一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法技术

本发明专利技术公开了一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法，包括：对电容传感器以及被测物体按照传感器的实际尺寸建立三维模型；根据电磁场理论，以传感器电极阵列的中心为中心建立两个半径不同的球体，将整个三维模型分为四部分；对被测物体进行单元类型定义，采用三角自由划分对电容传感器进行单元划分，根据单元类型采用映射划分方式对被测物体进行单元划分，完成同面阵列电容传感器以及被测物体敏感场建模，能够根据对同面阵列电容成像系统的近场和远场进行三维建模来求解灵敏度矩阵，通过深度方向上对敏感场的分层划分和在水平方向上对敏感场的分单元划分，能够获取质量好的灵敏度矩阵，帮助图像重建以及进一步的图像检测和图像分析。

A Sensitive Field Modeling Method for Coaxial Array Capacitance Sensors

The invention discloses a method for modeling the sensing field of a capacitance sensor array in the same plane, which includes: building a three-dimensional model of the capacitance sensor and the object under test according to the actual size of the sensor; building two spheres with different radius around the center of the sensor electrode array according to the theory of electromagnetic field, dividing the whole three-dimensional model into four parts; and carrying out unit type for the object under test. Definition, triangular free partition is used to divide the capacitance sensor unit, mapping partition is used to divide the measured object unit according to the type of unit, and the model of the capacitance sensor and the sensitive field of the measured object is completed. The sensitivity matrix can be solved by three-dimensional modeling of the near field and far field of the capacitance imaging system of the same plane array, and the depth direction can be used. Hierarchical division of sensitive field and subdivision of sensitive field in horizontal direction can obtain high quality sensitivity matrix, help image reconstruction and further image detection and image analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法
本专利技术涉及电容成像
，尤其涉及一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法。
技术介绍
电容成像检测技术是一种基于边缘电容效应，适用于非导电材料内部缺陷和导电材料表面缺陷检测的新兴无损检测技术，其利用检测探头在非导电被测试件内部和导电材料表面形成特定的电场分布进行缺陷的检测和评估。当无缺陷时，电场分布无扰动；当有缺陷存在时，会改变电场的分布并引起检测极板上电荷的变化。在图像重建过程中需要借助灵敏度矩阵S将电容传感器测量得到的电容信号反演出介电常数的分布情况，所以S的准确与否直接关系到重建效果的好坏。因此，灵敏度矩阵的获取对图像重建具有重要的指导意义。传统环状阵列电容传感器需要选取垂直电容传感器极板的平面进行图像重建，和其类似，同面阵列电容传感器也需要选取与极板相平行的平面进行图像重建。由于距离传感器极板的距离不同，导致不同深度上的电场强度有较大差别，进而使得不同层的灵敏度矩阵性质并不相同，影响后期灵敏度准确度的计算。
技术实现思路
针对上述缺陷或不足，本专利技术的目的在于提供一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法。为达到以上目的，本专利技术的技术方案为：一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法，其特征在于，包括：1)、对电容传感器以及被测物体按照传感器的实际尺寸建立三维模型；2)、根据电磁场理论，以传感器电极阵列的中心为中心为中心建立两个半径不同的球体，将整个三维模型分为四部分，包括测量区域、近场区域、远场区域、以及无穷远；3)、对被测物体进行单元类型定义，采用三角自由划分对电容传感器进行单元划分，根据单元类型采用映射划分方式对被测物体进行单元划分，完成同面阵列电容传感器以及被测物体敏感场建模。所述将整个三维模型分为四部分具体为：被测物体及电容传感器为检测区域，小半径球体内除去检测区域后的剩余空间为近场区域，大半径球体与较小半径球体的中间区域为远场区域，大半径球体外部区域设定为无穷远。所述采用映射划分方式对被测物体进行单元划分具体包括：3.1、将被测物在深度方向对敏感场进行单元划分，深度方向上平均分为若干层，每层的厚度均相同；将靠近电容传感器的一层定义为第一层，向上依次排列；3.2、对每一层的敏感场进行独立求解计算，每层敏感场求解得到一个灵敏度矩阵，得到若干个灵敏度矩阵；3.3、根据每层的灵敏度矩阵，对被测物体的各层灵敏度进行深度图像重建；3.4、在深度图像重建基础上，在水平面上对敏感场进行单元划分，将敏感场的长宽分为n等份并采用映射划分方法将每层的敏感场分为n2个单元，求解每个单元的灵敏度矩阵值，对被测物体进行图像重建。所述对被测物体进行单元类型定义包括：被测物体的单元类型定义为三维四面体静电实体单元SOLID123，传感器以及近场区域的单元类型定义为三维二十节点静电实体单元SOLID122，远场区域的单元类型定义为三维远场单元INFIN111。所述灵敏度矩阵计算公式为：式中Si,j(x,y)表示电极对i-j在(x,y)位置处的灵敏度；Ei(x,y)表示对第i号电极施加电压信号时(x,y)位置处的电场强度；Ej(x,y)表示对第j号电极施加电压信号时(x,y)位置处的电场强度；p(x,y)表示所求解的敏感场区域；Vi，Vj表示施加在极板上的电压激励。与现有技术比较，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法，能够根据对同面阵列电容成像系统的近场和远场进行三维建模来求解灵敏度矩阵，通过深度方向上对敏感场的分层划分和在水平方向上对敏感场的分单元划分，能够获取质量好的图像重建，能够获取质量好的灵敏度矩阵，帮助图像重建以及进一步的图像检测和图像分析。附图说明图1是本专利技术同面阵列电容传感器的敏感场建模方法图；图2是本专利技术电极与屏蔽仿真模型图；图3是本专利技术电容传感器三维模型图；图4是本专利技术三维模型区域划分图；图5是本专利技术传感器及被测物体的划分结果图；图6是本专利技术敏感场分层划分图；图7是本专利技术图各层灵敏度重建图像图；图8是本专利技术不同划分方式下灵敏度的分布图；图9是本专利技术不同划分方式下的二维重建图像图；图10是本专利技术不同划分方式下Z轴量化的重建图像图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术提供了一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法，包括：1)、对电容传感器以及被测物体按照传感器的实际尺寸建立三维模型；同面阵列电容传感器在工作环境下形成的电场为“似稳场”，符合ANSYS中静电场的仿真分析条件，所以本节采用ANSYS软件对敏感场进行三维仿真建模，求解灵敏度矩阵。示例性的，本专利技术采用的电容传感器的电极排布为4行3列，共有12个电容极板，该传感器包括电容极板、传感器壳体和屏蔽，在ANSYS软件中按照传感器的实际尺寸建立三维模型，电极与屏蔽的仿真模型如图2所示，图a为电容传感器的12个电极，其排列方式与实际排列方式相同，均为4行3列，电极的厚度为0.1mm。图b为在电极之间和电极周围添加的屏蔽，由于极间屏蔽和四周屏蔽材料属性相同，所以在建模过程中直接将屏蔽搭接成一个整体。此外，还需要在电极背面添加背部屏蔽来防止电场能量的损失。传感器壳体在建模过程中搭接在一起，并对其赋予相对介电常数数值为2.0的材料属性，图3中为最终的同面阵列电容传感器的仿真模型。2)、根据电磁场理论，以传感器电极阵列的中心为中心建立两个半径不同的球体，将整个三维模型分为四部分，包括测量区域、近场区域、远场区域、以及无穷远；建立电容传感器的三维模型后，根据实际需要建立相应尺寸的被测物体模型，然后根据电磁场理论，需要建立两个半径不同的球体将整个三维空间分为四部分，其中被测物体及传感器为检测区域，半径较小的球体内除去检测区域后的剩余空间为近场区域，较大半径球体与较小半径球体的中间区域为远场区域，此外，需要在较大半径球体的外表面添加远场标志，将较大半径球体外部区域设定为无穷远，如图4所示，本文所建立的远场半径为2000mm，近场半径为1000mm。3)、对被测物体进行单元类型定义，采用三角自由划分对电容传感器进行单元划分，根据单元类型采用映射划分方式对被测物体进行单元划分，完成同面阵列电容传感器以及被测物体敏感场建模。单元剖分是求解灵敏度矩阵的关键环节，必须根据实际需求选择恰当的划分方式。本文中电容传感器采用三角自由划分，被测物体采用映射划分方式，划分结果如图5所示。具体的，所述采用映射划分方式对被测物体进行单元划分具体包括：3.1、将被测物在深度方向对敏感场进行单元划分，深度方向上平均分为若干层，每层的厚度均相同；将靠近电容传感器的一层定义为第一层，向上依次排列；3.2、对每一层的敏感场进行独立求解计算，每层敏感场求解得到一个灵敏度矩阵，得到若干个灵敏度矩阵，所述灵敏度矩阵计算公式为：式中Si,j(x,y)表示电极对i-j在(x,y)位置处的灵敏度；Ei(x,y)表示对第i号电极施加电压信号时(x,y)位置处的电场强度；Ej(x,y)表示对第j号电极施加电压信号时(x,y)位置处的电场强度；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法，其特征在于，包括：1)、对电容传感器以及被测物体按照传感器的实际尺寸建立三维模型；2)、根据电磁场理论，以传感器电极阵列的中心为中心建立两个半径不同的球体，将整个三维模型分为四部分，包括测量区域、近场区域、远场区域、以及无穷远；3)、对被测物体进行单元类型定义，采用三角自由划分对电容传感器进行单元划分，根据单元类型采用映射划分方式对被测物体进行单元划分，完成同面阵列电容传感器以及被测物体敏感场建模。

