CN108627568A - 一种l型蜿蜒激励式涡流传感器及其线圈绕制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种L型蜿蜒激励式涡流传感器及其线圈绕制方法，包括印刷电路板和印刷在印刷电路板上的线圈组；线圈组包括：绕制为“L”型的激励线圈，所述激励线圈包括绕制为“L”型的至少一个蜿蜒单元组成的蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制为“L”型后在上方和右侧各形成一个凸部形区域；在“L”型的两个凸部分别绕制的两组检测线圈，所述每组线圈均绕制在至少一个蜿蜒单元的间隙内。本发明能够在仅使用一个传感器的情况下就可以较为方便地、非接触地检测平面应力状态下的各种金属构件中的应力及应变。

Description

一种L型蜿蜒激励式涡流传感器及其线圈绕制方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于检测已知主应力方向的平面应力状态下的金属结构中相互垂直的两个主应力方向的应力及应变的L型蜿蜒激励式涡流传感器。

背景技术

绝大多数机械结构是由金属材料制作而成的，有效检测这些金属结构的应力状态对于了解其服役状态和评估其剩余寿命均具有重要意义。

目前用于检测金属结构中应力状态的常用方法有应变片法、X射线法、超声波法和磁测法等。在这些方法中，应变片法需要接触式测量；X射线法设备昂贵，具有辐射危险，仅适用于实验室检测；超声波法需要耦合剂；磁测法仅适用于铁磁性材料的检测。

涡流检测方法具有操作简便、成本低廉、不需要耦合剂和可非接触测量等优点，已在检测金属结构的应力方面得到了较多应用。在材料的弹性范围内，金属结构的应变与应力成线性关系，因此，涡流检测方法也可以用于检测金属结构的应变。

现有的涡流应力检测研究仅局限于单向应力及应变的检测，缺少能够在已知主应力方向时检测平面应力状态下的金属结构中应力及应变的涡流传感器。

发明内容

本发明提供一种用于检测应力及应变的L型蜿蜒激励式涡流传感器，以解决现有技术存在的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种L型蜿蜒激励式涡流传感器，包括印刷电路板和印刷在印刷电路板上的线圈组；

所述线圈组包括：

绕制为“L”型的激励线圈，所述激励线圈包括绕制为“L”型的至少一个蜿蜒单元组成的蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制为“L”型后在上方和右侧各形成一个凸部形区域；

在“L”型的两个凸部分别绕制的两组检测线圈，所述每组线圈均绕制在至少一个蜿蜒单元的间隙内。

进一步，所述“L”型蜿蜒单元的凸部内绕制的检测线圈距离形成该蜿蜒单元的导线的距离满足：通电情况下，检测线圈能够检测到形成凸起的导线激发出的涡流变化信息。

进一步，当蜿蜒折线具有至少两个蜿蜒单元时，多个蜿蜒单元串联连接。

进一步，所述每组检测线圈均包括至少一个检测线圈，每个检测线圈至少绕制在蜿蜒折线的一个蜿蜒单元的间隙内，蜿蜒单元间隙内的检测线圈均为非闭合矩形，同一个凸部多个蜿蜒单元的检测线圈可串联连接或者分别连接外部检测设备。串联的检测线圈中感应电压的方向应一致。

