CN110031543B - 一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器，将阵列式涡流检测线圈蚀刻在聚酰亚胺薄膜上，以及将永磁扰动检测的磁敏元件阵列焊于柔性电路板上，依靠聚酰亚胺电路板的柔性特点，形成可弯曲的柔性阵列式传感器。柔性阵列式传感器包覆在橡胶骨架外表面，借助橡胶具有柔性可变形的特点，使得阵列式传感器可以与复杂曲面良好耦合，对铁磁性构件表面及次表面裂纹等缺陷进行无损检测。涡流接收线圈和永磁扰动检测元件均采用空间错排布局，提高阵列传感器的空间分辨率。沿扫查方向，涡流与永磁扰动阵列先后对同一缺陷进行检测，可以降低缺陷的漏检率和误报率。

Description

一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器
技术领域
本发明涉及一种柔性可弯曲的具有阵列结构的结合涡流与永磁扰动技术的传感器，主要适用于铁磁性构件复杂表面及亚表面缺陷的无损检测。
背景技术
涡流检测技术是利用电磁感应原理，通过检测被检测工件内感生涡流的变化来无损地评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的一种无损检测方法。涡流是将导体放入变化的磁场中时，由于在变化的磁场周围存在着涡旋的感生电场，感生电场作用在导体内的自由电荷上，使电荷运动，形成涡流。感生涡流产生与原磁场方向相反的磁场，部分抵消原磁场，导致检测线圈电阻和电感变化。若金属结构件表面或亚表面存在缺陷，将影响涡流场的分布和强度，使线圈阻抗发生变化，检测该变化可判断缺陷信息。永磁扰动检测是一种新型无损检测技术，当永磁体垂直置于铁磁构件正上方时，磁力线将会聚集于高磁导率的构件中。如有裂纹存在，作为突变的不连续扰动源将会影响永磁体内、外磁力线的分布。通过磁敏元件在铁磁构件表面扫查并拾取受缺陷影响下静磁场变化情况来判别缺陷信息。
现在用来进行无损检测的涡流检测技术和永磁扰动检测技术通常是针对待测面为平面的铁磁性金属结构件进行缺陷检测。对于曲面构件来说，利用涡流检测技术，在检测过程中很难保证提离距离保持不变，发生提离抖动也会出现类似缺陷的信号，因而容易发生误判。对于永磁扰动技术来说也存在相同的问题，提离距离的抖动会影响检测能力和效果，特别是当检测曲率变化的复杂金属表面时，比如齿轮，齿条、阶梯轴等。而且，检测过程中使用单检测元件的方式具有检测效率低的缺点。因此，本发明设计一种结合柔性涡流与永磁扰动阵列技术的检测方法及装置以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器，将阵列式涡流检测线圈蚀刻在聚酰亚胺薄膜上，以及将永磁扰动检测的磁敏元件阵列焊于柔性电路板上，依靠聚酰亚胺电路板的柔性特点，形成可弯曲的柔性阵列式传感器。柔性阵列式传感器包覆在橡胶骨架外表面，借助橡胶具有柔性可变形的特点，使得阵列式传感器可以与复杂曲面良好耦合，结合涡流和磁场扰动两种检测技术通过先后经过缺陷复检的方式，大大提高提高检测结果的准确性、检测效率以及横向分辨率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器，将能够实现涡流检测的线圈绕制呈扁平状或通过印刷电路技术制作在柔性电路板上，同时将能够实现磁场检测的磁敏元件焊接在同一柔性电路板上；线圈和磁敏元件按照一定交错形式分布成阵列结构，将焊接扁平状的线圈或印刷线圈和磁敏元件的柔性电路板安装在橡胶等柔性结构底部，用装有柔性线圈和磁敏元件的橡胶结构去贴合待测金属结构件的表面，检测元件出线端通过抽屉式连接器连接至壳体中的硬件电路转接板，再通过高磁屏蔽线连接至主控箱，主控箱内含信号发生模块、解调模块、数据采集模块。
由上位机给出激励信号，该激励信号在金属结构件所产生的涡流感应信号由线圈所拾取，该拾取的涡流感应信号输出给主控箱；由永磁铁给出的磁场受到缺陷扰动形成的磁场信号由磁敏元件(线圈、霍尔等)拾取，该拾取的磁场信号输出给主控箱；在主控箱中，涡流感应信号经放大、滤波、正交解调，磁敏元件感应信号经放大滤波后由计算机系统进行分析处理。
所述的薄饼状线圈或印刷线圈以及磁敏元件是通过蚀刻或焊接在柔性电路板上。
所述的阵列结构是将用于涡流检测的线圈和用于永磁扰动检测的磁敏元件排列成一行多列或多行多列形式。
