基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置

1.本发明属于非金属复合材料老化状态检测技术领域，尤其涉及一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置。


背景技术：

2.非金属复合材料作为一种替代传统材质的新型复合材料，在许多领域都具备广泛的应用前景，例如非金属复合材料的典型代表玻璃钢，由于其具有性能稳定、抗疲劳、使用寿命长、耐高温、耐腐蚀、可设计性强、机械强度高等优点，在石油化工、建筑、汽车及铁路交通运输等领域中得到日趋广泛的使用。以石油化工领域为例，玻璃钢被广泛用于耐腐蚀输油管道、储罐和储槽等。
3.然而，非金属复合材料制备的输油管道、储罐和储槽长期暴露于室外环境，受到紫外线、雨水及土壤酸碱侵蚀以及机械冲击等作用的影响会出现老化现象，威胁设备安全长周期的正常服役，存在安全隐患。因此对非金属复合材料的老化状态评估是十分必要的。
4.目前，现有常用的非金属复合材料老化状态的评估方法主要有目视检查法、微观表面成像法、力学性能测试和热分析技术测试等。
5.其中，目视检测法是最直接的检测方法，但是检测受到操作人员的主观影响，检测精度低；微观表面成像法通过扫描电镜对材料的微观结构形态进行观察，检测结果直观，但是扫描电镜价格昂贵，检测过程繁琐冗长，检测所需（环境）要求较高；力学性能测试通过对材料做拉伸弯曲等实验，对被测材料定量评估，但是会破坏被测材料，无法检测在役材料；热分析技术测试热失重、固化温度、膨胀系数，评估准确专业，但是也会破坏被测材料，无法检测在役材料。综上所述，上述现有检测工艺在检测过程中会对材料本身造成破坏，且需要昂贵的实验设备，现场适应性差，均无法对非金属复合材料制备的输油管道、储罐和储槽进行老化状态评估。
6.而相关研究成果表明，电容成像检测技术对实现非金属复合材料的老化状态评估具备着得天独厚的优势。电容成像检测技术利用共面电容两极板之间的边缘电场实现检测。具体的，由于缺陷与试样之间介电特性的不连续性，会导致电场模式发生变化，进而改变输出信号。因此，基于非金属复合材料的老化必然改变材料的介电特性，且电容检测具有非接触、高精度、高灵敏度、单面检测等特优点，可以实现对非金属复合材料老化状态的无损评估。
7.然而发明人在进一步研究后发现，现有的电容检测系统受限于固定的激励与接收电极和通道，只能设计成单一的（空间）波长。而不同老化深度的原位测量需要频繁更换探头，无法实现对非金属复合材料的多深度老化状态进行快速、稳定、准确地实时检测。因此，有必要提出一种占用体积小、现场检测适应性好、不需要破坏非金属复合材料原始状态、检测稳定性好、可以多深度检测非金属复合材料的老化状态设备，以满足实际工程的应用需求。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，该检测装置通过切换控制信号，使激励控制模块选通不同检测深度所对应的激励电极、检测电极的组合，可以实现对非金属复合材料老化状态浅、中等和深三种层次的深度检测。该检测装置的现场适应性好，可以在不更换探头的情况下实现多深度检测，方便灵活，简单便携，实现了多深度无损检测非金属复合材料的老化状态。
9.为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，包括有：传感器单元以及仪器控制端；所述仪器控制端中包括有信号发生模块、信号放大器、锁相放大器、切换控制与数据采集模块；所述传感器单元中包括有激励电极、检测电极、激励控制模块以及信号初级处理模块；其中，激励电极和检测电极采用打印印刷的方式，制备形成在同一pcb基底板上。
10.进一步优选的，pcb基底板上制备形成的检测电极具体包括有第一检测电极、第二检测电极、第三检测电极、第四检测电极；其中，第一检测电极、第二检测电极、第三检测电极、第四检测电极构成第一检测电极组，第一检测电极、第二检测电极、第三检测电极、第四检测电极的特征相同且顺次等间隔设置；pcb基底板上制备形成的激励电极具体为第一激励电极、第二激励电极、第三激励电极、第四激励电极、第五激励电极、第六激励电极、第七激励电极；其中，第一激励电极、第三激励电极、第五激励电极与第七激励电极构成第一激励电极组，第二激励电极与第六激励电极构成第二激励电极组，第四激励电极构成第三激励电极组；第一激励电极设置在第一检测电极背离第二检测电极侧，第三激励电极设置在第二检测电极背离第一检测电极侧，第五激励电极设置在第三检测电极背离第四检测电极侧，第七激励电极设置在第四检测电极背离第三检测电极侧；第一激励电极、第三激励电极、第五激励电极与第七激励电极的特征相同，且第一激励电极至第一检测电极之间的距离、第三激励电极至第二检测电极之间的距离、第五激励电极至第三检测电极之间的距离、第七激励电极至第四检测电极之间的距离均相同；第二激励电极设置在第一激励电极、第三激励电极之间的中间位置处，第六激励电极设置在第五激励电极、第七激励电极之间的中间位置处，且第二激励电极与第六激励电极的特征相同；第四激励电极设置在第二激励电极、第六激励电极之间的中间位置处。