进一步，所述印刷电路板可在多个板层上均设置位置对应、形状相同的“十”字型激励线圈，不同板层上的激励线圈串联连接；

所述印刷电路板可在多个板层上均设置位置对应、形状相同的检测线圈，不同板层上的检测线圈串联连接；

所述激励线圈和检测线圈处于相同的板层上或者不同的板层上；当位于相同层上时，检测线圈与激励线圈不相交。

进一步，所述蜿蜒折线的每条边均为直线段，且相邻两边夹角为90°。

一种L型蜿蜒花式涡流传感器线圈绕制方法，包括激励线圈的绕线方式：

所述激励线圈绕线方法包括：设定以L型的横边为x轴，竖边为y轴

（1）从起点S1沿y轴负方向走线D1距离后，向x轴正方向弯折90度；

（2）沿x轴正方向走线D1距离后，向y轴正方向弯折90度并沿y轴正方向走线D距离Dd1；所述Dd1为蜿蜒单元的宽度Ⅰ；

（3）向x轴负方向弯折90度并沿x轴负方向走过D2距离；

（4）向y轴正方向弯折90度并沿y轴正方向走过D2距离；

（5）向x正方向弯折90度并沿x轴正方向走线Dd2距离，形成一个蜿蜒单元，所述Dd2为蜿蜒单元的宽度Ⅱ；

（6）若蜿蜒单元的数目大于2，则继续绕制第二个蜿蜒单元，所述第二个蜿蜒单元的距离D1’小于第一个蜿蜒单元的距离D1，第二个蜿蜒单元的距离D2’小于第一个蜿蜒单元的距离D2，且之后的蜿蜒单元依次类推；多个蜿蜒单元串联形成蜿蜒折线。

进一步，所述激励线圈同一个蜿蜒单元的宽度Ⅰ和宽度Ⅱ相同或者不同。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供了一种可以在已知主应力方向的情况下检测平面应力状态下的金属结构中两个相互垂直的主应力及主应变的涡流传感器，突破了现有涡流传感器只能检测单向应力及应变的缺陷。

（2）采用该种传感器，在仅使用一个传感器的情况下就可以较为方便地、非接触地检测平面应力状态下的各种金属构件中的应力及应变。而现有的研究中，为检测两个方向的主应力及主应变，则需使用2个以上的涡流传感器，很难保证多个传感器与被测结构之间提离的一致性。因此，本发明有利于降低涡流法检测应力应变时的测试系统的复杂性，有利于提高应力应变检测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构图。

图2为本发明实施例的结构示意图二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种用于检测应力及应变的L型蜿蜒激励式涡流传感器，该涡流传感器包括印刷电路板和印刷电路板上的线圈组。印刷电路板可选择平面印刷电路板，也可以选择柔性印刷电路板。

线圈组包括激励线圈和检测线圈，在激励线圈中接入交变电流，会在被测结构上感应出涡流。

具体来说，线圈组包括：

（1）使用导线绕制的“L”型激励线圈。所述的导线沿“L”型往复绕制，形成一个蜿蜒单元，L型的蜿蜒单元具有相互垂直的两个凸部，多个L型的蜿蜒单元串联形成蜿蜒折线，绕制激励线圈的导线至少包括一根，且蜿蜒折线的每条边均为直线段，相邻两边夹角为90°。

（2）在L型蜿蜒单元的两个凸部分别绕制的两组检测线圈，两组检测线圈沿不同方向布置。每组检测线圈至少包括一个检测线圈，每个检测线圈绕制在至少一个蜿蜒单元间隙内，每个检测线圈均至少由一根导线绕制形成。两组检测线圈采用蜿蜒式折线形式，相互垂直地布置在激励线圈的L型蜿蜒式折线的折回间隙内。

每个凸部内，检测线圈的蜿蜒间距应小于所述激励线圈的蜿蜒间距，以保证检测线圈的蜿蜒单元可以布置在激励线圈的蜿蜒单元的折回间隙内。蜿蜒单元内绕制的检测线圈距离形成该蜿蜒单元的导线的距离满足：通电情况下，检测线圈能够检测到形成凸起的蜿蜒曲线激发出的涡流变化信息。

一个蜿蜒单元可绕制两个检测线圈，两个检测线圈分别位于L型的两个凸部。

同一个凸部的多个蜿蜒单元的检测线圈可以串联连接在一起，也可以均连接外部的设备进行检测。多个串联在一起的感应电压方向一致的检测线圈能够提高传感器的检测灵敏度，且蜿蜒单元的数目可根据不同情况和不同的测量要求设定。