所述的柔性电路板是安装在具有柔性可弯曲材料如橡胶等的底部，可以随橡胶等材料的弯曲而弯曲。
所述的橡胶等柔性结构是由贴合柔性电路板和放置永磁铁的横梁两部分构成，所述的永磁铁安装在橡胶横梁位置，装有扁平状的线圈或印刷线圈和磁敏元件的柔性电路板是安装在橡胶等柔性材料底部。
所述的柔性电路板具有一层或多层结构，柔性电路板上设有一圈结构或多圈结构的螺旋式印刷线圈，以及多个磁敏元件，印刷线圈和磁敏元件的引线通过转接板与主控箱相连接。
本发明的有益效果是，由于采用了将能够实现涡流检测的线圈绕制呈扁平状或蚀刻在聚酰亚胺薄膜上，以及将能够实现永磁扰动检测的磁敏元件制作在柔性电路板上，形成可弯曲的柔性阵列式传感器，结合橡胶具有柔性变形的特点，传感器可以随橡胶等材料的弯曲而弯曲，因此能够适应金属结构件复杂形状表面，通过两种检测技术的先后检测同一缺陷能够提高检测结果的准确性，利用将线圈和磁敏元件阵列化设计，从而可以提高检测效率和横向分辨率。该方法能够很好的用于表面复杂的金属结构件的表面缺陷检测。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明：但本发明的结合涡流和永磁扰动技术的检测方法及装置不局限于附图及实施例。
附图说明
图1：柔性涡流与永磁扰动阵列检测系统示意图。
图2：柔性涡流与永磁扰动阵列传感器结构示意图。
图3：涡流与永磁扰动阵列方式1示意图。
图4：阵列方式1转接板正反面示意图。
图5：涡流与永磁扰动阵列方式2示意图。
图6：阵列方式2转接板正反面示意图。
图7：阵列方式2连接器示意图。
图8：实施例一刻槽底部缺陷检测示意图。
图9：实施例二变曲率圆台缺陷检测示意图。
图10：柔性涡流与磁场扰动检测信号示意图。
图11：经过时序校正后的检测信号示意图。
附图标记如下：
1、上位机，2、主控箱，3、柔性涡流与永磁扰动阵列传感器，4、变曲率试件，5、高磁屏蔽线，6、BNC及雷默接头，7、上盖，8、转接电路板，9、电路板夹板，10、外壳，11、U型骨架，12、插销，13、柔性电路板夹板，14、柔性电路板，15、橡胶，16、平面螺旋线圈，17、磁敏元件，18、永磁铁，19、抽屉式接头，20、电路板走线，21、永磁扰动阵列部分，21-1、线圈，22、涡流阵列部分22-1、激励线圈，22-2、感应线圈，23-1和23-7、激励信号接头，23-2、转接电路板的激励面，23-8、接收面，23-3、柔性电路板，23-4、走线，23-5、连接抽屉式接头，23-6、走线，23-9、走线，24-1、永磁扰动部分，24-2、接收线圈阵列，24-3、激励线圈，25-1、抽屉式接头，25-2、接收面，25-3、抽屉式接头，25-4、激励面，25-5、线缆，26-1、抽屉式接头，26-2、柔性电路板，26-3、涡流接收线圈，27、橡胶，28、刻槽试件，29、变曲率圆台试件。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了具体的实施方案和操作过程，但本发明保护的范围不限于下述的实施例。
柔性涡流与永磁扰动阵列检测系统说明：
如图1所示，柔性涡流与永磁扰动阵列检测系统由上位机1发出激励采集命令控制主控箱2，并作为结果展示窗口。主控箱2包括函数发生模块、解调模块、信号采集模块，通过上位机1中控制程序控制主控箱2的信号发生及采集，激励信号通过线缆传入柔性涡流与永磁扰动阵列传感器3，传感器中涡流检测元件与永磁扰动检测元件获取变曲率试件4表面缺陷信息，接收信号通过高磁屏蔽线5传回主控箱2进行解调等处理，最终在上位机1上显示检测结果。
柔性涡流与永磁扰动阵列传感器结构说明：
如图2所示，传感器采用U型骨架11作为主支撑部件，下方通过插销12安装固定定制橡胶15，橡胶横梁上放置永磁铁18，柔性电路板14通过柔性电路板夹板13与橡胶15贴合，柔性电路板上蚀刻平面螺旋线圈16以及磁敏元件17，线圈16及磁敏元件17的接线连接电路板8上的抽屉式接头19，通过电路板走线20转接到上盖7上BNC及雷默接头6，方便与主控箱2连接，转接电路板8通过两侧电路板夹板9固定，电路板夹板9通过螺栓固定于U型骨架11，最后通过外壳10封装。
柔性涡流与永磁扰动阵列方式说明：
柔性涡流与永磁扰动阵列方式分为两种，下面分别进行说明。