11.进一步优选的，所述激励控制模块由多路复用模块和激励分配模块构成；多路复用模块由第一多路复用器和第二多路复用器构成；激励分配模块由分别与第一激励电极组、第二激励电极组、第三激励电极组中的各个激励电极一一对应设置的多个激励分配电压跟随器构成；其中，第一多路复用器与激励分配模块相配合，用于控制第一激励电极组和第二激励电极组；第二多路复用器与激励分配模块相配合，用于控制第三激励电极组；第一多路复用器、第二多路复用器选用型号为mux509ipwr的芯片；激励分配模块中的多个激励分配电压跟随器选用型号为lm7332max/nopb的芯片；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的vdd引脚接 5v工作电压；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的vss引脚接-5v工作电压；芯片型号为mux509ipwr的第一多
路复用器的en引脚接高电平；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的a0引脚、a1引脚与切换控制与数据采集模块的数字控制信号输出端相连接，且a0引脚和a1引脚均连接有一个下拉电阻；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的gnd引脚、s1a引脚、s3a引脚、s4a引脚、s1b引脚、s2b引脚、s4b引脚接地；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的da引脚与激励分配模块中与第一激励电极组相对应的激励分配电压跟随器的in a端相连接；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的db引脚与激励分配模块中与第二激励电极组相对应的激励分配电压跟随器的in a端相连接；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的vdd引脚接 5v工作电压；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的vss引脚接-5v工作电压；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的en引脚接高电平；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的a0引脚和a1引脚与切换控制与数据采集模块的数字控制信号输出端相连接，并且a0引脚和a1引脚均连接有一个下拉电阻；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的gnd引脚、s1a引脚、s2a引脚、s3a引脚接地；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的da引脚与激励分配模块中与第三激励电极组相对应的激励分配电压跟随器的in a端相连接；芯片型号为lm7332max/nopb的激励分配电压跟随器的v 引脚接 5v工作电压；芯片型号为lm7332max/nopb的激励分配电压跟随器的v-引脚接-5v工作电压；芯片型号为lm7332max/nopb的激励分配电压跟随器的outa引脚与对应的激励电极组中的各激励电极相连接。
12.进一步优选的，所述信号初级处理模块由跨阻放大模块和加法器模块构成；所述跨阻放大模块与第一检测电极组中的各检测电极一一对应设置，由跨阻放大器和信号初级处理同相比例放大器构成；其中，跨阻放大器与信号初级处理同相比例放大器均选用型号为tlv272idr的芯片，加法器选用型号为lm7332max/nopb的芯片；芯片型号为tlv272idr的跨阻放大器的vdd引脚接 5v工作电压；芯片型号为tlv272idr的跨阻放大器的gnd引脚接-5v工作电压；芯片型号为tlv272idr的跨阻放大器的2in-引脚与第一检测电极组中的对应检测电极相连接；芯片型号为tlv272idr的跨阻放大器的2out引脚与信号初级处理同相比例放大器的1in 引脚相连接；芯片型号为tlv272idr的信号初级处理同相比例放大器的vdd引脚接 5v工作电压；芯片型号为tlv272idr的信号初级处理同相比例放大器的gnd引脚接-5v工作电压；芯片型号为tlv272idr的信号初级处理同相比例放大器的1out引脚与芯片型号为lm7332max/nopb的加法器模块的in a引脚相连接；芯片型号为lm7332max/nopb的加法器模块的v 引脚接 5v工作电压；芯片型号为lm7332max/nopb的加法器模块的v-引脚接-5v工作电压；芯片型号为lm7332max/nopb的加法器模块的outa引脚与信号放大器的信号输入端相连。
