專利名稱：渦流探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用渦流測試(ECT)的無損對象測試和檢驗系統(NDT/NDI)，尤其涉及蝕刻在印刷電路板(PCB)上的渦流(EC)探測器，屏蔽該渦流探測器以將所生成的場集中至測試位置。
背景技術：
在NDT/NDI應用中，通常使用ECT檢驗來檢測由導電材料制成的諸如鋼棒、鋼筒和鋼管等的制造組件的表面上的缺陷。通常使用ECT來檢驗用于汽車、航空和能源工業的組件。近年來，已經設計出適于不同應用的具有不同結構和模式的ECT傳感器。迄今為止提供了用于檢測被測零件中的裂紋和/或其它缺陷的各種ECT系統。一般地，這種系統包括諸如連接到交流(AC)源以在零件中生成渦流的線圈的場產生部件和用于感測由渦流產生的場的感測部件。感測部件可以是單獨的線圈、霍爾探測器或任意其它場響應裝置，或者作為場產生部件的線圈也可以用于通過測量其有效阻抗來感測EC感應場。進行ECT檢驗的一個挑戰是如何在材料內的感興趣區域中獲得足夠的渦流場強度。另一挑戰是如何使得場遠離測試組件的非相關特征。由非相關特征引起的阻抗變化可使信號的解譯復雜化。有時利用探測器屏蔽和裝載來限制傳播從而集中線圈的磁場。當然，如果磁場集中在線圈附近，則渦流也將集中在該區域。最普遍的，使用磁屏蔽或渦流屏蔽來屏蔽渦流探測器。被磁屏蔽的探測器的線圈由鐵氧體環或具有高磁導率和低電導率的其它材料的環所包圍。鐵氧體產生了低磁阻的區域，并且探測器的磁場集中在該區域中，而不超出該屏蔽傳播。這使得磁場集中在線圈周圍的緊密區域中。渦流屏蔽使用高導電性但非磁性的材料(通常為銅)的環來包圍線圈。線圈的磁場中徑直穿過屏蔽的部分將在屏蔽材料中生成渦流，而在屏蔽區域以外的非相關特征中不生成渦流。用于驅動探測器的電流的頻率越高，屏蔽將由于屏蔽材料的集膚效應(skineffect)而越有效。盡管上述屏蔽方法對于傳統的渦流線圈來說是合適的解決方案，但上述屏蔽方法不適用于構建在印刷電路板上的線圈。在這種情況下，磁屏蔽件與制造過程不兼容。對于導電屏蔽件，其有效性將與測試頻率有很大關系，因為印刷電路板上的銅層一般非常薄(針對具有精細蝕刻的線路的柔性印刷電路板，一般大約為18微米厚)。考慮到渦流的穿透深度，這種薄的屏蔽件將使探測器的使用限制為諸如IOMHz以上的非常高的頻率。
傳統的屏蔽件的另一限制是不能在同一物理位置上疊置屏蔽線圈，由此限制了可用的線圈結構。即使將傳統的屏蔽件制作得非常薄，也不可能成功地堆疊屏蔽件，因為第一線圈的屏蔽件將與疊置的第二屏蔽線圈相互作用而使得這些線圈不能正常工作。傳統的屏蔽件的又一限制是，在諸如遠場(RFT)或磁通泄露(MFL)測試方法所需的直流(DC)或非常低的頻率下不能正常工作。
發明內容
因此，本發明的目標是提供一種用于限制由蝕刻在印刷電路板上的渦流線圈生成的磁場的傳播的方法。本發明的另一目標是提供在寬的頻率范圍上的屏蔽性能。本發明的又一目標是完全集成在PCB本身中從而不影響探測器的成本和靈活性的解決方案。本發明的又一目標是適用于諸如完全式發送-接收結構的多渦流線圈結構的解決方案。本發明的又一目標是適于在應用解決方案的線圈的外部和/或內部提供屏蔽的解決方案。
本發明的又一目標是使得可以在同一物理位置上疊置若干層屏蔽線圈的解決方案。在EC探測器的PCB實施中實現本發明的上述和其它目標，即在不使用鐵磁材料或厚導電材料層的情況下抑制渦流測試(ECT)線圈在線圈半徑內部和/或外部的相互作用。本發明使得可以屏蔽蝕刻在印刷電路板上的線圈并在寬的頻率范圍上操作所述線圈。根據本發明的一個優選實施例，通過為形成在PCB上的EC探測器的測試線圈設置另外的有源屏蔽線圈來實現這些目標。將有源屏蔽線圈所生成的場強量值(fieldmagnitude)設置為使得由測試線圈所生成的場在位于期望測試線圈感測區域之外的場無效線上被無效。通過注入與測試線圈電流頻率相同但相位相反的電流來實現場無效。這可以通過使單個線圈具有初始繞組和另一繞組來實現，其中，初始繞組用于形成測試線圈，另一繞組與剩余的繞組串聯連接但卷繞方向相反，從而相反方向的線圈產生了無效場。根據本發明的實施例，渦流探測器包括印刷電路板，印刷電路板上形成有第一線圈組件和第二線圈組件。第一線圈組件是形成在電路板上的測試線圈，以及第二線圈組件是有源屏蔽線圈，其中，測試線圈和有源屏蔽線圈同心布置。