CN102680567A

CN102680567A - 涡流探测器

Info

Publication number: CN102680567A
Application number: CN2012100357734A
Authority: CN
Inventors: B·勒帕格
Original assignee: Olympus NDT Inc
Current assignee: Olympus Scientific Solutions Americas Corp
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: US8704513B2; US20120206132A1; DE102011104296A1; CN102680567B

Abstract

本发明涉及涡流探测器。形成在印刷电路板上的屏蔽涡流线圈探测器包括用于形成测试线圈的第一线圈组件和用于形成有源屏蔽线圈的第二线圈组件。测试线圈和有源屏蔽线圈同心布置，并且有源屏蔽线圈中的线圈绕组的匝数和场方向被配置为，将测试对象中的感应场或感测场限制为测试线圈在测试对象上的覆盖区域。可以在印刷电路板的相同层或不同层上设置多组有源屏蔽线圈和测试线圈，以实现驱动器、接收器以及驱动器/接收器结合的不同线圈结构。

Description

涡流探测器

技术领域

本发明涉及使用涡流测试(ECT)的无损对象测试和检验系统(NDT/NDI)，尤其涉及蚀刻在印刷电路板(PCB)上的涡流(EC)探测器，屏蔽该涡流探测器以将所生成的场集中至测试位置。

背景技术

在NDT/NDI应用中，通常使用ECT检验来检测由导电材料制成的诸如钢棒、钢筒和钢管等的制造组件的表面上的缺陷。通常使用ECT来检验用于汽车、航空和能源工业的组件。近年来，已经设计出适于不同应用的具有不同结构和模式的ECT传感器。

迄今为止提供了用于检测被测零件中的裂纹和/或其它缺陷的各种ECT系统。一般地，这种系统包括诸如连接到交流(AC)源以在零件中生成涡流的线圈的场产生部件和用于感测由涡流产生的场的感测部件。感测部件可以是单独的线圈、霍尔探测器或任意其它场响应装置，或者作为场产生部件的线圈也可以用于通过测量其有效阻抗来感测EC感应场。

进行ECT检验的一个挑战是如何在材料内的感兴趣区域中获得足够的涡流场强度。另一挑战是如何使得场远离测试组件的非相关特征。由非相关特征引起的阻抗变化可使信号的解译复杂化。有时利用探测器屏蔽和装载来限制传播从而集中线圈的磁场。当然，如果磁场集中在线圈附近，则涡流也将集中在该区域。

最普遍的，使用磁屏蔽或涡流屏蔽来屏蔽涡流探测器。被磁屏蔽的探测器的线圈由铁氧体环或具有高磁导率和低电导率的其它材料的环所包围。铁氧体产生了低磁阻的区域，并且探测器的磁场集中在该区域中，而不超出该屏蔽传播。这使得磁场集中在线圈周围的紧密区域中。

涡流屏蔽使用高导电性但非磁性的材料(通常为铜)的环来包围线圈。线圈的磁场中径直穿过屏蔽的部分将在屏蔽材料中生成涡流，而在屏蔽区域以外的非相关特征中不生成涡流。用于驱动探测器的电流的频率越高，屏蔽将由于屏蔽材料的集肤效应(skin effect)而越有效。

尽管上述屏蔽方法对于传统的涡流线圈来说是合适的解决方案，但上述屏蔽方法不适用于构建在印刷电路板上的线圈。在这种情况下，磁屏蔽件与制造过程不兼容。对于导电屏蔽件，其有效性将与测试频率有很大关系，因为印刷电路板上的铜层一般非常薄(针对具有精细蚀刻的线路的柔性印刷电路板，一般大约为18微米厚)。考虑到涡流的穿透深度，这种薄的屏蔽件将使探测器的使用限制为诸如10MHz以上的非常高的频率。

传统的屏蔽件的另一限制是不能在同一物理位置上叠置屏蔽线圈，由此限制了可用的线圈结构。即使将传统的屏蔽件制作得非常薄，也不可能成功地堆叠屏蔽件，因为第一线圈的屏蔽件将与叠置的第二屏蔽线圈相互作用而使得这些线圈不能正常工作。

传统的屏蔽件的又一限制是，在诸如远场(RFT)或磁通泄露(MFL)测试方法所需的直流(DC)或非常低的频率下不能正常工作。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种用于限制由蚀刻在印刷电路板上的涡流线圈生成的磁场的传播的方法。