13.进一步优选的，所述信号发生模块由有源晶振、分频器、信号发生高通滤波器、信号发生低通滤波器、信号发生同相比例放大器、信号发生电压跟随器构成；其中，分频器选用型号为74hc4040d,653的芯片，信号发生高通滤波器、信号发生低通滤波器和信号发生同相比例放大器均选用型号为tl084idt的芯片,信号发生电压跟随器选用型号为tl082的芯片；芯片型号为74hc4040d,653的分频器的vcc引脚接 5v工作电压；芯片型号为
74hc4040d,653的分频器的gnd引脚和mp引脚接地；芯片型号为74hc4040d,653的分频器的cp#引脚与有源晶振相连；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的vcc 引脚接 5v工作电压；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的vcc-引脚接-5v工作电压；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的1in 引脚与经过信号发生高通滤波器、信号发生低通滤波器、信号发生同相比例放大器与芯片型号为74hc4040d,653的分频器的输出信号端相连接；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的2in 引脚与1in 引脚相连；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的1out引脚与多路复用模块中芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的s2a引脚和s3b引脚相连，与多路复用模块中芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的s4b引脚相连；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的2in-引脚与2out引脚相连；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的2out引脚与锁相放大器的参考信号模块的输入端相连。
14.进一步优选的，所述信号放大器由信号放大第一高通滤波器、信号放大第一低通滤波器、信号放大第二低通滤波器、信号放大第二高通滤波器、信号放大第一同相比例放大器和信号放大第二同相比例放大器构成；信号放大第一高通滤波器、信号放大第一低通滤波器、信号放大第二低通滤波器、信号放大第二高通滤波器、信号放大第二同相比例放大器均选用型号为gs8094-sr的芯片，信号放大第一同相比例放大器选用型号为tlv271idbvr的芯片。
15.进一步优选的，所述锁相放大器由检测信号处理模块、参考信号处理模块、锁相放大多路复用器和锁相放大低通滤波器构成；检测信号处理模块由检测信号第一电压跟随器、检测信号第二电压跟随器、检测信号第一同相比例放大器、检测信号第二同相比例放大器、检测信号第一反相比例放大器、检测信号第二反相比例放大器构成；检测信号第一电压跟随器、检测信号第二电压跟随器、检测信号第一同相比例放大器、检测信号第二同相比例放大器、检测信号第一反相比例放大器、检测信号第二反相比例放大器均选用型号为lm7332max/nopb的芯片;参考信号处理模块由参考信号第一同相比例放大器、参考信号第二同相比例放大器，参考信号第一同相比例放大器后连接有参考信号第一电压比较器，参考信号第二同相比例放大器后连接有参考信号移相器和参考信号电压比较器；参考信号第一同相比例放大器、参考信号第二同相比例放大器和参考信号移相器均选用型号为lm7332max/nopb的芯片，参考信号电压比较器选用型号为tl3016cdr的芯片；锁相放大多路复用器选用型号为cd74hc4051m96的芯片；锁相放大低通滤波器由锁相放大第一低通滤波器和锁相放大第二低通滤波器构成；锁相放大第一低通滤波器和锁相放大第二低通滤波器均选用型号为tl082的芯片。
