CN108680638A - 平面阵列式柔性电磁传感器、制备方法及应用方法 - Google Patents

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潘孟春
刘丽辉
周卫红
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张琦
李裴森
彭俊平
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Abstract

本发明公开了一种平面阵列式柔性电磁传感器、制备方法及应用方法，传感器包括柔性基底，柔性基底的两个表面上均设有周期性激励线圈、且两个表面上的周期性激励线圈之间主体结构互相重叠、产生磁场方向一致且通过过孔导通，柔性基底的一个表面上设有间隙布置的多个差分检测线圈，多个差分检测线圈呈阵列状布置于周期性激励线圈之间；制备方法包括依次制作柔性基底、导电铜层结构、过孔及柔性绝缘覆膜；应用方法包括根据输出检测信号的峰‑峰值判断存在深层缺陷的区域。本发明的平面阵列式柔性电磁传感器具有结构简单、制作方便、灵敏度高、输出信号信噪比高、检测效率高的优点，可有效实现金属材料尤其是铁磁性材料部件深层微缺陷检测。

Description

平面阵列式柔性电磁传感器、制备方法及应用方法
技术领域
本发明涉及用于无损检测的电磁传感器领域，具体涉及一种平面阵列式柔性电磁传感器、制备方法及应用方法。
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，是对装备导电材料部件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对于铁磁性材料部件的磁导率很大，受涡流肌肤效应影响只能检测几十微米深度的缺陷；②检测效率与检测分辨力存在矛盾，难以实现快速检测；③信噪比低，检测的异常信号被噪声和基底信号淹没；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、微缺陷检测效果差等问题。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。美国麻省理工大学的Melcher和Goldfine于二十世纪九十年代初设计了一种基于电磁涡流原理的蜿蜒绕组磁力仪（Meandering Winding Magnetometer, 简称MWM），并先后取得了多项美国国家专利（专利号：US5453689、US2003/0071615、US6784662、US6952095等），这些专利中所述技术方案的共同特点是：这种传感器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。在国内，国防科技大学也开展了平面阵列式电磁传感器的研究，提出了一种梯形结构的平面阵列式电磁传感器（专利号：ZL201210049112.7），具有对缺陷方向敏感、检测效率高等优点；也设计了一种用于金属管道内壁缺陷检测的圆周状阵列式涡流传感器（专利号：ZL201420780893.1），能够实现金属管道内壁缺陷检测，具有缺陷检测灵敏度高、可实现成像检测等特点。
目前已有的各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，但输出信号微弱、信噪比低，尤其是难以实现铁磁材料部件深层缺陷的检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种平面阵列式柔性电磁传感器、制备方法及应用方法，本发明可有效实现金属材料尤其是铁磁性材料部件深层微缺陷检测，具有结构简单、制作方便、灵敏度高、输出信号信噪比高、检测效率高的优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种平面阵列式柔性电磁传感器，包括柔性基底，所述柔性基底的两个表面上均设有周期性激励线圈、且两个表面上的周期性激励线圈之间主体结构互相重叠、产生磁场方向一致且通过柔性基底上的过孔导通，所述柔性基底的一个表面上设有间隙布置的多个差分检测线圈，且多个差分检测线圈呈阵列状布置于周期性激励线圈之间，两个周期性激励线圈分别连接到一个激励电极形成激励电极对，每一个差分检测线圈连接到一个输出电极对。
优选地，所述周期性激励线圈为周期方波状，且每半个周期的内部区域均设有一个差分检测线圈。
优选地，所述差分检测线圈为多匝螺线结构。
优选地，所述差分检测线圈由逆时钟方向绕制的多匝螺旋线、顺时钟方向绕制的多匝螺旋线两部分串行连接构成。
优选地，所述周期性激励线圈、差分检测线圈均为布置于柔性基底表面上的铜走线层构成。
优选地，所述柔性基底的两个表面上均覆盖有柔性绝缘覆膜。
优选地，所述周期性激励线圈的线宽应大于差分检测线圈的线宽。
优选地，所述差分检测线圈通过引线连接到一个输出电极对，差分检测线圈的引线位于周期性激励线圈的相邻的一对平行导线的正中间。