本发明的另一目标是提供在宽的频率范围上的屏蔽性能。

本发明的又一目标是完全集成在PCB本身中从而不影响探测器的成本和灵活性的解决方案。

本发明的又一目标是适用于诸如完全式发送-接收结构的多涡流线圈结构的解决方案。

本发明的又一目标是适于在应用解决方案的线圈的外部和/或内部提供屏蔽的解决方案。

本发明的又一目标是使得可以在同一物理位置上叠置若干层屏蔽线圈的解决方案。

在EC探测器的PCB实施中实现本发明的上述和其它目标，即在不使用铁磁材料或厚导电材料层的情况下抑制涡流测试(ECT)线圈在线圈半径内部和/或外部的相互作用。本发明使得可以屏蔽蚀刻在印刷电路板上的线圈并在宽的频率范围上操作所述线圈。

根据本发明的一个优选实施例，通过为形成在PCB上的EC探测器的测试线圈设置另外的有源屏蔽线圈来实现这些目标。将有源屏蔽线圈所生成的场强量值(field magnitude)设置为使得由测试线圈所生成的场在位于期望测试线圈感测区域之外的场无效线上被无效。通过注入与测试线圈电流频率相同但相位相反的电流来实现场无效。这可以通过使单个线圈具有初始绕组和另一绕组来实现，其中，初始绕组用于形成测试线圈，另一绕组与剩余的绕组串联连接但卷绕方向相反，从而相反方向的线圈产生了无效场。

根据本发明的实施例，涡流探测器包括印刷电路板，印刷电路板上形成有第一线圈组件和第二线圈组件。第一线圈组件是形成在电路板上的测试线圈，以及第二线圈组件是有源屏蔽线圈，其中，测试线圈和有源屏蔽线圈同心布置。利用以下驱动信号来驱动有源屏蔽线圈，其中，该驱动信号被设置为将在正对着涡流探测器而放置的测试对象内所感生的场和/或对在测试对象中的涡流场的检测限制为与测试线圈延伸在测试对象上的区域基本同延的区域。优选地，测试线圈和有源屏蔽线圈相互串联连接，但有源屏蔽线圈的卷绕方向与测试线圈的卷绕方向相反。涡流探测器可以作为驱动器线圈和/或接收器线圈来工作。可以以叠置、同心布置或横向偏移等的各种结构在印刷电路板上形成多组线圈，以形成单个探测器或阵列型探测器。

可以通过将屏蔽涡流线圈和柔性印刷电路板制造方法的好处相结合来获得其它特征。这些好处包括全自动化、低成本可再生处理、机械灵活性和能够提供允许进行紧密区域内检验的非常细的探测器。本发明还便于提供从DC到至少25MHz范围的宽频率范围上的屏蔽性能。最后，本发明的另一优点是具备将几层独立屏蔽的线圈添加在同一物理位置上的能力、并同时允许这些叠置的线圈成为涡流探测器的同一构件(即，发送器线圈和接收器线圈)的组成部分或不同传感器构件的组成部分。

根据以下参考附图对本发明的说明，本发明的其它特征和优点将变得清楚。

附图说明

图1A示出导电组件上的18μm厚、2mm外径的现有技术线圈的等距视图(isometric view)。

图1B示出导电组件上的由0.5mm的大涡流屏蔽件包围的18μm厚、2mm外径的现有技术线圈的等距视图。

图2A示出在5kHz测试频率下由图1A线圈生成的磁场线。

图2B示出在5kHz测试频率下由图1B线圈生成的磁场线。

图3A示出使用本发明的教导在导电组件上构建的、由0.5mm的大有源屏蔽件包围的18μm厚、2mm外径的线圈的等距视图。

图3B示出在5kHz测试频率下由图3A线圈生成的磁场线。

图4A示出使用本发明的教导构建的螺旋形线圈结构。

图4B示出使用本发明的教导构建的矩形线圈结构。

图5A示出本发明在发送-接收结构中的可能使用。

图5B示出本发明在同一物理位置上叠置多个线圈的多层结构上的可能使用。

图6A示出基于本发明的教导的提供内部屏蔽的替代结构。

图6B示出组合使用内部和外部屏蔽以构建与美国专利5,617,024所说明的线圈结构具有相当的测试结果的线圈。

具体实施方式

参考图1A、图1B、图2A和图2B，为了进行ECT检验，薄的测试线圈1位于构成测试对象的导电组件2附近。这里所述的测试线圈1为18μm厚，该厚度是针对蚀刻在柔性印刷电路板上的线圈可以获得的代表性厚度。AC电流9在测试线圈1中流动以生成相同频率的交变磁场。然后，在位于测试线圈1下方的导电性测试组件2中感应出与该磁场相反的涡流。

图2A示出在使用5kHz测试频率的情况下图1A中示出的非屏蔽测试线圈1的磁场线分布5。如图2A所示，磁场在测试组件2的相当大的宽度(区域)上传播，由此在比测试线圈1的覆盖区大得多的区域上感应出涡流。