16.进一步优选的，所述切换控制与数据采集模块由数据采集卡和pc机构成；切换控制与数据采集模块与锁相放大器的两路输出信号相连；其中，数据采集卡选用型号为阿尔泰usb-2884。
17.本发明提供了一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，该检测装置包括有传感器单元以及仪器控制端；其中，仪器控制端中包括有切换控制与数据采集模块，与切换控制与数据采集模块相接连的锁相放大器，与锁相放大器相连接的信号发生模块以及信号放大器；传感器单元中包括有与信号发生模块相连接的激励控制模块，
与信号放大器相连接的信号初级处理模块，与激励控制模块相接连的激励电极，与信号初级处理模块相接连的检测电极；激励控制模块还与切换控制与数据采集模块通讯接连。具有上述结构特征的基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，其第一检测电极组、激励电极组可配置形成三种组合形式，从而在激励控制模块的选通方式下实现对非金属复合材料浅、中等和深三种老化状态的深度检测。相比于现有技术而言，该方案至少具备有如下有益效果：（1）、检测探头配合激励切换可以实现多深度评估，在检测时可以从浅到深有效评估非金属复合材料的老化程度。
18.（2）、单探头不同激励电极组切换的设计，可以不更换探头实现多深度检测，方便灵活，简单便携。
19.（3）、检测装置利用电容检测原理，实现对非金属复合材料老化状态的无损检测，无需破坏待测试样原始结构。
附图说明
20.该附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
21.图1为本发明提供的一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置的结构示意图；图2为pcb基底板、激励电极、检测电极的结构示意图；图3a为本发明多路复用模块中第一多路复用器选用型号为mux509ipwr的芯片的电路示意图；图3b为本发明多路复用模块中第二多路复用器选用型号为mux509ipwr的芯片的电路示意图；图4为本发明激励分配模块中的多个激励分配电压跟随器选用型号为lm7332max/nopb的芯片的电路示意图；图5为本发明信号初级处理模块中的跨阻放大器选用型号为tlv272idr的芯片的电路示意图；图6为本发明信号初级处理模块中的信号初级处理同相比例放大器选用型号为tlv272idr的芯片的电路示意图；图7为本发明信号初级处理模块中的加法器选用型号为lm7332max/nopb的芯片的电路示意图；图8为本发明信号发生模块中分频器选用型号为74hc4040d,653的芯片的电路示意图；图9为本发明信号发生模块中信号发生电压跟随器选用型号为tl082的芯片的电路示意图；图10为本发明提供的一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置中不同激励电极组与检测电极组构成三层深度的检测原理示意图；图11为本发明提供的一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置中最浅老化状态检测时检测深度与检测信号之间的曲线图；
图12为本发明提供的一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置中中等老化状态检测时检测深度与检测信号之间的曲线图；图13为本发明提供的一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置中最深老化状态检测时检测深度与检测信号之间的曲线图。
22.附图标记：101、第一激励电极；102、第一检测电极；103、第二激励电极；104、第二检测电极；105、第三激励电极；106、第四激励电极；107、第五激励电极；108、第三检测电极；109、第六激励电极；110、第四检测电极；111、第七激励电极；112、pcb基底板。
具体实施方式
23.本发明提供了一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，该检测装置通过切换控制信号，使激励控制模块选通不同检测深度所对应的激励电极、检测电极的组合，可以实现对非金属复合材料老化状态浅、中等和深三种层次的深度检测。该检测装置的现场适应性好，可以在不更换探头的情况下实现多深度检测，方便灵活，简单便携，实现了多深度无损检测非金属复合材料的老化状态。
