CN102645486B - 一种梯形结构的平面阵列式电磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种梯形结构的平面阵列式电磁传感器，包括柔性基底，柔性基底的一面上设有主线圈以及激励电极对，柔性基底的另一面上设有次级线圈阵列以及输出电极对，主线圈和次级线圈阵列构成梯形周期结构，次级线圈阵列由四个以上的次级检测线圈组成，主线圈中每半个周期内包含有四个大小相同且呈对称分布的次级检测线圈。本发明具有结构简单、制作方便、输出信号更强、可有效实现微弱信号检测、对缺陷及应力等方向敏感、检测效率高且能够实现受检材料完全物理属性测量等优点。

Description

一种梯形结构的平面阵列式电磁传感器

技术领域

本发明主要涉及到无损检测技术领域，特指一种基于电磁涡流原理的平面型电磁传感器。

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，传统的电磁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磁传感器开展了大量研究，旨在克服传统电磁传感器检测效率低、检测速度慢、微缺陷定量检测效果差、渗透深度低等问题。其中，有从业者提出一种具有空间周期结构的平面型电磁传感器，这是一种发展势头好、有广阔应用前景的新型传感器。目前已设计完成的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，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，采用网格搜索算法，使得检测速度大大提高，可以实现在线检测及实时成像。此类平面型电磁传感器虽可有效改善传统电磁传感器普遍存在的不足，但也存在以下不足：由于采用单匝线圈作为检测单元，且单元尺寸较小，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、输出信号更强、可有效实现微弱信号检测、对缺陷及应力等方向敏感、检测效率高且能够实现受检材料完全物理属性测量的梯形结构的平面阵列式电磁传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种梯形结构的平面阵列式电磁传感器，包括柔性基底，所述柔性基底的一面上设有主线圈以及激励电极对，所述柔性基底的另一面上设有次级线圈阵列以及输出电极对，所述主线圈和次级线圈阵列构成梯形周期结构，所述次级线圈阵列由四个以上的次级检测线圈组成，所述主线圈中每半个周期内包含有四个大小相同且呈对称分布的次级检测线圈。

作为本发明的进一步改进：

所述次级检测线圈为螺旋结构线圈。

本发明中位于所述次级线圈阵列的一面上还设有辅助线圈，所述辅助线圈包括多条直导线，所述主线圈中每个半周期内均包括两条直导线，位于主线圈中部处的两条直导线位于每半个周期内次级检测线圈之间。

所述次级检测线圈的输出引线之间留有间距且与主线圈保持有一定距离。

所述柔性基底两个面上均设有一层柔性绝缘覆膜。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明梯形结构的平面阵列式电磁传感器，采用柔性材料作为基底制作平面电磁传感器，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，采用梯形周期阵列结构，使得传感器的方向性提高，可以快速检测出缺陷及材料应力分布的方向；其检测单元较小，且检测单元呈多匝螺旋结构，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是本发明在具体实施例中柔性基底上表面的结构示意图。

图3是本发明在具体实施例中柔性基底下表面的结构示意图。

图4是本发明在具体实施例中传感器单个周期的局部截面示意图。

图5是本发明在具体实施例中传感器单个检测单元的结构示意图。

图例说明：

1、柔性基底；2、主线圈；3、次级线圈阵列；4、辅助线圈；5、覆膜；6、激励电极对；7、输出电极对；8、绝缘薄膜。

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1、图2、图3和图4所示，本发明梯形结构的平面阵列式电磁传感器，包括柔性基底1，柔性基底1采用聚酰亚胺制作，在柔性基底1的两面上首先通过电镀或溅射等方式镀一层导电金属层，例如铜、金等；柔性基底1的一面上设有主线圈2以及激励电极对6，柔性基底1的另一面上设有次级线圈阵列3以及输出电极对7，主线圈2和次级线圈阵列3构成梯形周期结构，次级线圈阵列3由四个以上的次级检测线圈组成，主线圈2中每半个周期内包含有四个大小相同且呈对称分布的次级检测线圈，辅助线圈4包括两条以上直导线。上述线圈等结构均采用光刻或其他刻蚀方法在导电金属层上刻蚀出来。主线圈2的周期数在一定范围内可调，不局限于本实施例中的4.5个周期，主线圈2的宽度大于次级检测线圈的宽度，以便承受较大的激励电流。