为了使用在诸如零件边缘或紧固件等的重要几何特征附近的测试线圈1，需要将磁场的传播约束为测试线圈1覆盖区。用于实现这个目的的现有技术手段是使用与测试线圈1同心的导电环3。虽然该方法被证明对相对厚的测试线圈有效，但在图2B中可以看出，针对诸如蚀刻在印刷电路板上的薄的导电环3，在测试零件内，磁场线分布6仍然在比测试线圈1覆盖区大得多的区域上传播。

在图3A中示出所提出的用以针对非常薄的线圈提供有效屏蔽的手段。其想法是使用与测试线圈31同心的有源屏蔽线圈34主动地生成磁场。将由有源屏蔽线圈34生成的场强量值设置为，使得由测试线圈31在位于测试线圈的期望感测区域以外的场无效区域38(图3B)处生成的场无效。通过注入与测试线圈电流39频率相同但相位相反的电流30来实现这种场无效。图3B示出由环形的测试线圈31和适当设置的屏蔽线圈34所生成的磁场线。

公知的是，线圈所生成的磁场强量值与N*I、即匝数(N)乘以电流(I)的乘积成比例。因此，可以通过调整电流I或通过调整有源屏蔽线圈34中的匝数N来达到针对有源屏蔽线圈34的期望场强量值。还应注意到，在假定由检验部件反射的电磁场比一次场小的情况下，在无效位置38处提供屏蔽所需的比[N(31)*I(31)]/[N(34)*I(34)](其中“31”和“34”分别指线圈31和线圈34)与测试频率无关。因此，一旦建立了固定的[N(31)*I(31)]/[N(34)*I(34)]比，可以在宽的频率范围上有效使用有源屏蔽线圈。

在印刷电路板上制造的线圈通常为螺旋形。因此，如图4A所示，通过使顺时针卷绕的螺旋形测试线圈11和逆时针卷绕的螺旋形有源屏蔽件12串联连接，可以获得完全集成了这两个组件的有源屏蔽线圈构件15。针对2mm外径的测试线圈11，测试线圈11和有源屏蔽线圈12之间的最佳比为大约10/3。可以使用商业上可用的磁场仿真软件来精确地估计最佳匝数比。线圈15通过使用接触部13和14或通过接触部13和14上的焊接线连接至PCB构件中。

尽管附图说明了测试线圈11和有源屏蔽线圈12串联连接，其中有源屏蔽线圈12与测试线圈11的卷绕方向相反，但根据另一实施例，这两个线圈的卷绕方向可以相同。在该实施例中，可以简单地向有源屏蔽线圈电子提供相对于测试线圈的驱动信号存在180°相位差的驱动信号。该配置还允许在校准过程期间设置针对有源屏蔽线圈的驱动信号的大小以最优化响应。

通过使用相同的原理，可以产生各种线圈形状。如图4B示出的有源屏蔽矩形线圈20包括测试线圈16和有源屏蔽件17。值得注意的是，在该情况下的线圈构件20，因为不像线圈15，测试线圈和屏蔽线圈之间的距离几乎恒定，从而提供更好的测试结果一致性。

本发明的另一重要方面是使用诸如线圈构件15和20的有源屏蔽线圈螺旋作为接收器线圈。在这种情况下，屏蔽的目标将对在线圈的覆盖区之外的涡流流动变得不敏感。洛伦兹电磁互易原理表明如果互换电流所位于的点和场被测量的点，振荡电流和所产生的电场之间的关系不变。对于本发明，这意味着，如果图5A的线圈结构对驱动器线圈21提供足够的屏蔽，则这种结构对于用作接收器22也将提供足够的屏蔽。图5A示出使用本发明的教导的屏蔽发送-接收线圈结构。

有源屏蔽线圈螺旋的另一值得注意的方面是其允许磁场在没有扰动的情况下通过。该特有的特征允许多个有源屏蔽线圈叠加，如图5B所示。在该示例中，有源屏蔽驱动器线圈23蚀刻在第一PCB层上，而有源屏蔽接收器线圈24蚀刻在第二PCB层上。由此，在两个线圈的交叉处产生了高敏感区25，因为这两个线圈仅在该区域中直接相互作用。该特征还允许使用叠置的多个有源屏蔽线圈作为阵列型涡流探测器的组成部分。

本发明的另一实施例包括使用有源屏蔽件在测试线圈内部屏蔽，如图6A所示。在这种情况下，有源屏蔽线圈27与测试线圈26同心地位于测试线圈26内，以提供内部屏蔽线圈构件28。将有源屏蔽线圈的匝数设置为使在场无效位置29处得到的磁场无效。在图6B中示出使用这种结构的示例。在这种情况下，内部屏蔽驱动器线圈构件和外部屏蔽线圈构件15被配置为再现美国专利5,617,024中说明的传感器，该专利的教导通过引用包含于此。

