CN103760232A - 一种圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，包括四层结构，顶层和底层均为激励线圈，中间两层为检测线圈阵列；激励线圈为通过上下交错的半圆形周期线圈走线形成的周期性的圆形闭环线圈；检测线圈阵列包括若干个检测线圈，检测线圈采用双层螺旋结构，上层检测线圈、下层检测线圈通过过孔导通，上层检测线圈、下层检测线圈的螺旋缠绕方向相反。本发明具有结构简单、制作方便、空间分辨率高、全覆盖（无扫描死角）、输出信号更强、微缺陷检测能力强、检测效率高等优点。

Description

一种圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器

技术领域

本发明主要涉及到无损检测技术领域，特指一种基于电涡流原理的制作于柔性基底的阵列式电涡流传感器。

背景技术

随着科学技术的发展，无损检测技术的应用范围不断拓展，既是现代工业技术的基础，还成为航空航天、国防军事领域中的关键技术，在机械、建筑、冶金、电力、石油、造船、汽车、宇航、核能、铁路等行业中被广泛应用。其中，“涡流无损检测技术”是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法，具有传感器响应速度快、灵敏度高、非接触、无需耦合介质等优点，是对装备关键部件微缺陷进行检测的有效方法之一。

但是，传统的电涡流传感器普遍存在以下问题：①传感器的一致性差，检测信号易受提离等因素的影响，定量检测效果差；②检测效率与检测分辨力存在矛盾，难以实现快速检测；③只能检测已出现的缺陷，无法监测材料中的应力分布和疲劳损伤的发展过程；④对检测对象的适应性差，复杂结构受检件的误检率高。

近年国内外对新型电涡流传感器开展了大量研究，旨在克服传统电涡流传感器检测效率低、检测速度慢、对检测对象适应性差、微缺陷定量检测效果差、渗透深度低等问题。其中，有从业者提出将平面型电涡流传感器阵列制作在柔性基底上，即柔性电涡流传感器阵列，这是一种发展势头好、有广阔应用前景的新型传感器。这类传感器均是采用微工艺技术制作于柔性基底上，能够适应复杂工件表面，有效抑制提离干扰，而且具有很高的阵列一致性，可测量受检材料的完全物理属性（包括电导率、磁导率、提离、膜厚、应力和疲劳腐蚀等）；同时，采用快速反演算法，使得检测速度大大提高，可以实现在线检测及实时成像。此类平面型电涡流传感器虽可有效改善传统电涡流传感器普遍存在的不足，但也存在以下不足：只能检测特定方向上的缺陷，检测效率较低，且检测单元之间存在缝隙，易发生漏检，且检测单元不仅尺寸小，采用单匝线圈作为检测单元，输出信号太微弱，不利于后端信号处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、制作方便、空间分辨率高、全覆盖（无扫描死角）、输出信号更强、微缺陷检测能力强、检测效率高的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，包括四层结构，顶层和底层均为激励线圈，中间两层为检测线圈阵列；所述激励线圈为通过上下交错的半圆形周期线圈走线形成的周期性的圆形闭环线圈；所述检测线圈阵列包括若干个检测线圈，所述检测线圈采用双层螺旋结构，上层检测线圈、下层检测线圈通过过孔导通，所述上层检测线圈、下层检测线圈的螺旋缠绕方向相反。

作为本发明的进一步改进：在所述检测线圈的两侧设置辅助线圈。

作为本发明的进一步改进：每个所述检测线圈上设有检测线圈输出引线，若干个检测线圈输出引线汇集至一个检测线圈公共端后经输出电极输出。

作为本发明的进一步改进：所述上层检测线圈与下层检测线圈的输出引线采用上下重合引线。

作为本发明的进一步改进：所述检测线圈的外径小于激励线圈半径。

作为本发明的进一步改进：所述激励线圈中每个闭合圆环中间对应一个检测线圈，所述激励线圈及检测线圈阵列均为双排交错排列。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，采用柔性材料作为基底制作阵列式电涡流传感器，使得其对受检材料表面、特别是复杂表面的适应性大大提高，减小了提离影响；同时，采用圆形激励周期阵列结构，使得传感器可检测任意方向的缺陷，不需要不同方向多次扫描，有效提高检测效率。

2.本发明的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，检测单元为两排交错排列，进一步提高了传感器的空间分辨率，而且实现全覆盖，无死角扫描；其检测单元较小。