【技术特征摘要】
1.一种同面阵列电容传感器的敏感场建模方法，其特征在于，包括：1)、对电容传感器以及被测物体按照传感器的实际尺寸建立三维模型；2)、根据电磁场理论，以传感器电极阵列的中心为中心建立两个半径不同的球体，将整个三维模型分为四部分，包括测量区域、近场区域、远场区域、以及无穷远；3)、对被测物体进行单元类型定义，采用三角自由划分对电容传感器进行单元划分，根据单元类型采用映射划分方式对被测物体进行单元划分，完成同面阵列电容传感器以及被测物体敏感场建模。2.根据权利要求1所述的同面阵列电容传感器的敏感场建模方法，其特征在于，所述将整个三维模型分为四部分具体为：被测物体及电容传感器为检测区域，小半径球体内除去检测区域后的剩余空间为近场区域，大半径球体与较小半径球体的中间区域为远场区域，大半径球体外部区域设定为无穷远。3.根据权利要求1所述的同面阵列电容传感器的敏感场建模方法，其特征在于，所述采用映射划分方式对被测物体进行单元划分具体包括：3.1、将被测物在深度方向对敏感场进行单元划分，深度方向上平均分为若干层，每层的厚度均相同；将靠近电容传感器的一层定义为第一层，向上依次排列；3.2、对每一层的敏感场进行独...

【专利技术属性】
技术研发人员：温银堂，任萍，孙东涛，张玉燕，王震宇，曹鹏鹏，张振达，任腾飞，李鹏程，潘钊，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13