如上所述，本发明在此实现了：

·通过使用一组同心线圈对涡流测试线圈和/或驱动器线圈进行有源屏蔽以限制磁场在涡流测试线圈内传播，其中，所述测试线圈适合于或适用于以下情况：

○从DC至25MHz的任意测试频率；

○蚀刻在印刷电路板上的线圈；

○诸如圆形、矩形等的各种线圈形状；以及

○进行外部或内部屏蔽。

·通过使用一组同心线圈对涡流接收器线圈进行有源屏蔽以限制涡流测试要使用的接收器线圈的感测区域。

·可以在同一物理位置上叠置多个有源屏蔽线圈而不产生相互作用的探测器结构，使得能够提供针对需要具有高敏感区的发送-接收结构的情况和/或利用通道叠加在多个PCB层上的阵列型探测器的情况的线圈。

·用作针对诸如远场和磁通泄露等的其它电磁技术，以利用其低频性能的优点。

尽管结合本发明的特定实施例对本发明进行了说明，但本领域技术人员应当清楚存在许多其它的变化、修改以及使用。因此，本发明不限于这里的具体公开，并且本发明的保护范围仅由所附权利要求书所定义。

Claims

1.一种涡流探测器，包括：

印刷电路板；

第一线圈组件，其包括形成在所述印刷电路板上的测试线圈；以及

第二线圈组件，其包括形成在所述印刷电路板上的有源屏蔽线圈，

其中，所述测试线圈和所述有源屏蔽线圈同心布置，

并且，所述有源屏蔽线圈中的线圈绕组被设置为，将在正对着所述涡流探测器而放置的测试对象内所感生的场或对在所述测试对象中的涡流场的检测限制为与所述测试线圈延伸在所述测试对象上的区域基本同延的区域。

2.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述测试线圈和所述屏蔽线圈分别由单个绕组构成，并且所述屏蔽线圈的卷绕方向与所述测试线圈的卷绕方向相反。

3.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述第一线圈组件被配置为作为驱动器线圈工作，所述驱动器线圈在所述测试对象中感生涡流。

4.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述第一线圈组件被配置为作为涡流接收器线圈工作，所述涡流接收器线圈被设计为感测在所述测试对象中流动的涡流。

5.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，包括第一线圈组和第二线圈组，其中，

所述第一线圈组和所述第二线圈组位于所述印刷电路板的不同层，

所述第一线圈组包括所述测试线圈和所述屏蔽线圈，所述第二线圈组包括附加测试线圈和附加屏蔽线圈，并且

所述第一线圈组和所述第二线圈组在特定区域相互重叠。

6.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述屏蔽线圈包围所述测试线圈。

7.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述屏蔽线圈位于所述测试线圈内部。

8.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述测试线圈和所述屏蔽线圈通常具有环形结构。

9.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述测试线圈和所述屏蔽线圈通常具有矩形结构。

10.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述涡流探测器至少包括两个同心布置的探测器系统，其中，

第一探测器系统包括所述测试线圈和包围所述测试线圈的所述屏蔽线圈，

第二探测器系统被布置在所述第一探测器系统周围，并包括包含第二测试线圈和第二屏蔽线圈的外线圈组。

11.根据权利要求10所述的涡流探测器，其特征在于，所述第二测试线圈包围所述第二屏蔽线圈。

12.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，包括各自包含测试线圈和相关联的屏蔽线圈的多个线圈组，并且所述涡流探测器被配置为阵列型探测器。

13.根据权利要求2所述的涡流探测器，其特征在于，所述屏蔽线圈中绕组的匝数使得能有效地限制所感生的场或对涡流场的检测。

14.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述涡流探测器至少包括第一探测器系统和第二探测器系统，其中

所述第一探测器系统包括所述测试线圈和所述有源屏蔽线圈，

所述第二探测器系统包括第二测试线圈和第二屏蔽线圈，

所述第一探测器系统和所述第二探测器系统位于所述印刷电路板的不同层上并被布置为相互部分重叠，以在所述第一探测器系统和所述第二探测器系统重叠的部分处产生对场检测更敏感的区域。

15.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，利用具有预定波形的驱动信号驱动所述测试线圈，以及利用相对于所述驱动信号存在180°相位差的信号驱动所述有源屏蔽线圈。

16.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述涡流探测器能够在从接近0至25MHz的频率下工作。

17.根据权利要求5所述的涡流探测器，其特征在于，所述第一线圈组被配置作为驱动器线圈，以及所述第二线圈组被配置作为接收器线圈。

18.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述涡流探测器被配置作为远场装置。

19.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述涡流探测器被配置作为磁通泄露检测装置。

20.根据权利要求1所述的涡流探测器，其特征在于，所述印刷电路板被形成为具有柔性，以使得所述印刷电路板的形状能够适应所述测试对象的表面形状。