3.本发明的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，检测线圈呈双层多匝螺旋结构，使得传感器在提高空间分辨率的同时，增强了输出信号强度，从而提高微缺陷的定量检测能力。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图。

图2是图1中的局部放大示意图。

图3是涡流无损检测技术的原理示意图。

图4是本发明的截面结构示意图。

图5是本发明中激励线圈的结构原理示意图。

图6是本发明中单个检测线圈的结构原理示意图。

图7是本发明在具体实施例中顶层的结构示意图。

图8是本发明在具体实施例中底层的结构示意图。

图9是本发明在具体实施例中第二层的结构示意图。

图10是图9中的局部放大示意图。

图11是本发明在具体实施例中第三层的局部截面示意图。

图12是图11中的局部放大示意图。

图例说明：

1、被测金属材料；2、激励线圈；3、检测线圈；21、上层激励线圈；22、下层激励线圈；31、上层检测线圈；32、下层检测线圈；4、激励电极；5、输出电极；6、辅助线圈；7、检测线圈公共端；8、过孔；9、检测线圈输出引线；10、补强板；11、柔性基底；12、包封；13、单面覆铜板；14、热固胶膜。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，电涡流检测的工作原理是检测激励线圈2磁场和感应涡流磁场之间的交互作用。当激励线圈2通入交流电流时，激励线圈2的周围就会产生交变磁场，此时位于激励线圈2下方的被测金属材料1的表面就会感应出电涡流，而此电涡流又会产生一个新的磁场，与原磁场在检测线圈3中形成叠加。根据法拉第电磁感应定律，检测线圈3中将会产生一个感应电动势：

$V_e=n\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}$

式中:φ是通过检测线圈3的交变磁场的磁通量;n是检测线圈3的绕线圈数。通过测量检测线圈3中产生的电压即可非常容易地得到磁场的变化情况。而磁场变化可以完整而且唯一的反应被测金属材料1的电涡流效应。检测线圈3的感应电动势由下式得到：

V_e=F(σ,μ,f,x,r)

式中：σ,μ分别是被测金属材料1的电导率和磁导率；f是激励信号的频率；x是检测线圈3与被测金属材料1的距离；r是检测线圈3的尺寸因子，与检测线圈3的结构、形状以及尺寸相关。

如图1～图12所示，本发明的一种圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，为四层结构，顶层和底层均为激励线圈2，激励线圈2为空间圆形周期结构，即通过上下交错的半圆形周期线圈走线，包括上层激励线圈21、下层激励线圈22，形成周期性的圆形闭环线圈；中间两层为检测线圈阵列，检测线圈阵列包括若干个检测线圈3，检测线圈3采用双层螺旋结构，上层检测线圈31、下层检测线圈32通过过孔8导通，上层检测线圈31、下层检测线圈32的螺旋缠绕方向相反，当一端通过电流时，上层检测线圈31、下层检测线圈32的电流方向一致，这样在不增大检测单元面积的前提下，增加了线圈的圈数。激励线圈2中每个闭合圆环中间对应一个检测线圈3，激励线圈2及检测线圈阵列均为双排交错排列。

本实施例中，整个检测线圈阵列包括64个单元，呈两排交错排列。检测线圈3为圆形等距螺旋结构线圈，为单层、双层、多层线圈中的一种，双层或多层检测线圈相邻层间绕向相反，通过过孔8导通。

本实施例中，检测线圈3的外径略小于激励线圈2半径，有效增强了通过检测线圈3的交变磁场的磁通量，保证阵列传感器的高空间分辨率的同时，有效提高了传感器检测灵敏度。

本实施例中，检测线圈阵列为双排交错结构，提高了传感器的空间分辨率。

本实施例中，在检测线圈3的两侧设置了辅助线圈6，辅助线圈6与检测线圈3的结构一致，输出引线不闭合。保持激励磁场周期性及空间磁场分布均匀性，消除边缘效应。辅助线圈6在阵列的两侧，即在最左边和最右边，中间是检测线圈阵列。

本实施例中，每个检测线圈3上设有检测线圈输出引线9，并设置检测线圈公共端7，检测线圈输出引线9汇集至检测线圈公共端7后经输出电极5输出。这种采用公共端引线输出方式，减少了阵列输出引线数目，减少了通道间信号耦合，适于采用模拟开关实现扫面式阵列检测。本实施例中，上层检测线圈31、下层检测线圈32采用上下重合引线，进一步较小了引线部分耦合干扰，提高了检测信号信噪比，增强了微缺陷检测能力。

