一种双层对称差分平面涡流检测传感器的制作方法

本发明属于涡流无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种双层对称差分平面涡流检测传感器。

背景技术：

无损检测是指在不损坏被测物体的情况下利用物理方法对被测物的完整性进行评估的检测手段，是系统安全可靠性的重要保障。它被广泛应用于工业，航天，核产业，比如铁轨，油气管道，核工业，航天等材料的缺陷检测。涡流检测是常见的无损检测方法之一。其非接触、无耦合剂、成本低并且易于实现自动化检测等特点受到国内外学者们的关注。涡流检测是在激励线圈上通以交变的电流，利用激励线圈产生变化的磁场在试件表面感应形成涡流场，其大小和形状会受到激励大小、探头的形状、线圈的参数、试件的材质等影响。当探头经过缺陷时，原本的涡流在缺陷处绕行，从而会对涡流产生扰动，进而影响涡流所产生的磁场。通过检测线圈或者磁传感器来检测磁场的变化，对检测信号的相位、幅值等特征提取，就可以对缺陷进行定性、定量分析。涡流传感器灵敏度与提离高度一直是涡流检测领域的热点。无论是体积性探头还是平面探头，都往更灵敏更高提离更深层的检测领域前进。还有不少研究通过磁传感器来直接检测涡流磁场从而提高其灵敏度和提离高度。平面线圈的优势在于对表面腐蚀缺陷检测灵敏度高于体积缺陷，并且相比体积线圈激励方式更为简单。

涡流的趋肤效应是指涡流在试件上的强度随着深度的增加呈指数下降，深度与激励信号的频率成反比关系。利用此原理，很多平面涡流传感器使用高频信号作为激励，对试件表面的缺陷进行检测，可以提高传感器的灵敏度。此外由于加工工艺的限制，平面线圈的匝数有限，高频的激励信号同时弥补了其磁场弱的缺点，加大了涡流密度，更有利于缺陷检测。

交流电磁场测量法(acfm)利用线圈在试件表面产生均匀的同向电流对其表面缺陷检测的方法。同样原理，许多平面涡流传感器利用矩形线圈来产生方向一致的均匀涡流，而不是圆形线圈产生周向的涡流。这样会限制在某一方向的缺陷灵敏，但是通过阵列的方式可以有效弥补。

探头与试件的距离称为提离，其变化会对缺陷的检测照成极大干扰，并且在大提离下的检测缺陷信号变得微弱，极大的增加了检测难度。现有的平面涡流传感器很难克服提离效应的变化导致缺陷检出率降低，并且难以对表面不平的试件进行检测，只有利用柔性线圈进行检测，但是也只能贴在试件表面检测并不能增加提离值。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双层对称差分平面涡流检测传感器，通过改进型激励线圈和检测线圈能够在较高的提离范围内进行检测，利用差分耦合效益降低了提离噪声，弥补了现有涡流传感器受到提离影响而导致灵敏度骤减的缺点。

为实现上述发明目的，本发明

一种双层对称差分平面涡流检测传感器，其特征在于，包括：对称激励线圈层、绝缘覆盖层和差分检测线圈层；

其中，所述对称激励线圈层位于顶层，包括两个对称的矩形励磁线圈，由双层的pcb制成；每个矩形励磁线圈的长度为l1，宽度为w1，线径为d11，线间距为d12，匝数为n1，激励线圈之间的间距为r1，激励层的厚度为d1；在矩形励磁线圈的接线端设有四个焊盘，中间两个焊盘接功率放大器的共地端，剩余两个焊盘接功率放大器的输出端，作为外部激励信号的输出连接口；

所述绝缘覆盖层位于中间层，覆盖在激励与检测的中间，为激励和检测两层线圈增加耦合距离，绝缘覆盖层通过粘合剂与上下层连接，绝缘覆盖层的长度为l2，宽度为w2，厚度为d2；

所述差分检测线圈层位于底层，包括两个差分矩形检测线圈，同样由双层pcb加工而成；每个差分矩形检测线圈的长度为l3，宽度为w3，线径为d21，线间距为d22，匝数都为n2，间距为r2，检测层厚度为d3；差分矩形检测线圈的接线端设有两个焊盘，连接到信号处理电路的输入端，作为信号处理电路的输入连接口；