利用以下驅動信號來驅動有源屏蔽線圈，其中，該驅動信號被設置為將在正對著渦流探測器而放置的測試對象內所感生的場和/或對在測試對象中的渦流場的檢測限制為與測試線圈延伸在測試對象上的區域基本同延的區域。優選地，測試線圈和有源屏蔽線圈相互串聯連接，但有源屏蔽線圈的卷繞方向與測試線圈的卷繞方向相反。渦流探測器可以作為驅動器線圈和/或接收器線圈來工作。可以以疊置、同心布置或橫向偏移等的各種結構在印刷電路板上形成多組線圈，以形成單個探測器或陣列型探測器。可以通過將屏蔽渦流線圈和柔性印刷電路板制造方法的好處相結合來獲得其它特征。這些好處包括全自動化、低成本可再生處理、機械靈活性和能夠提供允許進行緊密區域內檢驗的非常細的探測器。本發明還便于提供從DC到至少25MHz范圍的寬頻率范圍上的屏蔽性能。最后，本發明的另一優點是具備將幾層獨立屏蔽的線圈添加在同一物理位置上的能力、并同時允許這些疊置的線圈成為渦流探測器的同一構件(即，發送器線圈和接收器線圈)的組成部分或不同傳感器構件的組成部分。根據以下參考附圖對本發明的說明，本發明的其它特征和優點將變得清楚。
圖IA示出導電組件上的18 μ m厚、2mm外徑的現有技術線圈的等距視圖(isometric view)。圖IB示出導電組件上的由O. 5mm的大渦流屏蔽件包圍的18 μ m厚、2mm外徑的現有技術線圈的等距視圖。圖2A示出在5kHz測試頻率下由圖IA線圈生成的磁場線。圖2B示出在5kHz測試頻率下由圖IB線圈生成的磁場線。圖3A示出使用本發明的教導在導電組件上構建的、由O. 5mm的大有源屏蔽件包圍的18 μ m厚、2mm外徑的線圈的等距視圖。圖3B示出在5kHz測試頻率下由圖3A線圈生成的磁場線。 圖4A示出使用本發明的教導構建的螺旋形線圈結構。圖4B示出使用本發明的教導構建的矩形線圈結構。圖5A示出本發明在發送-接收結構中的可能使用。圖5B示出本發明在同一物理位置上疊置多個線圈的多層結構上的可能使用。圖6A示出基于本發明的教導的提供內部屏蔽的替代結構。圖6B示出組合使用內部和外部屏蔽以構建與美國專利5，617，024所說明的線圈結構具有相當的測試結果的線圈。
具體實施例方式參考圖1A、圖1B、圖2A和圖2B，為了進行ECT檢驗，薄的測試線圈I位于構成測試對象的導電組件2附近。這里所述的測試線圈I為18 μ m厚，該厚度是針對蝕刻在柔性印刷電路板上的線圈可以獲得的代表性厚度。AC電流9在測試線圈I中流動以生成相同頻率的交變磁場。然后，在位于測試線圈I下方的導電性測試組件2中感應出與該磁場相反的渦流。圖2A示出在使用5kHz測試頻率的情況下圖IA中示出的非屏蔽測試線圈I的磁場線分布5。如圖2A所示，磁場在測試組件2的相當大的寬度(區域)上傳播，由此在比測試線圈I的覆蓋區大得多的區域上感應出渦流。為了使用在諸如零件邊緣或緊固件等的重要幾何特征附近的測試線圈1，需要將磁場的傳播約束為測試線圈I覆蓋區。用于實現這個目的的現有技術手段是使用與測試線圈I同心的導電環3。雖然該方法被證明對相對厚的測試線圈有效，但在圖2B中可以看出，針對諸如蝕刻在印刷電路板上的薄的導電環3，在測試零件內，磁場線分布6仍然在比測試線圈I覆蓋區大得多的區域上傳播。在圖3A中示出所提出的用以針對非常薄的線圈提供有效屏蔽的手段。其想法是使用與測試線圈31同心的有源屏蔽線圈34主動地生成磁場。將由有源屏蔽線圈34生成的場強量值設置為，使得由測試線圈31在位于測試線圈的期望感測區域以外的場無效區域38(圖3B)處生成的場無效。通過注入與測試線圈電流39頻率相同但相位相反的電流30來實現這種場無效。圖3B示出由環形的測試線圈31和適當設置的屏蔽線圈34所生成的磁場線。公知的是，線圈所生成的磁場強量值與N*I、即匝數(N)乘以電流(I)的乘積成比例。因此，可以通過調整電流I或通過調整有源屏蔽線圈34中的匝數N來達到針對有源屏蔽線圈34的期望場強量值。還應注意到，在假定由檢驗部件反射的電磁場比一次場小的情況下，在無效位置38處提供屏蔽所需的比[N(31)*I(31)]/[N(34)*I(34)](其中“31”和“34”分別指線圈31和線圈34)與測試頻率無關。因此，一旦建立了固定的[N(31)*I(31)]/[N(34)*1(34)]比，可以在寬的頻率范圍上有效使用有源屏蔽線圈。在印刷電路板上制造的線圈通常為螺旋形。因此，如圖4A所示，通過使順時針卷繞的螺旋形測試線圈11和逆時針卷繞的螺旋形有源屏蔽件12串聯連接，可以獲得完全集成了這兩個組件的有源屏蔽線圈構件15。針對2mm外徑的測試線圈11，測試線圈11和有源屏蔽線圈12之間的最佳比為大約10/3。可以使用商業上可用的磁場仿真軟件來精確地估計最佳匝數比。線圈15通過使用接觸部13和14或通過接觸部13和14上的焊接線連接至PCB構件中。盡管