参见图5，本实施例中，次级检测线圈为螺旋结构线圈；为了实现螺旋结构，检测线圈的两个输出电极对不能在同一平面上，而是在次级线圈阵列3上面镀一层绝缘薄膜8，然后在绝缘薄膜8的上表面镀一层导电金属层，例如铜、金等，采用光刻或其他刻蚀方法在导电金属层上刻蚀出次级线圈阵列3的另一级输出，上下通过打孔连接，其目的是达到多匝检测的效果，用以增强输出信号强度；其结构并不局限于矩形，匝数不局限于5匝。

参见图1和图2，本实施例中，位于次级线圈阵列3的一面上还设有辅助线圈4，辅助线圈4包括多条直导线，主线圈2中每个半周期内均包括两条直导线，位于主线圈2中部处的两条直导线位于每半个周期内次级检测线圈之间。设置辅助线圈4的目的是平衡磁场分布，消除边缘效应，使主线圈2中有激励电流流过时产生的磁场更加均匀。

本实施例中，次级检测线圈的输出引线之间留有较小的间距且与主线圈2保持有一定距离，其目的是减小主线圈2所产生的磁场对次级检测线圈输出引线部分的影响。

参见图4，本实施例中，在柔性基底1两个面上均设有一层柔性绝缘覆膜5，用以保护传感器，提高绝缘性能，增强防潮防污能力。柔性绝缘覆膜5可以采用以有机硅为基础的柔性材料。

本发明的传感器结构在制作时，可采用以下步骤：

柔性基底1采用聚酰亚胺制作；首先在柔性基底1上表面电镀一层导电铜层，然后在导电层上光刻腐蚀出一组次级线圈阵列3，作为检测单元阵列，次级线圈阵列3宽度比主线圈2略细，每半个主线圈2周期对应四个检测单元3a-3d，它们构成差分结构，每个检测单元呈多匝螺旋结构，以增强输出信号强度，降低信号处理难度。

可以采用下述步骤制作本发明。

第一步：采用聚酰亚胺制作柔性基底1；

第二步：在柔性基底1上、下表面分别电镀一层导电铜层；

第三步：在柔性基底1上表面导电层上光刻腐蚀出如图2及图5所示的次级线圈阵列3、辅助线圈4及输出电极对7的一极；再在上表面镀一层绝缘薄膜8，绝缘薄膜8可以采用氮化硅材料制成，在次级线圈阵列3螺旋结构的中心点位置刻蚀出上下连接孔，然后再镀一层导电铜层，最后刻蚀出输出电极对7的另一极,每半个主线圈2周期对应四个检测单元3a、3b、3c、3d，它们构成差分结构，两两水平对齐，且分布于主线圈2的两侧，距离两侧有一定距离，且距离一致，次级线圈阵列3的输出部分线圈间距减小，目的是减小并平衡输出部分的耦合量；

第四步：在柔性基底1下表面导电层上光刻腐蚀出如图3所示的梯形周期结构主线圈2及激励电极对6；

第五步：在柔性基底1两个表面上镀一层以有机硅为基础的柔性绝缘覆膜5（如图4所示），用以保护传感器，提高绝缘性能，增强防潮防污能力等。

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 (5)

1.一种梯形结构的平面阵列式电磁传感器，其特征在于：包括柔性基底（1），所述柔性基底（1）的一面上设有主线圈（2）以及激励电极对（6），所述柔性基底（1）的另一面上设有次级线圈阵列（3）以及输出电极对（7），所述主线圈（2）和次级线圈阵列（3）构成梯形周期结构，所述次级线圈阵列（3）由四个以上的次级检测线圈组成，所述主线圈（2）中每半个周期内包含有四个大小相同且呈对称分布的次级检测线圈；每半个主线圈（2）周期对应四个检测单元（3a）、（3b）、（3c）、（3d），它们构成差分结构，两两水平对齐，且分布于主线圈（2）的两侧，距离两侧有一定距离，且距离一致。

2.根据权利要求1所述的梯形结构的平面阵列式电磁传感器，其特征在于：所述次级检测线圈为螺旋结构线圈。

3.根据权利要求1或2所述的梯形结构的平面阵列式电磁传感器，其特征在于：位于所述次级线圈阵列（3）的一面上还设有辅助线圈（4），所述辅助线圈（4）包括多条直导线，所述主线圈（2）中每个半周期内均包括两条直导线，位于主线圈（2）中部处的两条直导线位于每半个周期内次级检测线圈之间。

4.根据权利要求1或2所述的梯形结构的平面阵列式电磁传感器，其特征在于：所述次级检测线圈的输出引线之间留有间距且与主线圈（2）保持有一定距离。

5.根据权利要求1或2所述的梯形结构的平面阵列式电磁传感器，其特征在于：所述柔性基底（1）两个面上均设有一层柔性绝缘覆膜（5）。