双层对称差分平面涡流检测传感器的工作原理为：信号发生器产生激励信号并发送至功率放大器，通过功率放大器放大后接入到激励线圈的焊盘上，激励线圈在激励信号的驱动下产生初级磁场，当被测试件处在初级磁场时，初级磁场在被测试件表面产生涡流，涡流在缺陷处流向发生改变，涡流的变化进一步导致涡流生成的次级磁场发生变化；检测线圈受到耦合磁场的作用，其磁通量发生变化，进而检测线圈感应电压的幅值和相位会发生变化，通过检测线圈的焊盘输出至信号处理电路，然后进行幅值、相位提取，再经过放大和滤波处理，最后通过上位机处理采集的检测信号，进而准确的检测出缺陷信息。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种双层对称差分平面涡流检测传感器，通过信号发生器产生激励信号并发送至功率放大器，通过功率放大器放大后通过引线接入到激励线圈的焊盘上，激励线圈在激励信号的驱动下产生初级磁场，当被测试件处在初级磁场时，初级磁场在被测试件表面产生涡流，涡流在缺陷处流向发生改变，因为涡流发生了变化，涡流生成的次级磁场发生变化，通过检测线圈的磁通量发生变化，进而检测线圈的幅值和相位发生变化，因此，将初级磁场产生的感应电压和次级磁场产生的感应电压通过检测线圈的焊盘输入至信号处理电路，然后进行幅值、相位提取，再经过放大和滤波处理后，通过上位机处理采集的检测信号，进而准确的检测出缺陷信息。

同时，本发明一种双层对称差分平面涡流检测传感器还具有以下有益效果：

(1)、本发明采用平面矩形线圈对称激励的结构，在试件表面产生更为均匀的涡流，使之对表面缺陷更为灵敏，并且对称的方式有助于实现完全差分效果。

(2)、本发明使用差分接受线圈作为检测，充分降低了提离效应的影响，并且减低初级磁场对检测线圈产生的电磁干扰，对缺陷产生的信号强度有所提高，同时也提高了缺陷检出率。

(3)、本发明使用无限能量传输的思想，利用适当的耦合距离，即绝缘覆盖层的厚度d2，可以有效增加检测到的次级磁场而屏蔽一部分初级磁场干扰。进而，增加了检测的提离高度和灵敏度，但由于传感器尺寸设计较大，缺陷的分辨率较低。

附图说明

图1是本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器的具体实施方式结构的主视示意图；

图2是本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器激励线圈的具体实施方式结构的俯视图；

图3是本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器接受线圈的具体实施方式结构的俯视图；

图4是本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器的工作示意图；

图5是本实施例中双层对称差分的平面涡流检测传感器的实物图像；

图6是本发明激励线圈的涡流分布图；

图7是本发明传感器不同高度隔离层间距变化时的缺陷信号曲线图；

图8是本发明传感器用于铁磁性平板亚表面缺陷不同提离下检测时的差分信号图。

图9是本发明传感器用于铁磁性材料表面腐蚀缺陷下检测后成像的c扫信号图。

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。

图1是本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器的具体实施方式结构的主视示意图。图2是本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器激励线圈的具体实施方式结构的俯视图。图3是本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器接受线圈的具体实施方式结构的俯视图。如图1所示，本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器包括对称激励线圈层1、绝缘覆盖层2和差分检测线圈层3，下面分别对每个组成部分进行详细说明，4和5分别代表激励线圈层和差分检测线圈层的焊盘，6代表传感器正面的截面。

对称激励线圈层1位于顶层，如图2所示，包括两个对称的矩形励磁线圈，由双层的pcb制成；矩形励磁线圈7包括两个线圈，每个线圈的长度为l1，宽度为w1，线径为d11，线间距为d12，匝数为n1，激励线圈之间的间距为r1，激励层的厚度为d1；在矩形励磁线圈的接线端设有8，9，10，11共四个焊盘。9和10焊盘接功率放大器的共地端，8和11焊盘接功率放大器的输出端，作为外部激励信号的输出连接口，方便与激励端连线；每个线圈转折处设计为45°的倒角，目的在于减小电磁干扰与信号发射，当外部信号为高频时可以减小信号噪声。实验证明，对称结构比单个线圈产生的涡流更为均匀。

