CN107771282B - 无线超声波传感器 - Google Patents

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Abstract

用于对测试对象(502)进行无损测试的无线超声波传感器(404)，该传感器包括：超声换能器(406)，电耦合至超声换能器的第一感应线圈(408)，与第一感应线圈并联地电耦合的第二感应线圈(414)；其中，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈被布置为使得所述换能器能够被远程设备(504)感应地操作；其中，第二感应线圈的直径大于第一感应线圈的直径。

Description

无线超声波传感器
技术领域
本发明涉及一种用于无损测试的无线传感器。
技术背景
无损测试(NDT)被广泛用于各行业，以评价测试对象的特性而不会对测试对象造成损害。测试对象的示例包括复合飞机面板、燃气轮机发动机部件、管道以及压力容器。
已知将NDT传感器集成到测试对象从而在测试对象服务期间提供，例如，可靠的可重复测试和/或原位检测。例如，已知将超声波传感器集成在测试对象中或测试对象上。
另外，已知提供可以感应耦合至远程设备的无线集成NDT传感器。该感应耦合使得能够以类似于已知的射频识别(RFID)模块的方式从远程设备向集成传感器提供电力。该感应耦合也可以用于将测量信息从集成传感器传回远程设备。
然而，本发明人已经认识到，在已知的系统中，尤其对于如超声波传感器等在高频率下运行的传感器，感应耦合所需的NDT传感器和远程设备之间的可操作距离或范围受到限制。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于对测试对象进行无损测试的无线超声波传感器，所述无线超声波传感器包括：
超声换能器；
电耦合至所述超声换能器的第一感应线圈；
与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器的第二感应线圈；
其中，所述第一和第二感应线圈被布置成使换能器能够通过远程设备以其操作频率进行感应操作；
其中，所述第二感应线圈的外径大于所述第一感应线圈的外径。
在已知的无线NDT传感器中，超声换能器形成包括超声换能器和感应线圈的电感电容(LC)电路的一部分。为操作超声换能器，LC电路的谐振频率应当与超声换能器的操作频率相匹配。对于使用超声换能器的NDT应用，该频率一般在1至10MHz范围内。为针对某给定的超声换能器，向LC电路提供在这个频率范围内的谐振，感应线圈的近似所要求的电感可以通过下式进行估算：
其中，fo为换能器所需的操作频率，Cpz为换能器的电容。例如，对于操作频率为5MHz电容为3.5nf的15mm换能器，需要电感约为0.29μΗ的感应线圈。
因此，可以看出，这种应用需要具有较低电感的感应线圈。为了提供具有相对低的电感的线圈，已知的是设计具有相对较小的匝数和较小的直径的线圈。对于平面线圈，例如PCB扁平线圈，线圈电感随着匝数和直径的增加而增加。如本领域技术人员将理解的，关于线圈电感的最重要的参数是匝数，其次是影响线圈外径的平均线圈直径。
为了达到超声换能器的高频率运行所要求的电感值，感应线圈可典型地具有25mm至50mm之间的平均直径以及1至10之间的匝数。
然而，使用具有较小平均直径的感应线圈限制了无线NDT传感器可以通过感应耦合的外部设备来操作的最大距离，因为随着线圈直径的减小，可操作的感应耦合距离减小。最大读取距离可以大致等于线圈的外径。
包括与换能器线圈并联耦合的第二感应线圈以及超声换能器使NDT传感器的远程操作范围增加，同时将LC电路的谐振频率保持在操作超声换能器所需的值处。通过包括具有大于第一感应线圈的外径的的外径的第二感应线圈来实现该效果。
除了改善无线传感器的远程操作范围之外，使用两个感应线圈也可以改善传感器和远程设备之间的感应耦合的强度，因为两个感应线圈都有助于感应耦合。因此，与单个线圈的设计相比，传感器和远程设备之间的单次传输的信号幅度也可得到增强。
所述第二感应线圈的外径可以是第一感应线圈的外径的至少1.1倍大，优选为至少2倍大。
所述超声换能器、所述第一感应线圈以及所述第二感应线圈可以以基本上同轴布置的方式安装。所述第一感应线圈和所述第二感应线圈可以安装在基本相同的平面内。
