CN109580771A - 双方形激励柔性涡流阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双方形激励柔性涡流阵列传感器，采用4层平面结构，从上到下依次为绝缘覆盖层、第一激励线圈层、检测线圈层和第二激励线圈层，第一激励线圈层和第二激励线圈层中的激励线圈采用反相的占空比为50％方波分布，检测线圈层包括两行螺旋方形线圈，每个线圈分别位于第一激励线圈、第二激励线圈中由线圈围成的凹槽内部，每个线圈的接线端的引线从绝缘覆盖层中穿出，与相应的外界电路进行连接。本发明采用柔性的平面阵列结构，提高对复杂形状试件的检测能力。

Description

双方形激励柔性涡流阵列传感器

技术领域

本发明属于涡流阵列无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种双方形激励柔性涡流阵列传感器。

背景技术

无损检测技术是以不破坏被测物体内部结构为前提，使用物理的方法对物体内部可能存在的不连续性进行检测和评估。电涡流是众多无损检测方法类别中的一类重要方法，其原理是在激励线圈端施加交变的电流，从而产生交变的磁场，该磁场与被测试件相互作用，在试件中产生交变的涡流，试件中的涡流产生次生磁场，利用检测传感器对源磁场和次生磁场的叠加场检测，通过对检测信号的分析，实现对试件中缺陷的检测识别。

涡流阵列检测方法是近年来快速发展的涡流检测方法，与常规的单个涡流传感器在试件表面上进行扫描的方法不同之处是探头由多个独立工作的线圈单元构成，这些单元按照特殊的方式进行排布。其优点是可实现对大面积试件的高速检测，且能够达到与单个传感器相同的测量精度和分辨率，有效提高了传感系统的测试速度、测量精度和可靠性。

现有的涡流阵列传感器，大多是由常规线圈空心或装有磁芯作为激励线圈，使用空心线圈或磁传感器(霍尔传感器，巨磁阻传感器)作为检测传感器所构成的阵列。而这种体积性探头尺寸较大，分辨率较低，虽然与单个传感器相比较而言，在检测速度和精度上有所提高，但对于几何形状复杂表面，探头不能灵活弯曲及贴合试件，使得检测难以实施或在造成较大误差，降低了检测准确度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双方形激励柔性涡流阵列传感器，采用柔性的平面阵列结构，提高对复杂形状试件的检测能力。

为实现上述发明目的，本发明双方形激励柔性涡流阵列传感器包括第一激励线圈层、第二激励线圈层、检测线圈层和绝缘覆盖层，其中：

第一激励线圈层包括第一激励线圈和第一电绝缘柔性基底，第一电绝缘柔性基底作为第一激励线圈的承载衬底，第一激励线圈呈占空比为50％、M个周期的方波分布，第一激励线圈的接线端用于与激励信号源连接；

第二激励线圈层包括第二激励线圈和第二电绝缘柔性基底，第二电绝缘柔性基底作为第二激励线圈的承载衬底，第二激励线圈呈占空比为50％、M个周期的方波分布，且与第一激励线圈关于方波的X轴对称分布，其余参数与第一激励线圈一致，第二激励线圈的接线端用于与第一激励线圈的输出端连接；

检测线圈层包括4M个螺旋方形线圈、公共地线端和第三电绝缘柔性基底，第三电绝缘柔性基底作为螺旋方形线圈和公共地线端的承载衬底，其中4M个螺旋方形线圈呈2行2M列均匀分布，每行相邻2个螺旋方形线圈的中心距离为T/2，T表示第一激励线圈和第二激励线圈的方波周期长度，每列2个螺旋方形线圈的中心距离为A，A表示第一激励线圈和第二激励线圈的方波幅度；公共地线端与每个螺旋方形线圈的一端接线端串联，每个螺旋方形线圈的另一端作为检测信号输出端，用于和采集模块连接；

