端图像重建单元1，同时也响应所述的PC端图像重建单元1的控制指令进行工作，与所述的PC端图像重建单元1通过RS422异步串行通讯完成数据交互。

选取一块有空洞的航天烧蚀材料，放置在平面阵列电容传感器房源的上方，其包含位置及材料中空洞的位置如图3所示，将本发明的各个单元部连接好，检查无误后给系统上电，具体工作流程如图2所示：

S1:电容采集单元2上电后检查工作状态，自检无故障后，微控制器电路5控制装置进入指令等待状态，PC端图像重建单元1通过串口通讯设置后的通讯状态完成当前电容采集单元2工作状态的评估，确保工作状态良好后给电容采集单元2发送指令。

S2：电容采集单元2内部微控制器电路5收到来自PC端图像重建单元1发出的激励模式控制指令后，微控制器电路5通过串口将指令发送给数模转换电路6，同时微控制器电路5的输出控制信号到阵列开关选通电路8进行激励模式选通；

上述数模转换电路6的数模转换芯片AD9958由于功耗限制，输出信号幅值范围达不到阵列式电容传感器单元4所需激励信号电压幅值范围，需要对数模转换电路6输出信号进行放大。通过激励信号放大电路7仪表放大器AD620将激励信号放大并把此信号作为平面阵列电容传感器单元4的的激励信号。

S3：平面阵列电容传感器单元4被激励后，微控制器电路5输出控制信号到阵列开关选通电路8进行检测模式选通。

S4：来自平面阵列电容传感器单元4的电容信号，经由C/V转换电路9将待测电容信号转换为输出交流电压幅值信号，同时微控制器电路5输出可编程增益放大电路10的增益调节控制信号，输出模数转换电路12的控制信号，进行数据的采集转化；

上述可编程增益放大电路10接收来自C/V转换电路9输出的交流电压幅值信号，由于不同的平面阵列电容传感器单元4的电极板对间的电容值差距较大，在经过了C/V转换电路9后，输出电压变化范围较大，对后续电压幅值的检测带来了不利影响，需要根据不同的通道调节放大倍数使其输出电压范围更集中；

上述相位解调电路11接收可编程增益放大电路10发送过来的电压信号，由于电压信号在经过C/V转换电路9以及可编程增益放大电路10后会产生相移，在乘法器运算结果中会有一个正弦值相乘分量，这个分量会对输出结果产生影响，所述的相位解调电路11通过对电路分析计算出电路中的相移角度，在乘法器的另一路输入预添加一个相移延迟角度，减小对输出结果的影响；

上述相位解调电路11对电压信号进行转换并优化后，经由模数转换电路12将模拟电压信号转换为数字信号，并将采集数据传输给微控制器电路5。

S5：微控制器电路5接收模数转换电路12的数字信号，在将数据处理完成后，发送给PC端图像重建单元1。

S6：上述PC端图像重建单元1接收到数据后，运用图像重构算法对数据进行处理，最后转化为图像在PC端显示出来；同时，微控制器电路判断12个通道全部采集完成，发送控制信号到阵列开关选通电路进行接地模式选通，并等待下一次指令的发出，至此采集成像工作结束。

如图4所示，在PC端图像重建单元1、电容采集单元2、平面阵列电容传感器单元4的配合工作下，本发明可实现对被测物体的精确成像试验，实例就预设烧蚀材料距离平面电容传感器阵列单元4表面2mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm高度进行了成像重建，成像结果如图4所示(从左至右，从上至下，依次对应2mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm高度成像)，表明烧蚀材料在距离平面电容传感器阵列单元较近的位置，其成像结果受到相邻极板影响较大，成像结果失真，当距离逐渐变大时，成像结果先变好再变差，可见，本发明可以做到精确成像，为飞行器烧蚀材料烧蚀检测提供一定的理论和实验基础，具有一定的新颖性、创新性和实用性。