24.本发明提供了一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，如图1所示，包括有：传感器单元以及仪器控制端。其中，仪器控制端中包括有信号发生模块、信号放大器、锁相放大器、切换控制与数据采集模块。而传感器单元中包括有激励电极、检测电极、激励控制模块以及信号初级处理模块。
25.具体的，激励电极和检测电极采用打印印刷的方式，制备形成在同一pcb基底板上（激励电极和检测电极的电极材料均选择铜材质，且在激励电极和检测电极上均优选安装有sma接头的数据输入输出端口）。作为本发明的一种较为优选的实施方式，如图2所示，pcb基底板112上制备形成的检测电极具体为第一检测电极102、第二检测电极104、第三检测电极108、第四检测电极110；其中，第一检测电极102、第二检测电极104、第三检测电极108、第四检测电极110构成第一检测电极组，第一检测电极102、第二检测电极104、第三检测电极108、第四检测电极110的特征相同且顺次等间隔设置。pcb基底板112上制备形成的激励电极具体为第一激励电极101、第二激励电极103、第三激励电极105、第四激励电极106、第五激励电极107、第六激励电极109、第七激励电极111；其中，第一激励电极101、第三激励电极105、第五激励电极107与第七激励电极111构成第一激励电极组，第二激励电极103与第六激励电极109构成第二激励电极组，第四激励电极106构成第三激励电极组。
26.需要说明的是，基于上述配置的（第一、第二、第三）激励电极组和第一检测电极组，在实现对非金属复合材料老化深度检测的过程中可形成三种检测组合，从而满足对非金属复合材料老化状态浅、中等和深三种层次的深度检测。值得注意的是，该（第一、第二、第三）激励电极组和第一检测电极组中各激励电极组、检测电极其具体配置参数可参考描述如下：如图2所示，各激励电极以及各检测电极其形状均选择为矩形，第一检测电极组中第一检测电极102、第二检测电极104、第三检测电极108、第四检测电极110的特征相同且顺次等间隔设置，其尺寸参考为长度为75mm，宽度为4mm。第一激励电极组中第一激励电极101、第三激励电极105、第五激励电极107与第七激励电极111其尺寸参考为：电极长度为75mm，宽度为4mm。第二激励电极组中第二激励电极103与第六激励电极109其尺寸参考为：
电极长度为75mm，宽度为14mm。第三激励电极组中第四激励电极106其尺寸参考为：电极长度为75mm，宽度为24mm。
27.进一步的，第一激励电极101设置在第一检测电极102背离第二检测电极104侧，第三激励电极105设置在第二检测电极104背离第一检测电极102侧，第五激励电极107设置在第三检测电极108背离第四检测电极110侧，第七激励电极111设置在第四检测电极110背离第三检测电极108侧；第一激励电极101、第三激励电极105、第五激励电极107与第七激励电极111的特征相同，且第一激励电极101至第一检测电极102之间的距离、第三激励电极105至第二检测电极104之间的距离、第五激励电极107至第三检测电极108之间的距离、第七激励电极111至第四检测电极110之间的距离均相同。
28.第二激励电极103设置在第一激励电极101、第三激励电极105之间的中间位置处，第六激励电极109设置在第五激励电极107、第七激励电极111之间的中间位置处，且第二激励电极103与第六激励电极109的特征相同；第四激励电极106设置在第二激励电极103、第六激励电极109之间的中间位置处。
29.此外，作为本发明的一种较为优选的实施方式，激励控制模块由多路复用模块和激励分配模块构成。多路复用模块由第一多路复用器和第二多路复用器构成；激励分配模块由分别与第一激励电极组、第二激励电极组、第三激励电极组中的各个激励电极一一对应设置的多个激励分配电压跟随器构成。
30.其中，第一多路复用器与激励分配模块相配合，用于控制第一激励电极组和第二激励电极组；第二多路复用器与激励分配模块相配合，用于控制第三激励电极组。如图3a、图3b所示，第一多路复用器、第二多路复用器选用型号为mux509ipwr的芯片(需要补充的一点是，第一多路复用器、第二多路复用器共用控制信号；其中，第一多路复用器具体控制第一、二激励电极组，而第二多路复用器具体控制第三激励电极组)；如图4所示，激励分配模块中的多个激励分配电压跟随器选用型号为lm7332max/nopb的芯片。
