[发明专利]一种用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统及其检测方法

权利要求书

1.一种用于多孔介质绝缘板材渗水的检测系统，其特征在于，包括依次连接平行电容阵列传感器、电容测量模块和上位机；其中

所述平行电容阵列传感器，包括激励检测电极板和多个电极接口，所述激励检测电极板的内侧依次是被测多孔介质绝缘板材和舱体金属外壳，利用金属的导电性将被测区域的舱体金属外壳作为公共电极；所述激励检测电极板的内侧设有与被测多孔介质绝缘板材相接触的阵列电极，该阵列电极由N个平行设置的矩形电极构成，每个矩形电极与位于激励检测电极板上相对应的一个激励检测电极接口连接；所述激励检测电极板的外侧覆盖有屏蔽层，用于避免外界噪声信号的干扰和内部电场的泄露；所述激励检测电极板上还设有共地电极接口；所述被测舱体金属外壳上设有共地电极接口和公共电极接口；所述激励检测电极板上的任一电极与公共电极形成一个电极对，阵列电极与公共电极间形成的垂直区域为检测敏感区域，被测多孔绝缘板材的尺寸完全覆盖该敏感区域沿被测多孔绝缘板材所在平面方向的投影面积；

所述电容测量模块，与所述平行电容阵列传感器内的各电极接口连接，用于对平行电容阵列传感器产生激励和检测信号，并依次采集平行电容阵列传感器中各电极对的横向、纵向两组电容信息；所述横向、纵向两组电容信息是通过将平行板阵列电容传感器的激励检测电极板沿检测敏感区域中心水平旋转90°获得；

所述上位机，内设电场灵敏度分布计算模块和图像重建数据分析模块，该上位机与电容测量模块连接，并控制协同电容测量模块提供激励信号和收集电容信息；所述图像重建数据分析模块根据电容测量模块获得的平行电容阵列传感器的横向、纵向两组电容信息，结合电场灵敏度分布计算模块得到的电极灵敏场的分布获得不同观察角度下电容信息的“投影数据”，对所有电极对横向、纵向交叉位置的数据信息进行归一化处理，通过成像算法获得多孔介质绝缘板材的渗水位置和渗水程度。

2.一种根据权利要求1所述检测系统的检测方法，其特征在于，该检测方法依次通过数据采集、信息处理、图像重建以及数据分析，实现多孔介质绝缘板材渗水位置和渗水程度的确定，具体包括以下步骤：

步骤M1：数据采集

步骤M1.1：电容信息采集

步骤M1.1.1：将所述平行板阵列电容传感器的激励检测电极板固定在被测多孔介质绝缘板材外表面，公共电极始终接地，电容测量模块向阵列电极发送激励信号，阵列电极分别与公共电极形成各电极对；电容测量模块向阵列电极发送检测信号，依次获取各电极对的电容，得到平行板阵列电容传感器横向的电容分布；

步骤M1.1.2：将平行板阵列电容传感器的激励检测电极板沿检测敏感区域中心水平旋转90°，重复步骤M1.1.1完成纵向各电极对电容的检测，得到平行板阵列电容传感器纵向的电容分布；

步骤M1.2：电场灵敏度信息采集

根据介电常数的变化引起电场强度变化的特性，上位机通过有限元方法沿检测敏感区域厚度方向Z平均分为L层获取已加载激励信号的平行板阵列电容传感器的电场强度分布，X方向和Y方向均位于公共电极板所在平面，根据各层电场强度分布计算各层电场灵敏度矩阵S_z，包括如下步骤：

选择有限元网格对第z层的检测敏感区域剖分成K＝m×m个像素，记S_i,z(k)为第z(1≤z≤L)层中第i个激励检测电极与公共电极形成的电容传感器对第k个像素的电场灵敏度值，为第z层电场灵敏度矩阵S_z内的元素，S_i,z(k)近似表示为：

S_i,z(k)＝-E_i(x,y,z)·E(x,y,z)

式中，E_i(x,y,z)为第i个激励检测电极施加激励信号、公共电极接地时平行板阵列电容传感器内部的电场强度，1≤i≤N；E(x,y,z)为公共电极施加激励信号、第i个激励检测电极接地时平行板阵列电容传感器内部的电场强度；x、y、z为第k个像素的三维坐标值，x、y为有限元网格划分的平面坐标，z为待求电场强度分布所在的层数，1≤x≤m，1≤y≤m，1≤z≤L；

按照上述步骤依次确定各层电场灵敏度矩阵S_z，然后对所有层电场灵敏度矩阵进行加权平均得到最优电场灵敏度矩阵S；

步骤M2：信息处理

步骤M2.1：电容信息处理

上位机对步骤M1.1获取的横向、纵向两个正交方向的所有电容分布信息c进行归一化处理，归一化公式为：

式中，λ为电容分布归一化值；c_empty表示被测的多孔介质绝缘板材没有任何渗水时的电容信息，c_full表示被测的多孔介质绝缘板材中所有孔隙渗满水时的电容信息；

步骤M2.2：电场灵敏度信息处理

上位机对步骤M1.2对获得的电场灵敏度矩进行归一化处理，电场灵敏度归一化公式为：

式中，为第z层、第i个激励检测电极施加激励信号、第k个像素的电场灵敏度值的归一化值；S_i,z(k)为步骤M1.2确定的第z层、第k个像素的电场灵敏度值；

按照上述步骤依次确定各像素的电场灵敏度矩阵归一化值，并构成归一化电场灵敏度矩阵S^*；

步骤M3：图像重建

上位机根据步骤M2.1确定的电容分布归一化值λ和步骤M2.2确定的归一化电场灵敏度矩阵S^*在上位机内根据图像重建算法获得所述检测敏感区域介质分布的断层图像；根据该检测敏感区域介质分布的断层图像通过反演算法确定所述检测敏感区域介质的介电常数；

步骤M4：数据分析

上位机通过步骤M3获得的断层图像直接确定多孔介质绝缘板材的渗水位置；上位机根据步骤M3确定的检测敏感区域介质的介电常数与实际介质的介电常数之间的相对误差判断多孔介质绝缘板材的渗水程度，所述相对误差越小，则多孔介质绝缘板材的渗水程度越严重。