这就提供了具有较低轮廓的传感器，其可以被容易地安装在测试对象内。
所述第一感应线圈可具有电感，使得所述第一感应线圈与所述超声换能器形成具有与所述超声换能器的最佳操作频率相匹配的谐振频率的电路。
所述第一感应线圈的电感可处于0.05μΗ至10μΗ之间。优选地，第一感应线圈的电感可处于0.2μΗ至5μΗ之间。
所述第二感应线圈的电感可处于0.1μΗ至20μΗ之间。优选地，第二感应线圈的电感可处于0.2μΗ至5μΗ之间。
所述传感器可进一步包括与第一感应线圈并联电耦合至超声换能器的外感应线圈，每个外感应线圈具有大于第一感应线圈的外径的外径。
根据本发明的第二方面，提供一种生产用于对测试对象进行无损测试的超声波传感器的方法，包括：
提供具有第一外径的第一感应线圈；
提供具有大于所述第一外径的外径的第二感应线圈；
将所述第一感应线圈电耦合至超声换能器；以及
将所述第二感应线圈与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器。
该方法可包括计算在操作频率下操作超声换能器所要求的电感值的步骤，并且，提供所述第一和第二感应线圈的步骤可以包括：
提供具有所要求的电感值的所述第一感应线圈；以及
提供具有直径的第二感应线圈，该直径大于第一直径并提供基本上不改变超声波传感器的总电感的电感。
该方法通过初始设计具有形成所需频率的谐振电路的电感且独立于第二线圈的第一线圈，以确保超声波传感器的电感针对换能器的操作频率进行优化。然后将直径大于第一线圈的直径的第二线圈以与第一线圈并联的方式添加到电路中，以便增加传感器和远程设备之间可能的远程操作范围而不显著影响超声波传感器电路的总电感。发明人已发现，可以将操作范围增加大约2至3倍，而不会对换能器的操作产生不利影响。
根据本发明的第三方面，提供一种用于对测试对象进行无损测试的无线传感器，所述无线传感器包括：
换能器；
电耦合至换能器的第一平面感应线圈；
与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器的第二平面感应线圈；
其中，所述第一和第二感应线圈被布置成使换能器能够通过远程设备以其操作频率进行感应操作；
其中，所述第二感应线圈的外径大于所述第一感应线圈的外径。
这样可以促成较低轮廓的布置并使NDT传感器的远程操作范围增加。
第一方面的选择特征可以以类似的方式应用于第三方面。
根据本发明的第四方面，提供一种无线无损测试系统，包括：根据第一方面的无线超声传感器以及用于感应式操作无线超声波传感器的检测棒。
附图说明
现在将参考附图，仅通过示例严格地描述本发明的实施例，其中：
图1是已知的无线NDT系统的示意图。
图2是图1中无线超声波传感器的电路图。
图3是图1中无线超声波传感器的简化电路图。
图4是无线超声波传感器的示意图。
图5是包括图4中的传感器的无线NDT系统的示意图。
图6是图4中无线超声波传感器的电路图。
图7是根据第二实施例的生产无线超声波传感器的第一种方法的示意图。
具体实施方式
首先参考图1，已知的无线NDT系统总体显示为100。该NDT系统布置为对测试对象进行测试并且包括嵌入或附着在测试对象102上的无线超声波传感器104以及包括检测棒106的远程设备。无线超声波传感器104包括电耦合至感应线圈110的压电超声换能器108。该感应线圈110使得无线超声波传感器104能够通过感应耦合由检测棒106远程供电。该感应线圈110通过第一连接线112与换能器108的负极连接，并通过第二连接线114与换能器108的正极连接。
该感应线圈110和超声换能器108一起形成了具有一定谐振频率的LC电路。使用中，检测棒106被引向传感器104，其在谐振频率下在LC电路中感应出电流。这使得换能器108输出超声波脉冲。超声波脉冲可以反射离开测试对象的表面并且反射信号被换能器108接收，从而在传感器104中产生电流，且该电流可通过感应耦合传输至检测棒106。
为了在检测棒106和传感器104之间产生感应耦合，检测棒106必须保持在超声波传感器104的距离x之内。在此范围之外，感应耦合太弱而不能使检测棒106超声波传感器104进行操作(即向超声波传感器104发送以及/或接收信号)。最大操作距离由许多因素确定，包括：传感器104的谐振频率、检测棒106的谐振频率、检测棒和传感器之间的材料以及线圈的外径d。