本发明还提供一种前述平面阵列式柔性电磁传感器的制备方法，实施步骤包括：
1）制作柔性基底；
2）在柔性基底的上、下表面分别镀一层导电铜层；在柔性基底的上、下表面分别光刻腐蚀出周期性激励线圈、差分检测线圈、激励电极对、输出电极对以及差分检测线圈和输出电极对之间的引线；
3）在柔性基底上制作用于连接上、下表面分别光刻腐蚀出的周期性激励线圈的过孔以及用于连接差分检测线圈及其引线的过孔；
4）在柔性基底的上、下表面分别镀一层以有机硅为基础的柔性绝缘覆膜。
本发明还提供一种前述平面阵列式柔性电磁传感器的应用方法，实施步骤包括：将平面阵列式柔性电磁传感器贴近被检测铁磁材料物件并对激励电极对输入交流激励信号，获取各个输出电极对输出的检测信号；针对各个输出电极对输出的检测信号提取其峰-峰值，如果某一个输出电极对输出的检测信号的峰-峰值大于预设的标定值，则判定被检测铁磁材料物件上对应该输出电极对相连的差分检测线圈的检测区域存在缺陷。
本发明平面阵列式柔性电磁传感器具有下述优点：
1、本发明平面阵列式柔性电磁传感器的柔性基底的两个表面上均设有周期性激励线圈、且两个表面上的周期性激励线圈之间主体结构互相重叠、产生磁场方向一致且通过柔性基底上的过孔导通，所述柔性基底的一个表面上设有间隙布置的多个差分检测线圈，且多个差分检测线圈呈阵列状布置于周期性激励线圈之间，可有效实现金属材料尤其是铁磁性材料部件深层微缺陷（铁磁性材料2mm）检测，具有结构简单、制作方便、灵敏度高、输出信号信噪比高、检测效率高的优点。
2、本发明提供的采用周期激励和差分检测的平面阵列式电磁传感器采用柔性材料作为基底，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；采用空间周期性结构的激励线圈，可在检测区域形成近似均匀的磁场，降低磁场分布不均匀带来的背景干扰；采用差分检测线圈替代传统检测线圈，使缺陷不存在时检测线圈输出信号近似为零，从而可大大提高传感器的检测灵敏度和信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例的平面结构示意图。
图2为本发明实施例上表面的结构示意图。
图3为本发明实施例下表面的结构示意图。
图4为本发明实施例差分检测线圈的结构示意图。
图5为本发明实施例的剖视分层结构示意图。
图6为本发明实施例验证用的两个检测试件结构示意图。
图例说明：1、柔性基底；2、周期性激励线圈；21、过孔；22、激励电极对；3、差分检测线圈；31、输出电极对；32、引线；4、柔性绝缘覆膜。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本实施例的平面阵列式柔性电磁传感器包括柔性基底1，柔性基底1的两个表面上均设有周期性激励线圈2、且两个表面上的周期性激励线圈2之间主体结构互相重叠、产生磁场方向一致且通过柔性基底1上的过孔21导通，柔性基底1的一个表面上设有间隙布置的多个差分检测线圈3，且多个差分检测线圈3呈阵列状布置于周期性激励线圈2之间，两个周期性激励线圈2分别连接到一个激励电极形成激励电极对22，每一个差分检测线圈3连接到一个输出电极对31。差分检测线圈3和周期性激励线圈2在工艺范围内尽量靠近，以确保输出信号信噪比较高。参见图1、图2和图3，本实施例中共包含5个个差分检测线圈3，但是毫无疑问，周期性激励线圈2的尺寸和差分检测线圈3的数目可根据检测对象和对用户对检测效率的要求进行调节，不局限于本实施例中所示的尺寸和数目。
如图1、图2和图3所示，本实施例中周期性激励线圈2为周期方波状，且每半个周期的内部区域均设有一个差分检测线圈3。
本实施例中，差分检测线圈3为多匝螺线结构，多匝螺线结构可有效增加输出信号强度，从而增强了微缺陷的检测能力。
如图4所示，差分检测线圈3由逆时钟方向绕制的多匝螺旋线、顺时钟方向绕制的多匝螺旋线两部分串行连接构成，检测线圈采用两部分串行连接构成的差分结构及多匝螺线结构，其目的是既实现感应电压的差分输出，又达到多匝的检测效果，从而既提高信噪比、又增强输出信号强度，缺陷检测灵敏度高，对铁磁性材料部件的深层缺陷也具有较好的检测能力。
如图5所示，周期性激励线圈2、差分检测线圈3均为布置于柔性基底1表面上的铜走线层构成。本实施例中，柔性基底1的两个表面上均覆盖有柔性绝缘覆膜4，柔性绝缘覆膜4用以保护传感器，提高绝缘性能，增强防潮防污能力等。本实施例中，柔性基底1采用聚酰亚胺制作形成，此外也可以根据需要采用其他作用柔性电路板的柔性材料。
本实施例中，周期性激励线圈2的线宽应大于差分检测线圈3的线宽，以承受较大的激励电流；差分检测线圈3通过引线32连接到一个输出电极对31，差分检测线圈3的引线32位于周期性激励线圈2的相邻的一对平行导线的正中间，其目的是减少激励电流对检测线圈感应电压影响的不一致性。参见图2和图3，本实施例中差分检测线圈3设于柔性基底1的正面，输出电极对31和引线32均设于柔性基底1的反面，因此差分检测线圈3、差分检测线圈3的引线32之间通过过孔导通。