绝缘覆盖层2位于中间层，覆盖在激励与检测的中间，为激励和检测两层线圈增加耦合距离，绝缘覆盖层通过粘合剂与上下层连接，绝缘覆盖层的长度为l2，宽度为w2，厚度为d2；绝缘覆盖层的厚度决定了检测线圈接受耦合磁场的强度，离得太近会导致次级磁场被初级磁场完全覆盖，离得太远会使激励线圈离试件间距过大，不能达到增大提离的目的，实验证明存在最佳的耦合距离使得传感器灵敏度最高，一般绝缘覆盖层厚度d2满足：1.5mm<d2<3mm。

差分检测线圈层3位于底层，如图3所示，线圈12包括两个差分矩形检测线圈，同样由双层pcb加工而成；每个差分矩形检测线圈的长度为l3，宽度为w3，线径为d21，线间距为d22，匝数都为n2，间距为r2，检测层厚度为d3；差分矩形检测线圈的接线端设有13和14共两个焊盘，连接到信号处理电路的输入端，作为信号处理电路的输入连接口。检测线圈与激励线圈相似，并设计为差分结构，目的在于左右接受完全相同的磁场，并产生相反的感应电流，将初级磁场的影响弱化，提高灵敏度。

图4是本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器的工作示意图。如图4所示，本发明双层对称差分的平面涡流检测传感器的工作过程如下：信号发生器产生高频的正弦波信号，通过功率放大器增加其输出电流加大带负载能力。激励线圈7的9和10引脚接到功率放大器的输出端，8和11引脚接到功率放大器的共地端。检测线圈12接受两部分的能量，包括初级磁场产生的感应电压，和次级磁场产生的感应电压。激励和检测线圈之间的间距称为耦合距离，检测线圈的13和14引脚接到采集电路输入端进行幅值相位提取后经过放大和滤波电路的处理，最后由德州仪器公司的数据采集卡进行数据采集，通过计算机对结果进行处理。

实例

为了更好地说明本发明的技术效果，采用具体的实验来验证最佳耦合距离，利用不同的绝缘覆盖层厚度进行实验对比。图5是本实施例中双层对称差分的平面涡流检测传感器的实物图像。如图5所示，本实施例中多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器各个部件的参数如下：

激励线圈7采用pcb沉金工艺制板而成，放置在传感器的上层，单个线圈总长度为l1＝24mm，宽度为w1＝30mm，线径为d11＝10mil，线间距为d12＝10mil，匝数为n1＝20，激励线圈之间的间距为r1＝2.5mm，铜层的厚度为2盎司，激励层厚度为d1＝1.6mm。

绝缘覆盖层由聚碳酸酯(pc)制成，长度为l2＝48mm，宽度为w2＝30mm，厚度为d2＝2mm，放置在第二层。

检测线圈12也是采用pcb沉金工艺制作而成，放置在传感器的下层，线圈的长度为l3＝48mm，宽度为w3＝30mm，线径为d21＝10mil，线间距为d22＝10mil，其中的两个线圈匝数都为n2＝20，间距为r2＝2.5mm，铜层厚度为1盎司，检测层厚度为d3＝1.6mm。

本次实验中激励信号采用频率为2mhz的高频正弦信号，试件为铁材料。图5是单独激励线圈传感器的坡印廷矢量分布图。图6是本发明传感器在试件表面产生的涡流分布图。图6中的流动箭头反映了涡流流动的传播路径，从图中可以看出探头周围出现了均匀的同向涡流，左侧和右侧的涡流呈现对称状，以便检测线圈形成差分信号。

图7是本发明传感器的典型缺陷信号差分图。如图7所示，缺陷信号呈现m形，原因是当缺陷小于探头时，就会在经过探头的两侧和中间时对均匀涡流产生影响。相比普通探头的缺陷信号的s形更便于对缺陷进行识别。从图7可以看出，针对同一缺陷的检测，不同的耦合间距会形成强弱不同的检测信号。因此存在最佳耦合间距使得传感器灵敏对最佳。

图8是本发明传感器对人工缺陷的检测信号，信号表征的为在不同提离高度下对四个缺陷的检测，其中第二个缺陷最小为，直径5mm，深度2mm的圆形缺陷。证明了传感器能够至少在11mm的提离范围内对缺陷进行检测。

图9是本发明传感器对腐蚀缺陷进行的c扫成像图。腐蚀缺陷是金属表面的减薄性金属损失，特点是缺陷范围大、缺陷区域情况复杂的特点，对系统的安全造成隐患。从图中可以看出较大缺陷大致范围，但是受限于探头尺寸大小对成片的微小缺陷检测精度不高。

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。