图2为图1中的无线NDT传感器104的电路图。该感应线圈110可以表示为电感L、寄生电阻Rd以及电容Cd，其与压电超声换能器108并联电偶联，且该压电超声换能器108可表示为阻抗Zpz。
对于高频(约为1-10MHz)应用，例如在超声波传感器中，通常使用具有少量匝数(通常为1至10匝)的线圈，因此可以做出理想的电感器假设，且可忽略感应线圈的寄生电阻和电容。因此，图3所示的电路可以被简化为与线圈L相关的电感以及与换能器Cpz相关的电容。该频率fo可以由下式给出：
且感应线圈所要求的电感可以估计为：
已知的是通过调整线圈参数，例如线圈直径、匝数和匝数密度，对线圈进行设计以实现该电感值。匝数为N、圆半径为R、线半径为a以及介质相对导磁率为μr的圆形环的电感由下式给出：
为设计具有所需电感的线圈以实现操作超声换能器所需的频率fo，该线圈将必然具有较小直径，尤其对具有少量匝数的线圈而言，从而又反过来限制了检测棒106可以操作传感器的距离，因为较小直径的线圈的感应耦合的范围减小。
在图4中，根据第一实施例的无线超声波传感器总体显示为404。该传感器404包括压电超声换能器406以及第一平面感应线圈408。第一感应线圈406通过第一连接线410与换能器406的负极相连，并通过第二连接线412与换能器的正极相连。
无线超声波传感器404进一步包括第二平面感应线圈414，该第二平面感应线圈具有大于第一感应线圈的外径d1的外径d2。第二感应线圈414通过第三连接线416与换能器的负极连接，并通过第四连接线418与换能器406的正极连接。因此，第一和第二感应线圈408、414以并联的方式与换能器406连接。在一些实施例中，还可提供与第一感应线圈408并联的外感应线圈。
在图4所示的实施例中，第一感应线圈408具有35mm至75mm之间的外径d1，第二感应线圈414具有38.5mm至150mm之间的外径d2。然而，在一些实施例中，第一感应线圈408可具有35mm至100mm之间的外径d1，第二感应线圈414可具有38.5mm至200mm之间的外径d2，且该外线圈的外径至少为内线圈外径的1.1倍。外线圈的内径可以至少为内线圈外径的1.1倍，从而能够实现具有特定的低轮廓的嵌套的线圈布置。
第一感应线圈408可以具有1到20匝。第二感应线圈414可以具有1至20匝。
内部和外部线圈408、414可以具有合适的线半径。在一些实施例中，每个线圈408、414的线半径可以相同。
图5示出了包括图4所述的嵌入或者附着到测试对象502的无线超声波传感器404，以及在这种情况下为检测棒504的远程设备的无线NDT系统。无线超声波传感器可以由检测棒504以与图1的无线NDT系统类似的方式进行干预操作。然而，由于无线超声波传感器404包括第一和第二感应线圈408、414，所以相比图1中NDT系统中可能的检验吧504和无线超声波传感器之间的距离，图5的NDT系统500可以以更大的检测棒504和无线超声波传感器404之间的距离x2操作。
图6示出了图4中的无线NDT传感器的电路图。第一感应线圈408可以表示为电感L、寄生电阻Rd以及电容Cd。第二感应线圈414可以表示为电感L2、寄生电阻R2d以及电容C2d。该第一和第二感应线圈以并联的方式与压电超声换能器108耦合，该压电超声换能器可表示为阻抗Zpz。另外，该第一和第二感应线圈可分别具有相关电压V和V2，这些电压为线圈之间的互感引起的感应电压。
传感器的总电感由第一和第二感应线圈的电感值确定(当线圈的寄生电阻和电容可忽略不计时)，该总电感由下式给出：
其中，Leq为总电感，L为第一线圈的电感，L2为第二线圈的电感，且M为线圈之间的互感。因此，随着第二线圈的电感相对第一线圈增加，该无线超声波传感器404的总电感Leq接近第一感应线圈408的电感。这使得具有更大直径的第二线圈能够被包括在传感器中，以便增加传感器的可操作范围，同时仍然能使传感器的总电感足够低以提供用于高频应用的谐振频率电路。只要其中一感应线圈的直径大于另一感应线圈并且LC电路的谐振频率能够操作换能器，对感应线圈的平均直径的任意组合可以知道范围的改善。