31.芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的vdd引脚接 5v工作电压；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的vss引脚接-5v工作电压；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的en引脚接高电平；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的a0引脚、a1引脚与切换控制与数据采集模块的数字控制信号输出端相连接，且a0引脚和a1引脚均连接有一个下拉电阻；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的gnd引脚、s1a引脚、s3a引脚、s4a引脚、s1b引脚、s2b引脚、s4b引脚接地；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的da引脚与激励分配模块中与第一激励电极组相对应的激励分配电压跟随器的in a端相连接；芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的db引脚与激励分配模块中与第二激励电极组相对应的激励分配电压跟随器的in a端相连接。
32.芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的vdd引脚接 5v工作电压；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的vss引脚接-5v工作电压；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的en引脚接高电平；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的a0引脚和a1引脚与切换控制与数据采集模块的数字控制信号输出端相连接，并且a0引脚和a1引脚均连接有一个下拉电阻；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的gnd引脚、s1a引脚、s2a引脚、s3a引脚接地；芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的da引脚与激励分配模块中与第三激励电极组相对应的激励分配电压跟随器的in a端相连接。
33.芯片型号为lm7332max/nopb的激励分配电压跟随器的v 引脚接 5v工作电压；芯片型号为lm7332max/nopb的激励分配电压跟随器的v-引脚接-5v工作电压；芯片型号为lm7332max/nopb的激励分配电压跟随器的outa引脚与对应的激励电极组中的各激励电极相连接。
34.作为本发明的一种较为优选的实施方式，信号初级处理模块由跨阻放大模块和加法器模块构成。进一步的，跨阻放大模块与第一检测电极组中的各检测电极一一对应设置，由跨阻放大器和信号初级处理同相比例放大器构成。其中，如图5、图6所示，跨阻放大器与信号初级处理同相比例放大器均选用型号为tlv272idr的芯片；如图7所示，加法器选用型号为lm7332max/nopb的芯片。
35.芯片型号为tlv272idr的跨阻放大器的vdd引脚接 5v工作电压；芯片型号为tlv272idr的跨阻放大器的gnd引脚接-5v工作电压；芯片型号为tlv272idr的跨阻放大器的2in-引脚与第一检测电极组中的对应检测电极相连接；芯片型号为tlv272idr的跨阻放大器的2out引脚与信号初级处理同相比例放大器的1in 引脚相连接。
36.芯片型号为tlv272idr的信号初级处理同相比例放大器的vdd引脚接 5v工作电压；芯片型号为tlv272idr的信号初级处理同相比例放大器的gnd引脚接-5v工作电压；芯片型号为tlv272idr的信号初级处理同相比例放大器的1out引脚与芯片型号为lm7332max/nopb的加法器模块的in a引脚相连接。
37.芯片型号为lm7332max/nopb的加法器模块的v 引脚接 5v工作电压；芯片型号为lm7332max/nopb的加法器模块的v-引脚接-5v工作电压；芯片型号为lm7332max/nopb的加法器模块的outa引脚与信号放大器的信号输入端相连。
38.此外，进一步对仪器控制端中各电器结构单元做举例说明如下。例如：切换控制与数据采集模块一方面与锁相放大器的两路信号相连（锁相放大器的一路信号是信号发生模块提供的参考信号；锁相放大器的另一路信号来自检测电极的接收端，并由信号放大器进行放大处理后的检测信号）；并且该切换控制与数据采集模块另一方面还用于为激励控制模块提供两位数字控制信号。因此，该切换控制与数据采集模块可选用由型号为阿尔泰usb-2884数据采集卡与pc设备共同构成。