将第一激励线圈层、检测线圈层、第二激励线圈层依次粘接，采用三个电绝缘柔性基底对线圈进行隔离，第一激励线圈的下沿和第二激励线圈的上沿重叠，第一行2M个螺旋方形线圈分别位于第一激励线圈中由线圈围成的2M个凹槽内部，第二行2M个螺旋方形线圈分别位于第二激励线圈中由线圈围成的2M个凹槽内部，且螺旋方形线圈不与第一激励线圈或第二激励线圈重叠；

绝缘覆盖层覆盖在第一激励线圈层上方，每个线圈的接线端的引线从绝缘覆盖层中穿出，与相应的外界电路进行连接。

本发明双方形激励柔性涡流阵列传感器，采用4层平面结构，从上到下依次为绝缘覆盖层、第一激励线圈层、检测线圈层和第二激励线圈层，第一激励线圈层和第二激励线圈层中的激励线圈采用反相的占空比为50％方波分布，检测线圈层包括两行螺旋方形线圈，每个线圈分别位于第一激励线圈、第二激励线圈中由线圈围成的凹槽内部，每个线圈的接线端的引线从绝缘覆盖层中穿出，与相应的外界电路进行连接。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用平面阵列结构以及柔性基底，更贴近试件表面，使之几乎不受提离影响，提高对复杂形状试件的检测能力；

2)本发明对线圈的阵列结构进行改进，使磁场周期性阵列分布，使阵列分辨率和灵敏度得到提高，被包围着的多匝检测线圈使信号强度得到提高，从而使整体结构增强了检测效率及降低了漏检率；

3)采用多个螺旋方形线圈作为检测线圈，可以有效增强检测到的次级磁场大小，对微裂纹产生的弱信号强度得到提高，但阵列传感器的单元尺寸和整体尺寸较小，提高了检测分辨率和检测效率。

附图说明

图1是本发明双方形激励柔性涡流阵列传感器的具体实施方式结构图；

图2是本发明中第一激励线圈层的结构图；

图3是本发明中第二激励线圈层的结构图；

图4是本发明中检测线圈层的结构图；

图5是本发明双方形激励柔性涡流阵列传感器的工作示意图；

图6是本实施例中双方形激励柔性涡流阵列传感器的实物图；

图7是本实施例中传感器激励线圈内部的电流分布图；

图8是被测试件表面的涡流场分布图；

图9是本实施例中传感器在检测线圈线径变化时的信号变化曲线图；

图10是本实施例中传感器在不同深度的缺陷时检测信号对应的输出响应曲线图；

图11是某一个单元在不同缺陷角度时检测信号对应的输出响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明双方形激励柔性涡流阵列传感器的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明双方形激励柔性涡流阵列传感器包括第一激励线圈层1、第二激励线圈层2、检测线圈层3和绝缘覆盖层4。

图2是本发明中第一激励线圈层的结构图。如图2所示，第一激励线圈层1包括第一激励线圈11和第一电绝缘柔性基底12，第一电绝缘柔性基底12作为第一激励线圈11的承载衬底，第一激励线圈12呈占空比为50％、M个周期的方波分布，第一激励线圈11的接线端用于与激励信号源连接。激励线圈采用方波分布，可以产生周期性阵列磁场，使阵列传感器的分辨率和灵敏度得到提高。

图3是本发明中第二激励线圈层的结构图。如图3所示，第二激励线圈层2包括第二激励线圈21和第二电绝缘柔性基底22，第二电绝缘柔性基底22作为第二激励线圈21的承载衬底，第二激励线圈12呈占空比为50％、M个周期的方波分布，且与第一激励线圈12关于方波的X轴对称分布，即相位差为180°，其余参数与第一激励线圈12一致，第二激励线圈21的接线端用于与第一激励线圈11的输出端连接。通过设置第二激励线圈21，可以起到多阵列模式，增大检测范围且通过扫描使第一激励线圈11的结果得到补充和验证。