了測試線圈11和有源屏蔽線圈12串聯連接，其中有源屏蔽線圈12與測試線圈11的卷繞方向相反，但根據另一實施例，這兩個線圈的卷繞方向可以相同。在該實施例中，可以簡單地向有源屏蔽線圈電子提供相對于測試線圈的驅動信號存在180° 相位差的驅動信號。該配置還允許在校準過程期間設置針對有源屏蔽線圈的驅動信號的大小以最優化響應。通過使用相同的原理，可以產生各種線圈形狀。如圖4B示出的有源屏蔽矩形線圈20包括測試線圈16和有源屏蔽件17。值得注意的是，在該情況下的線圈構件20，因為不像線圈15，測試線圈和屏蔽線圈之間的距離幾乎恒定，從而提供更好的測試結果一致性。本發明的另一重要方面是使用諸如線圈構件15和20的有源屏蔽線圈螺旋作為接收器線圈。在這種情況下，屏蔽的目標將對在線圈的覆蓋區之外的渦流流動變得不敏感。洛倫茲電磁互易原理表明如果互換電流所位于的點和場被測量的點，振蕩電流和所產生的電場之間的關系不變。對于本發明，這意味著，如果圖5A的線圈結構對驅動器線圈21提供足夠的屏蔽，則這種結構對于用作接收器22也將提供足夠的屏蔽。圖5A示出使用本發明的教導的屏蔽發送-接收線圈結構。有源屏蔽線圈螺旋的另一值得注意的方面是其允許磁場在沒有擾動的情況下通過。該特有的特征允許多個有源屏蔽線圈疊加，如圖5B所示。在該示例中，有源屏蔽驅動器線圈23蝕刻在第一 PCB層上，而有源屏蔽接收器線圈24蝕刻在第二 PCB層上。由此，在兩個線圈的交叉處產生了高敏感區25，因為這兩個線圈僅在該區域中直接相互作用。該特征還允許使用疊置的多個有源屏蔽線圈作為陣列型渦流探測器的組成部分。本發明的另一實施例包括使用有源屏蔽件在測試線圈內部屏蔽，如圖6A所示。在這種情況下，有源屏蔽線圈27與測試線圈26同心地位于測試線圈26內，以提供內部屏蔽線圈構件28。將有源屏蔽線圈的匝數設置為使在場無效位置29處得到的磁場無效。在圖6B中示出使用這種結構的示例。在這種情況下，內部屏蔽驅動器線圈構件和外部屏蔽線圈構件15被配置為再現美國專利5，617，024中說明的傳感器，該專利的教導通過引用包含于此。如上所述，本發明在此實現了 ·通過使用一組同心線圈對渦流測試線圈和/或驅動器線圈進行有源屏蔽以限制磁場在渦流測試線圈內傳播，其中，所述測試線圈適合于或適用于以下情況
〇從DC至25MHz的任意測試頻率；〇蝕刻在印刷電路板上的線圈；O諸如圓形、矩形等的各種線圈形狀；以及〇進行外部或內部屏蔽。 通過使用一組同心線圈對渦流接收器線圈進行有源屏蔽以限制渦流測試要使用的接收器線圈的感測區域。·可以在同一物理位置上疊置多個有源屏蔽線圈而不產生相互作用的探測器結構，使得能夠提供針對需要具有高敏感區的發送-接收結構的情況和/或利用通道疊加在多個PCB層上的陣列型探測器的情況的線圈。 ·用作針對諸如遠場和磁通泄露等的其它電磁技術，以利用其低頻性能的優點。盡管結合本發明的特定實施例對本發明進行了說明，但本領域技術人員應當清楚存在許多其它的變化、修改以及使用。因此，本發明不限于這里的具體公開，并且本發明的保護范圍僅由所附權利要求書所定義。
權利要求
1.一種渦流探測器，包括 印刷電路板； 第一線圈組件，其包括形成在所述印刷電路板上的測試線圈；以及 第二線圈組件，其包括形成在所述印刷電路板上的有源屏蔽線圏， 其中，所述測試線圈和所述有源屏蔽線圈同心布置， 并且，所述有源屏蔽線圈中的線圈繞組被設置為，將在正對著所述渦流探測器而放置的測試對象內所感生的場或對在所述測試對象中的渦流場的檢測限制為與所述測試線圈延伸在所述測試對象上的區域基本同延的區域。
2.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述測試線圈和所述屏蔽線圈分別由單個繞組構成，并且所述屏蔽線圈的卷繞方向與所述測試線圈的卷繞方向相反。
3.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述第一線圈組件被配置為作為驅動器線圈工作，所述驅動器線圈在所述測試對象中感生渦流。
4.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述第一線圈組件被配置為作為渦流接收器線圈工作，所述渦流接收器線圈被設計為感測在所述測試對象中流動的渦流。