在一些实施例中，第二感应线圈414可以具有不可忽略的寄生电阻和电容，因为随着线圈直径增加，由寄生电阻和电容引起的能量损失增加。在这种情况下，外线圈414可以设计为具有足够的线圈匝数和线圈直径以提供平衡寄生电阻，但却不会导致显著的寄生电阻的电感L2。
现在参考图7，一种超声波无线换能器的生产方法总体显示为700。
在步骤702中，可以提供具有特定操作频率和已知静态电容的超声换能器。
在步骤704中，计算在操作频率下形成具有谐振的LC电路所需的换能器线圈所需的电感。
在步骤706，提供具有第一直径并且具有计算的所需电感的第一感应线圈。
在步骤708，确定第二感应线圈的外径。第二感应线圈的内径可以具有大于第一感应线圈外径的值。第二感应线圈的外径由给定应用的所需读取距离和/或最大传感器占用面积确定。例如，外径可以近似等于2倍的2的平方根乘以最佳读取距离(2*Sqrt(2)*读取距离)，并且近似等于最大读取距离。
在步骤710中，第一感应线圈和第二感应线圈分别并联到超声换能器的正极和负极。
如上所述，对于任何感应线圈平均直径的组合，只要其中一个比另一个大，并且LC电路的谐振频率能使换能器工作，就可以看出传感器范围的改进。因此，该方法可以包括：
提供具有第一平均直径的第一感应线圈；
提供平均直径大于第一直径的第二感应线圈；
将第一感应线圈电耦合至超声换能器；并将第二感应线圈与第一感应线圈并联地电耦合至超声换能器。

Claims (9)

1.用于对测试对象进行无损测试的无线超声波传感器，所述传感器包括：
超声换能器；
电耦合至所述超声换能器的第一感应线圈，所述第一感应线圈连接到所述超声换能器的负极以及所述超声换能器的正极；
与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器的第二感应线圈，所述第二感应线圈连接到所述超声换能器的所述负极以及所述超声换能器的所述正极；
其中，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈被布置成使所述超声换能器能够通过远程设备以其操作频率进行感应操作；
其中，所述第二感应线圈的外径大于所述第一感应线圈的外径；
其中，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈安装在相同的平面内。
2.根据权利要求1所述的无线超声波传感器，其中，所述第二感应线圈的外径是第一感应线圈的外径的至少1.1倍大。
3.根据权利要求1所述的无线超声波传感器，其中，所述超声换能器、所述第一感应线圈以及所述第二感应线圈以同轴布置的方式安装。
4.根据权利要求1所述的无线超声波传感器，其中，所述第一感应线圈具有电感，使得所述第一感应线圈与所述超声换能器形成具有与所述超声换能器的最佳操作频率相匹配的谐振频率的电路。
5.根据权利要求1所述的无线超声波传感器，其中，所述第一感应线圈的电感在0.05μΗ至10μΗ之间。
6.根据权利要求1所述的无线超声波传感器，其中，所述第二感应线圈的电感在0.1μΗ至20μΗ之间。
7.一种生产用于对测试对象进行无损测试的超声波传感器的方法，包括：
提供具有第一外径的第一感应线圈，所述第一感应线圈连接到所述超声换能器的负极以及所述超声换能器的正极；
提供具有大于所述第一外径的外径的第二感应线圈，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈被布置成使所述超声换能器能够通过远程设备以其操作频率进行感应操作，所述第二感应线圈连接到所述超声换能器的所述负极以及所述超声换能器的所述正极；
将所述第一感应线圈电耦合至超声换能器；以及
将所述第二感应线圈与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器。
8.如权利要求7所述的方法，包括计算在操作频率下操作超声换能器所要求的电感值的步骤，由此，提供所述第一感应线圈和第二感应线圈的步骤包括：
提供具有所要求的电感值的所述第一感应线圈；以及提供具有外径的第二感应线圈，该外径大于所述第一外径并提供不改变所述超声波传感器的总电感的电感。
9.一种无线无损测试系统，包括：如权利要求1至6中任意一项所述的无线超声波传感器以及用于感应式操作所述无线超声波传感器的检测棒。
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