图4是本发明中检测线圈层的结构图。如图4所示，检测线圈层3包括4M个螺旋方形线圈31、公共地线端32和第三电绝缘柔性基底33，第三电绝缘柔性基底33作为螺旋方形线圈31和公共地线端32的承载衬底，其中4M个螺旋方形线圈31呈2行2M列均匀分布，每行相邻2个螺旋方形线圈31的中心距离为T/2，T表示第一激励线圈11和第二激励线圈12的方波周期长度，每列2个螺旋方形线圈31的中心距离为A，A表示第一激励线圈11和第二激励线圈12的方波幅度。公共地线端32与每个螺旋方形线圈31的一端接线端串联，每个螺旋方形线圈31的另一端作为检测信号输出端，用于和采集模块连接。公共地线端32用于充当零线端，降低电路复杂度和保护电路。

将第一激励线圈层1、检测线圈层3、第二激励线圈层2依次粘接，采用三个电绝缘柔性基底对线圈进行隔离，第一激励线圈11的方波下沿和第二激励线圈21的方波上沿重叠，第一行2M个螺旋方形线圈31分别位于第一激励线圈11中由线圈围成的2M个凹槽内部，第二行2M个螺旋方形线圈31分别位于第二激励线圈21中由线圈围成的2M个凹槽内部，且螺旋方形线圈31不与第一激励线圈11或第二激励线圈21重叠。

绝缘覆盖层4覆盖在第一激励线圈层1上方，每个线圈的接线端的引线从绝缘覆盖层4中穿出，与相应的外界电路进行连接。

图5是本发明双方形激励柔性涡流阵列传感器的工作示意图。如图5所示，本发明双方形激励柔性涡流阵列传感器的工作过程如下：将第一激励线圈11和第二激励线圈12的接线端与信号发生器连接，同时将各个螺旋方形线圈31的接线端与采集模块连接，再将传感器置于被测试件上。信号发生器产生激励信号，通过驱动电路发送至两个激励线圈，两个激励线圈在激励信号的驱动下产生磁场，标记为初级磁场，初级磁场作用在被测试件上，被测试件中产生感应涡流，感应涡流产生感应磁场，标记为次级磁场；4M个螺旋方形线圈31处于初级磁场和次级磁场的叠加磁场中，并将叠加磁场的信号通过接线端输入至采集模块，最后通过计算机处理得到采集的检测信号。

本发明中，由于基底材料为电绝缘柔性基底，可以贴合任意复杂形状被测试件，可以极大减小提离影响，线圈的形貌设计使磁场周期性阵列分布，使阵列传感器的分辨率和灵敏度得到提高，被包围着的螺旋方形线圈使信号强度得到提高，从而增强了检测效率及降低了漏检率。

实施例

为了更好地说明本发明的技术效果，采用一个具体实施例对本发明进行实验验证。图6是本实施例中双方形激励柔性涡流阵列传感器的实物图。如图6所示，本实施例中双方形激励柔性涡流阵列传感器各个部件的参数如下：

各电绝缘柔性基底和绝缘覆盖层4均采用PET(聚对苯二甲酸乙二酯)材料制成，基底的厚度约为25um，可弯曲，对试件表面具有适应性。

第一激励线圈11由高电导率的铜箔丝网压印在第一电绝缘柔性基底12上制成，为7.5个周期的方波，半波长为3mm，线径为0.5mm，较小的波长会使整个探头尺寸较小，这样会提高检测分辨率。第二激励线圈12除方波的相位外，其余参数与第一激励线圈11一致。本实施例中激励信号为频率1MHz的正弦信号。