5.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，包括第一線圈組和第二線圈組，其中， 所述第一線圈組和所述第二線圈組位于所述印刷電路板的不同層， 所述第一線圈組包括所述測試線圈和所述屏蔽線圈，所述第二線圈組包括附加測試線圈和附加屏蔽線圈，并且 所述第一線圈組和所述第二線圈組在特定區域相互重疊。
6.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述屏蔽線圈包圍所述測試線圏。
7.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述屏蔽線圈位于所述測試線圈內部。
8.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述測試線圈和所述屏蔽線圈通常具有環形結構。
9.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述測試線圈和所述屏蔽線圈通常具有矩形結構。
10.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述渦流探測器至少包括兩個同心布置的探測器系統，其中， 第一探測器系統包括所述測試線圈和包圍所述測試線圈的所述屏蔽線圈， 第二探測器系統被布置在所述第一探測器系統周圍，并包括包含第二測試線圈和第二屏蔽線圈的外線圈組。
11.根據權利要求10所述的渦流探測器，其特征在于，所述第二測試線圈包圍所述第ニ屏蔽線圏。
12.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，包括各自包含測試線圈和相關聯的屏蔽線圈的多個線圈組，并且所述渦流探測器被配置為陣列型探測器。
13.根據權利要求2所述的渦流探測器，其特征在于，所述屏蔽線圈中繞組的匝數使得能有效地限制所感生的場或對渦流場的檢測。
14.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述渦流探測器至少包括第一探測器系統和第二探測器系統，其中 所述第一探測器系統包括所述測試線圈和所述有源屏蔽線圈， 所述第二探測器系統包括第二測試線圈和第二屏蔽線圏， 所述第一探測器系統和所述第二探測器系統位于所述印刷電路板的不同層上并被布置為相互部分重疊，以在所述第一探測器系統和所述第二探測器系統重疊的部分處產生對場檢測更敏感的區域。
15.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，利用具有預定波形的驅動信號驅動所述測試線圏，以及利用相對于所述驅動信號存在180°相位差的信號驅動所述有源屏蔽線圏。
16.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述渦流探測器能夠在從接近O至25MHz的頻率下工作。
17.根據權利要求5所述的渦流探測器，其特征在于，所述第一線圈組被配置作為驅動器線圈，以及所述第二線圈組被配置作為接收器線圈。
18.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述渦流探測器被配置作為遠場裝置。
19.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述渦流探測器被配置作為磁通泄露檢測裝置。
20.根據權利要求I所述的渦流探測器，其特征在于，所述印刷電路板被形成為具有柔性，以使得所述印刷電路板的形狀能夠適應所述測試對象的表面形狀。
全文摘要
本發明涉及渦流探測器。形成在印刷電路板上的屏蔽渦流線圈探測器包括用于形成測試線圈的第一線圈組件和用于形成有源屏蔽線圈的第二線圈組件。測試線圈和有源屏蔽線圈同心布置，并且有源屏蔽線圈中的線圈繞組的匝數和場方向被配置為，將測試對象中的感應場或感測場限制為測試線圈在測試對象上的覆蓋區域。可以在印刷電路板的相同層或不同層上設置多組有源屏蔽線圈和測試線圈，以實現驅動器、接收器以及驅動器/接收器結合的不同線圈結構。
文檔編號G01N27/90GK102680567SQ20121003577
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月16日 優先權日2011年2月16日
發明者B·勒帕格 申請人:奧林巴斯Ndt公司