由于涡流受到金属结构中应力的影响，当传感器的L型方向与被测对象的主应力方向一致时，激励线圈的L型蜿蜒式折线所激励出的涡流在L型两端分别对相互垂直的两个主应力方向的应力变化敏感。每个检测线圈的阻抗或输出信号反映了特定方向上的应力信息。对两个检测线圈的阻抗变化或输出信号进行分析，即可检测出金属结构中两个相互垂直的主应力方向上的主应力及主应变。

必要时，可在印刷电路板的多个板层上均设置位置对应、形状相同的L型激励线圈，不同板层上的激励线圈串联连接，能够提高单位检测面积上的涡流密度，从而提高应力检测的灵敏度。检测线圈也可采用在同一电路板的多个板层上布置位置对应、形状相同的检测线圈，且不同板层上的检测线圈串联连接的形式。

检测线圈和激励线圈最好位于同一电路板的不同层上，当位于相同层上时，应确保检测线圈与激励线圈不相交。

作为一种实施方式，如图1所示，本发明采用双层印刷电路板制作本发明所提供的涡流传感器，其中激励线圈位于电路板的上层，检测线圈位于电路板的下层。

如图1中粗实线所示，本实施例的激励线圈由两个蜿蜒单元串联而成，激励信号由左上角的两个粗实线焊盘输入。

如图1中细实线所示，本实施例中共有2个检测线圈，其中，检测线圈1位于L型激励线圈的右下方的蜿蜒折回间隙里，用于检测沿图中水平方向的主应力及主应变，检测线圈2位于L型激励线圈的左上方的蜿蜒折回间隙里，用于检测沿图中竖直方向的主应力及主应变。每个检测线圈均由两个感应电压方向一致的矩形单元串联而成，以增大传感器的输出信号。

当用该传感器进行应力应变测试时，可以用一定方式将传感器固定在被测试件的待测表面附近，并确保传感器的L型方向与试件的主应力方向一致，且传感器平面与待测平面之间的提离处处相等。

向激励线圈中接入交变电流后，图1中右下角部分的激励线圈所产生的涡流对图中水平方向的应力变化敏感，左上角的激励线圈所产生的涡流对图中竖直方向的应力变化敏感。各检测线圈拾取到对应处的涡流变化信息，以检测线圈阻抗的变化或输出信号的幅值和相位的变化的形式反映出各自敏感方向上的应力和应变变化，即可实现对主应力和主应变的测量。

本发明还提供一种用于检测应力及应变的L型蜿蜒花式涡流传感器绕线方法，包括激励线圈的绕线方法。激励线圈绕线方法包括：设定以L型的横边为x轴，竖边为y轴

从起点S1沿y轴负方向走线D1距离后，向x轴正方向弯折90度；

沿x轴正方向走线D1距离后，向y轴正方向弯折90度并沿y轴正方向走线Dd1距离；所述Dd1为蜿蜒单元的宽度Ⅰ；

向x轴负方向弯折90度并沿x轴负方向走过D2距离；

向y轴正方向弯折90度并沿y轴正方向走过D2距离；

向x正方向弯折90度并沿x轴正方向走线Dd2距离，形成一个蜿蜒单元，所述Dd2为蜿蜒单元的宽度Ⅱ；

若蜿蜒单元的数目大于2，则继续绕制第二个蜿蜒单元，所述第二个蜿蜒单元的距离D1’小于第一个蜿蜒单元的距离D1，第二个蜿蜒单元的距离D2’小于第一个蜿蜒单元的距离D2，且之后的蜿蜒单元依次类推；多个蜿蜒单元串联形成蜿蜒折线。