检测线圈层3中包括30个螺旋方形线圈31，分为两行，每行15个。检测线圈层3中的各个螺旋方形线圈31和公共地线端32均由高电导率的铜箔丝网压印在第三电绝缘柔性基底33上制成，螺旋方形线圈31的线径为8um，相邻匝数之间的间隔为17um，故周期为25um，37匝，线径小匝数多，可以提高弱信号强度。公共地线端32包括两条公共地线端引线，每条引线设置为2个接口，每条引线分别连接一行螺旋方形线圈31，与相邻螺旋方形线圈之间的公共线径为8um，以减小公共地线端的引线对螺旋方形线圈的影响，公共地线端引线的线径为0.3mm，避免承载电流过大，保护传感器。

图7是本实施例中传感器激励线圈内部的电流分布图。图8是被测试件表面的涡流场分布图。如图7和图8所示，圆锥体头部表示电流的流向，试件表面涡流分布方向与通入的电流方向相反，且电流绕行在检测线圈四周与中间，提高了检测范围。

图9是本实施例中传感器在检测线圈线径变化时的信号变化曲线图。如图9所示，当检测线圈线径变小时，输出信号(此处以转移阻抗值为衡量标准)，检测信号幅值增大，且当线圈线径小时，可以容纳更多的匝数，由此可以提高弱信号强度。

图10是本实施例中传感器在不同深度的缺陷时检测信号对应的输出响应曲线图。图11是某一个单元在不同缺陷角度时检测信号对应的输出响应曲线图。一个单元包括上下两排半个波长的激励线圈与夹在中间的检测线圈。如图10和图11所示，本实施例中传感器在对不同缺陷尺寸和不同缺陷方向时，传感器输出都有明显变化，灵敏度较高，表明本发明对近表面缺陷任意形态都具有一定检测能力。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种双方形激励柔性涡流阵列传感器，其特征在于包括第一激励线圈层、第二激励线圈层、检测线圈层和绝缘覆盖层，其中：

第一激励线圈层包括第一激励线圈和第一电绝缘柔性基底，第一电绝缘柔性基底作为第一激励线圈的承载衬底，第一激励线圈呈占空比为50％、M个周期的方波分布，第一激励线圈的接线端用于与激励信号源连接；

第二激励线圈层包括第二激励线圈和第二电绝缘柔性基底，第二电绝缘柔性基底作为第二激励线圈的承载衬底，第二激励线圈呈占空比为50％、M个周期的方波分布，且与第一激励线圈关于方波的X轴对称分布，其余参数与第一激励线圈一致，第一激励线圈的接线端用于与第一激励线圈的输出端连接；

检测线圈层包括4M个螺旋方形线圈、公共地线端和第三电绝缘柔性基底，第三电绝缘柔性基底作为螺旋方形线圈和公共地线端的承载衬底，其中4M个螺旋方形线圈呈2行2M列均匀分布，每行相邻2个螺旋方形线圈的中心距离为T/2，T表示第一激励线圈和第二激励线圈的方波周期长度，每列2个螺旋方形线圈的中心距离为A，A表示第一激励线圈和第二激励线圈的方波幅度；公共地线端与每个螺旋方形线圈的一端接线端串联，每个螺旋方形线圈的另一端作为检测信号输出端，用于和采集模块连接；

将第一激励线圈层、检测线圈层、第二激励线圈层依次粘接，采用三个电绝缘柔性基底对线圈进行隔离，第一激励线圈的方波下沿和第二激励线圈的方波上沿重叠，第一行2M个螺旋方形线圈分别位于第一激励线圈中由线圈围成的2M个凹槽内部，第二行2M个螺旋方形线圈分别位于第二激励线圈中由线圈围成的2M个凹槽内部，且螺旋方形线圈不与第一激励线圈或第二激励线圈重叠；

绝缘覆盖层覆盖在第一激励线圈层上方，每个线圈的接线端的引线从绝缘覆盖层中穿出，与相应的外界电路进行连接。

2.根据权利要求1所述的双方形激励柔性涡流阵列传感器，其特征在于，所述电绝缘柔性基底采用聚对苯二甲酸乙二酯材料制成。