本实施例平面阵列式柔性电磁传感器的制备方法的实施步骤包括：
1）制作柔性基底1；
2）在柔性基底1的上、下表面分别镀一层导电铜层；在柔性基底1的上、下表面分别光刻腐蚀出周期性激励线圈2、差分检测线圈3、激励电极对22、输出电极对31以及差分检测线圈3和输出电极对31之间的引线；
3）在柔性基底1上制作用于连接上、下表面分别光刻腐蚀出的周期性激励线圈2的过孔21以及用于连接差分检测线圈3及其引线的过孔；
4）在柔性基底1的上、下表面分别镀一层以有机硅为基础的柔性绝缘覆膜4。
本实施例平面阵列式柔性电磁传感器的应用方法的实施步骤包括：将平面阵列式柔性电磁传感器贴近被检测铁磁材料物件并对激励电极对22输入交流激励信号，获取各个输出电极对31输出的检测信号；针对各个输出电极对31输出的检测信号提取其峰-峰值，如果某一个输出电极对31输出的检测信号的峰-峰值大于预设的标定值，则判定被检测铁磁材料物件上对应该输出电极对31相连的差分检测线圈3的检测区域存在缺陷。
为了对本实施例的平面阵列式柔性电磁传感器及其应用方法进行验证，本实施例中分别采用45号钢材料制作的两个检测试件，如图6（a）所示，一个检测试件包含中有一个深层的裂纹缺陷A；如图6（b）所示，另一个检测试件包含中有一个深层的裂纹缺陷B。针对前述两个检测试件应用本实施例平面阵列式柔性电磁传感器的应用方法，得到某一个输出电极对31输出的检测信号的峰-峰值为60mA，而正常无缺陷情况下（标定值）为30mA。通过上述验证试验可以确定，本实施例平面阵列式柔性电磁传感器的应用方法能够有效检测到铁磁性材料的缺陷，尤其能够有效检测到铁磁性材料的深层缺陷。
以上所述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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种平面阵列式柔性电磁传感器，其特征在于：包括柔性基底（1），所述柔性基底（1）的两个表面上均设有周期性激励线圈（2）、且两个表面上的周期性激励线圈（2）之间主体结构互相重叠、产生磁场方向一致且通过柔性基底（1）上的过孔（21）导通，所述柔性基底（1）的一个表面上设有间隙布置的多个差分检测线圈（3），且多个差分检测线圈（3）呈阵列状布置于周期性激励线圈（2）之间，两个周期性激励线圈（2）分别连接到一个激励电极形成激励电极对（22），每一个差分检测线圈（3）连接到一个输出电极对（31）。
2.根据权利要求1所述的平面阵列式柔性电磁传感器，其特征在于：所述周期性激励线圈（2）为周期方波状，且每半个周期的内部区域均设有一个差分检测线圈（3）。
3.根据权利要求1所述的平面阵列式柔性电磁传感器，其特征在于：所述差分检测线圈（3）为多匝螺线结构。
4.根据权利要求3所述的平面阵列式柔性电磁传感器，其特征在于：所述差分检测线圈（3）由逆时钟方向绕制的多匝螺旋线、顺时钟方向绕制的多匝螺旋线两部分串行连接构成。
5.根据权利要求1所述的平面阵列式柔性电磁传感器，其特征在于：所述周期性激励线圈（2）、差分检测线圈（3）均为布置于柔性基底（1）表面上的铜走线层构成。
6.根据权利要求1所述的平面阵列式柔性电磁传感器，其特征在于：所述柔性基底（1）的两个表面上均覆盖有柔性绝缘覆膜（4）。
7.根据权利要求1所述的平面阵列式柔性电磁传感器，其特征在于：所述周期性激励线圈（2）的线宽应大于差分检测线圈（3）的线宽。
8.根据权利要求1所述的平面阵列式柔性电磁传感器，其特征在于：所述差分检测线圈（3）通过引线（32）连接到一个输出电极对（31），差分检测线圈（3）的引线（32）位于周期性激励线圈（2）的相邻的一对平行导线的正中间。
9.根据权利要求1～8中任意一项所述的平面阵列式柔性电磁传感器的制备方法，其特征在于实施步骤包括：
1）制作柔性基底（1）；
2）在柔性基底（1）的上、下表面分别镀一层导电铜层；在柔性基底（1）的上、下表面分别光刻腐蚀出周期性激励线圈（2）、差分检测线圈（3）、激励电极对（22）、输出电极对（31）以及差分检测线圈（3）和输出电极对（31）之间的引线；
3）在柔性基底（1）上制作用于连接上、下表面分别光刻腐蚀出的周期性激励线圈（2）的过孔（21）以及用于连接差分检测线圈（3）及其引线的过孔；
4）在柔性基底（1）的上、下表面分别镀一层以有机硅为基础的柔性绝缘覆膜（4）。
10.根据权利要求1～8中任意一项所述的平面阵列式柔性电磁传感器的应用方法，其特征在于实施步骤包括：将平面阵列式柔性电磁传感器贴近被检测铁磁材料物件并对激励电极对（22）输入交流激励信号，获取各个输出电极对（31）输出的检测信号；针对各个输出电极对（31）输出的检测信号提取其峰-峰值，如果某一个输出电极对（31）输出的检测信号的峰-峰值大于预设的标定值，则判定被检测铁磁材料物件上对应该输出电极对（31）相连的差分检测线圈（3）的检测区域存在缺陷。
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