方式1如图3所示。涡流阵列部分22采用一激一收方式，激励线圈22-1和感应线圈22-2左右水平分布，并按照如图所示交错进行排列可以增加横向分辨率。永磁扰动阵列部分21采用激励线圈21-1作为检测元件，按照同样方式排列。转接电路板8如图4所示分为激励面23-2和接收面23-8，涡流激励信号通过激励信号接头23-1和23-7接入，并通过转接电路板8上的走线23-6连接抽屉式接头23-5，再通过柔性电路板23-3上的走线23-4作用于激励线圈22-1，激励线圈22-1及感应线圈22-2的信号通过走线23-9连接转接电路板8的接收面23-8。
方式2如图5所示，涡流阵列方式采用一激多收方式，包括两部分：接收线圈阵列24-2和一个激励线圈24-3，永磁扰动部分24-1如图5所示，检测元件排列同方式1。转接电路板8如图6所示分为激励面25-4和接收面25-2，涡流激励信号通过接头25-1接入，接收信号与接头25-3相连。激励线圈通过线缆25-5交错连接，实现电流按照相同方向流动，具体实现方式如图7所示，柔性电路板26-2上的激励线圈通过再接头26-1处交错连接实现电流同向，接收信号由涡流接收线圈26-3拾取。
实施例及检测结果说明：
针对不同检测对象，柔性涡流与永磁扰动阵列传感器橡胶部分27设计为可更换的形式，此处给出两种实施例。实施例一刻槽28底部缺陷检测如图8所示；实施例二变曲率圆台29缺陷检测如图9所示，检测信号如图10所示，由于检测元件按上述交错阵列形式排布，所以检测信号在时间上存在先后顺序，经过时序校正后可以得到实际缺陷检测结果如图11所示。

Claims (5)

1.一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器，其特征在于：将涡流检测阵列与永磁扰动检测阵列，采用空间错排方式，印制或焊于聚酰亚胺柔性电路基板，并包覆在橡胶骨架外表面，使得涡流检测阵列与永磁扰动检测阵列所在的窄条区域能够与复杂曲面以线接触方式进行耦合，当传感器沿曲面扫查时，涡流检测阵列与永磁扰动检测阵列先后对同一缺陷进行检测，检测信号经过时序校正后可以得到缺陷扫查成像结果；
将能够实现涡流检测的线圈绕制呈扁平状或通过印刷电路技术制作在柔性电路板上，同时将能够实现磁场检测的磁敏元件焊接在同一柔性电路板上；线圈和磁敏元件按照一定交错形式分布成阵列结构，将焊接扁平状的线圈或印刷线圈和磁敏元件的柔性电路板安装在橡胶柔性结构底部，用装有柔性线圈和磁敏元件的橡胶结构去贴合待测金属结构件的表面，检测元件出线端通过抽屉式连接器连接至壳体中的硬件电路转接板，再通过高磁屏蔽线连接至主控箱，主控箱内含信号发生模块、解调模块、数据采集模块；
由上位机给出激励信号，该激励信号在金属结构件所产生的涡流感应信号由线圈所拾取，该拾取的涡流感应信号输出给主控箱；由永磁铁给出的磁场受到缺陷扰动形成的磁场信号由磁敏元件拾取，该拾取的磁场信号输出给主控箱；在主控箱中，涡流感应信号经放大、滤波、正交解调，磁敏元件感应信号经放大滤波后由计算机系统进行分析处理；
所述的橡胶是由贴合柔性电路板和放置永磁铁的横梁两部分构成，所述的永磁铁安装在橡胶横梁位置，装有扁平状的线圈或印刷线圈和磁敏元件的柔性电路板是安装在橡胶材料底部。
2.根据权利要求1所述的一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器，其特征在于：所述的扁平状的线圈或印刷线圈和磁敏元件是通过蚀刻或焊接在柔性电路板上。
3.根据权利要求1所述的一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器，其特征在于：所述的阵列结构是将用于涡流检测的线圈和用于永磁扰动检测的磁敏元件排列成一行多列或多行多列形式。
4.根据权利要求1所述的一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器，其特征在于：所述的柔性电路板安装在橡胶骨架的底部，能够随橡胶材料的弯曲而弯曲。
5.根据权利要求1所述的一种结合涡流与永磁扰动柔性阵列技术的传感器，其特征在于：所述的柔性电路板具有一层或多层结构，柔性电路板上设有一圈结构或多圈结构的螺旋式印刷线圈，以及多个磁敏元件，印刷线圈和磁敏元件的引线通过转接板与主控箱相连接。
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