39.此外，作为本发明的一种较为优选的实施方式，仪器控制端中的信号发生模块由有源晶振、分频器、信号发生高通滤波器、信号发生低通滤波器、信号发生同相比例放大器、信号发生电压跟随器构成；其中，如图8所示，分频器选用型号为74hc4040d,653的芯片；信号发生高通滤波器、信号发生低通滤波器和信号发生同相比例放大器均选用型号为tl084idt的芯片；如图9所示，信号发生电压跟随器选用型号为tl082的芯片。
40.芯片型号为74hc4040d,653的分频器的vcc引脚接 5v工作电压；芯片型号为74hc4040d,653的分频器的gnd引脚和mp引脚接地；芯片型号为74hc4040d,653的分频器的cp#引脚与有源晶振相连。
41.芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的vcc 引脚接 5v工作电压；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的vcc-引脚接-5v工作电压；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的1in 引脚与经过信号发生高通滤波器、信号发生低通滤波器、信号发生同相比例放大器与芯片型号为74hc4040d,653的分频器的输出信号端相连接；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的2in 引脚与1in 引脚相连；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随
器的1out引脚与多路复用模块中芯片型号为mux509ipwr的第一多路复用器的s2a引脚和s3b引脚相连，与多路复用模块中芯片型号为mux509ipwr的第二多路复用器的s4b引脚相连；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的2in-引脚与2out引脚相连；芯片型号为tl082的信号发生电压跟随器的2out引脚与锁相放大器的参考信号模块的输入端相连。
42.作为本发明的一种较为优选的实施方式，仪器控制端中的信号放大器由信号放大第一高通滤波器、信号放大第一低通滤波器、信号放大第二低通滤波器、信号放大第二高通滤波器、信号放大第一同相比例放大器和信号放大第二同相比例放大器构成。信号放大第一高通滤波器、信号放大第一低通滤波器、信号放大第二低通滤波器、信号放大第二高通滤波器、信号放大第二同相比例放大器均选用型号为gs8094-sr的芯片，信号放大第一同相比例放大器选用型号为tlv271idbvr的芯片。
43.以及，作为本发明的一种较为优选的实施方式，仪器控制端中的锁相放大器由检测信号处理模块、参考信号处理模块、锁相放大多路复用器和锁相放大低通滤波器构成。
44.检测信号处理模块由检测信号第一电压跟随器、检测信号第二电压跟随器、检测信号第一同相比例放大器、检测信号第二同相比例放大器、检测信号第一反相比例放大器、检测信号第二反相比例放大器构成；检测信号第一电压跟随器、检测信号第二电压跟随器、检测信号第一同相比例放大器、检测信号第二同相比例放大器、检测信号第一反相比例放大器、检测信号第二反相比例放大器均选用型号为lm7332max/nopb的芯片。
45.参考信号处理模块由参考信号第一同相比例放大器、参考信号第二同相比例放大器，参考信号第一同相比例放大器后连接有参考信号第一电压比较器，参考信号第二同相比例放大器后连接有参考信号移相器和参考信号电压比较器；参考信号第一同相比例放大器、参考信号第二同相比例放大器和参考信号移相器均选用型号为lm7332max/nopb的芯片，参考信号电压比较器选用型号为tl3016cdr的芯片。
46.锁相放大多路复用器选用型号为cd74hc4051m96的芯片。
47.锁相放大低通滤波器由锁相放大第一低通滤波器和锁相放大第二低通滤波器构成；锁相放大第一低通滤波器和锁相放大第二低通滤波器均选用型号为tl082的芯片。
48.为便于本领域技术人员理解本方案，进一步结合附图对本发明提供的一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置其工作过程做如下说明解释：其中，举例而言，信号发生模块提供频率为100khz，振幅为3v的正弦交流信号，信号发生模块与激励控制模块相连接，由切换控制与数据采集模块输出数字信号给多路复用模块选通不同激励电极组，激励分配模块保证多路复用器输出的信号稳定可靠，激励控制模块与激励电极相连。检测电极将检测到的信号通过信号初级处理模块中的跨阻放大模块放大、加法器模块加权求和后，将信号输送到仪器控制端；由信号放大器再次对信号放大后，锁相放大器将所需有用信息提取，最后通过切换控制与数据采集模块中的数据采集卡采集到（上位）pc机中。