工作时，通过空间周期结构的激励线圈2产生周期性磁场分布，为阵列式检测提供基础；通过上下交错的半圆形周期线圈走线，形成周期性的圆形闭环线圈，在被测金属材料1上产生环形涡流，使得任意方向缺陷的存在对涡流的扰动产生一致的影响，对任意方向的缺陷都敏感，有效提高了缺陷检测效率。

制作本发明的传感器时，本实施例中采用四层柔性印刷电路板工艺制作而成，是由四张单面覆铜板13，采用热固胶膜14通过压制将其依次粘合在一起，位于顶部的单面覆铜板13的外侧设置包封12，位于底部的单面覆铜板13的外侧设置补强板10；最后在外层进行钻孔、沉镀铜后将内外层导通而构成。柔性基底11采用聚酰亚胺薄膜、聚酯薄膜一类的适合柔性印刷电路板工艺的柔性材料,单面覆铜板13由柔性基底11和粘附其上的铜层组成，即每层结构上均设有柔性基底11，在四层结构的顶层和底层设置类似于正弦曲线的半圆形周期结构的激励线圈2，在中间两层设置检测线圈阵列；于顶层处进一步设有激励电极4和输出电极5，不同铜层之间通过过孔8导通。在检测线圈阵列两侧设置辅助线圈6，用以保持阵列周期性与磁场分布均匀性，每八个检测线圈3共用一个检测线圈公共端7，采用公共输出端的设计，可以减少引线数目，简化接口设计，同时适于采用扫描式的信号处理策略，单端共接的单元数目不局限于8。四层柔性电路板制作方案不限于上述方式，也可以采用两张双面覆铜板压合而成，还可以采用一张双面覆铜板加两张单面覆铜板13压合而成，具体工艺大同小异。

详细步骤如下：

第一步：制作内层检测线圈阵列，在两张单面覆铜板13钻孔，贴上热固胶膜14，通过高温高压将其压合。在外侧的铜膜上光刻腐蚀出检测线圈阵列、辅助线圈6、检测线圈输出引线9、检测线圈公共端7。钻孔的目的有两种，一种是定位对准，一种是层间导通。

第二步：加工时，由中间两层开始，由内而外，从上到下依次有四层包封12，先制作二三层。

第三步：制作外层激励线圈2，取两张新的单面覆铜板13，按照第一步的方法，与内层板压合在一起，光刻腐蚀出顶底层激励线圈2；

第四步：二次钻孔形成过孔8，沉铜镀铜，使层间导通。

第五步：贴顶底层包封12并压合。

第六步：在接口部分贴补强板10，补强材料可以是聚酰亚胺或聚酯类材料，增加厚度及板子平面性。

第七步：在输出接口部分开窗，沉金，制作激励电极4与输出电极5。

第八步：冲切外形。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，其特征在于，包括四层结构，顶层和底层均为激励线圈（2），中间两层为检测线圈阵列；所述激励线圈（2）为通过上下交错的半圆形周期线圈走线形成的周期性的圆形闭环线圈，包括上层激励线圈（21）、下层激励线圈（22）；所述检测线圈阵列包括若干个检测线圈（3），所述检测线圈（3）采用双层螺旋结构，上层检测线圈（31）、下层检测线圈（32）通过过孔（8）导通，所述上层检测线圈（31）、下层检测线圈（32）的螺旋缠绕方向相反。

2.根据权利要求1所述的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，其特征在于，在所述检测线圈（3）的两侧设置辅助线圈（6）。

3.根据权利要求1或2所述的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，其特征在于，每个所述检测线圈（3）上设有检测线圈输出引线（9），若干个检测线圈输出引线（9）汇集至一个检测线圈公共端（7）后经输出电极（5）输出。

4.根据权利要求3所述的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，其特征在于，所述上层检测线圈（31）与下层检测线圈（32）的检测线圈输出引线（9）采用上下重合引线。

5.根据权利要求1或2所述的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，其特征在于，所述检测线圈（3）的外径小于激励线圈（2）半径。

6.根据权利要求1或2所述的圆形周期结构的柔性阵列式电涡流传感器，其特征在于，所述激励线圈（2）中每个闭合圆环中间对应一个检测线圈（3），所述激励线圈（2）及检测线圈阵列均为双排交错排列。

Images