激励线圈同一个蜿蜒单元的宽度Ⅰ和宽度Ⅱ相同或者不同。上述L型两个边的长度均为D1，也可设置为不相等的长度。

检测线圈，采用和激励线圈的各段蜿蜒折线相类似的方式走线，总体采用由一根导线蜿蜒而成的分布在激励线圈相邻的折回间隙内的若干个非闭合矩形串联的形式。即可从蜿蜒单元外部走线至蜿蜒单元内部的间隙处，沿间隙绕制一个非闭合矩形后，直接绕制到终点，或者与另一个或者几个蜿蜒单元内的非闭合矩形串联后再绕制到终点。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种L型蜿蜒激励式涡流传感器，其特征在于：包括印刷电路板和印刷在印刷电路板上的线圈组；

所述线圈组包括：

绕制为“L”型的激励线圈，所述激励线圈包括绕制为“L”型的至少一个蜿蜒单元组成的蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制为“L”型后在上方和右侧各形成一个凸部形区域；

在“L”型的两个凸部分别绕制的两组检测线圈，所述每组线圈均绕制在至少一个蜿蜒单元的间隙内。

2.根据权利要求1所述的一种L型蜿蜒激励式涡流传感器，其特征在于：

所述“L”型蜿蜒单元的凸部内绕制的检测线圈距离形成该蜿蜒单元的导线的距离满足：通电情况下，检测线圈能够检测到形成凸起的导线激发出的涡流变化信息。

3.根据权利要求1所述的一种L型蜿蜒激励式涡流传感器，其特征在于：

当蜿蜒折线具有至少两个蜿蜒单元时，多个蜿蜒单元串联连接。

4.根据权利要求1所述的一种L型蜿蜒激励式涡流传感器，其特征在于：

所述每组检测线圈均包括至少一个检测线圈，每个检测线圈至少绕制在蜿蜒折线的一个蜿蜒单元的间隙内，蜿蜒单元间隙内的检测线圈均为非闭合矩形，同一个凸部多个蜿蜒单元的检测线圈可串联连接或者分别连接外部检测设备。

5.串联的检测线圈中感应电压的方向应一致。

6.根据权利要求1所述的一种L型蜿蜒激励式涡流传感器，其特征在于：

所述印刷电路板可在多个板层上均设置位置对应、形状相同的“十”字型激励线圈，不同板层上的激励线圈串联连接；

所述印刷电路板可在多个板层上均设置位置对应、形状相同的检测线圈，不同板层上的检测线圈串联连接；

所述激励线圈和检测线圈处于相同的板层上或者不同的板层上；当位于相同层上时，检测线圈与激励线圈不相交。

7.根据权利要求1所述的一种L型蜿蜒激励式涡流传感器，其特征在于：

所述蜿蜒折线的每条边均为直线段，且相邻两边夹角为90°。

8.一种权利要求1~6所述的L型蜿蜒花式涡流传感器线圈绕制方法，其特征在于：包括激励线圈的绕线方式：

所述激励线圈绕线方法包括：设定以L型的横边为x轴，竖边为y轴

从起点S1沿y轴负方向走线D1距离后，向x轴正方向弯折90度；

沿x轴正方向走线D1距离后，向y轴正方向弯折90度并沿y轴正方向走线D距离Dd1；所述Dd1为蜿蜒单元的宽度Ⅰ；

向x轴负方向弯折90度并沿x轴负方向走过D2距离；

向y轴正方向弯折90度并沿y轴正方向走过D2距离；

向x正方向弯折90度并沿x轴正方向走线Dd2距离，形成一个蜿蜒单元，所述Dd2为蜿蜒单元的宽度Ⅱ；

若蜿蜒单元的数目大于2，则继续绕制第二个蜿蜒单元，所述第二个蜿蜒单元的距离D1’小于第一个蜿蜒单元的距离D1，第二个蜿蜒单元的距离D2’小于第一个蜿蜒单元的距离D2，且之后的蜿蜒单元依次类推；多个蜿蜒单元串联形成蜿蜒折线。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述激励线圈同一个蜿蜒单元的宽度Ⅰ和宽度Ⅱ相同或者不同。