49.在此过程中，非金属复合材料老化状态多深度检测具体是通过切换控制与数据采集模块发送两位数字控制信号给激励控制模块，实现三组激励电极组的切换使用，从而实现多深度检测的功能。无论在哪种穿透模式下，对应的接收电极固定不变。而为避免其他激励电极对检测电极的影响，在不同深度老化状态检测过程，正弦激励信号施加于对应的激励电极组上，其余激励电极组均进行接地屏蔽，从而降低相应电极之间的电场干扰。
50.需要说明的是，非金属复合材料的老化状态检测是基于介电特性的检测，老化材料与非老化材料的介电特性不同，因此本方案利用电容检测原理实现对材料老化状态的检测。由于均匀高密度聚乙烯（hdpe）的介电常数大于空气，理论上可以代替老化材料完成实施例，因此，本实施例选用均匀高密度聚乙烯（hdpe）代替老化材料，采用逐渐加厚试块的方式模拟老化检测深度的增加。
51.在检测过程中，将传感器和被测材料试块如图10所示方式摆放，被测非金属复合材料试块为均匀高密度聚乙烯（hdpe），尺寸和传感器大小相同，厚度为1mm，数量若干。采用逐渐加厚试块的方式模拟待测物厚度的逐渐增加，由于hdpe试块的介电常数大于空气，理论上在传感器的有效检测深度内，测量电容值会随着试块厚度的增加而增大，对应于系统输出电容值也应增大。
52.切换控制与数据采集模块发送两位数字控制信号给激励控制模块，控制第一激励电极组与第一检测电极组构成最浅检测深度，逐层增加试块，每增加一个试块对检测装置得出的数据值进行记录。如图11所示，从1mm厚度开始，测试的电容值在增加，直到6mm厚度开始，检测装置测得的电容值变化很小，说明此时其敏感度随着检测深度的增加而逐步降低，说明最浅检测深度模式对6mm深度以内的非金属复合材料老化状态敏感，对6mm深度以外的材料老化状态不敏感。
53.切换控制与数据采集模块发送两位数字控制信号给激励控制模块，控制第二激励电极组与第一检测电极组构成中等检测深度，逐层增加试块，每增加一个试块对检测装置得出的数据值进行记录。如图12所示，从1mm厚度开始，测试的电容值在增加，直到15mm厚度开始，检测装置测得的电容值变化很小，说明此时其敏感度随着检测深度的增加而逐步降低，说明中等检测深度模式对15mm深度以内的非金属复合材料老化状态敏感，对15mm深度以外的材料老化状态不敏感。
54.切换控制与数据采集模块发送两位数字控制信号给激励控制模块，控制第三激励电极组与第一检测电极组构成最深检测深度，逐层增加试块，每增加一个试块对检测装置得出的数据值进行记录。如图13所示，从1mm厚度开始，测试的电容值在增加，直到24mm厚度开始，检测装置测得的电容值变化很小，说明此时其敏感度随着检测深度的增加而逐步降低，说明最深检测深度模式对24mm深度以内的非金属复合材料老化状态敏感，对24mm深度以外的材料老化状态不敏感。
55.至此，本发明提供的一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，通过其第一检测电极组与第一、第二、第三激励电极组配置形成点三种组合形式，在激励控制模块的选通方式下实现对非金属复合材料浅、中等和深三种老化状态的深度检测。
56.本发明提供了一种基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，该检测装置包括有传感器单元以及仪器控制端；其中，仪器控制端中包括有切换控制与数据采集模块，与切换控制与数据采集模块相接连的锁相放大器，与锁相放大器相连接的信号发生模块以及信号放大器；传感器单元中包括有与信号发生模块相连接的激励控制模块，与信号放大器相连接的信号初级处理模块，与激励控制模块相接连的激励电极，与信号初级处理模块相接连的检测电极；激励控制模块还与切换控制与数据采集模块通讯接连。具有上述结构特征的基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置，其第一检测电极组、激励电极组可配置形成三种组合形式，从而在激励控制模块的选通方式下实现对
非金属复合材料浅、中等和深三种老化状态的深度检测。相比于现有技术而言，该方案至少具备有如下有益效果：（1）、检测探头配合激励切换可以实现多深度评估，在检测时可以从浅到深有效评估非金属复合材料的老化程度。
57.（2）、单探头不同激励电极组切换的设计，可以不更换探头实现多深度检测，方便灵活，简单便携。
58.（3）、检测装置利用电容检测原理，实现对非金属复合材料老化状态的无损检测，无需破坏待测试样原始结构。
59.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。