一种直角型蜿蜒花式涡流传感器及其线圈的绕制方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于检测平面应力状态下的金属结构中三个不同方向的分应力及线应变的直角型蜿蜒花式涡流传感器。

背景技术

绝大多数机械结构是由金属材料制作而成的，有效检测这些金属结构的应力状态对于了解其服役状态和评估其剩余寿命均具有重要意义。

目前用于检测金属结构中应力状态的常用方法有应变片法、x射线法、超声波法和磁测法等。在这些方法中，应变片法需要接触式测量；x射线法设备昂贵，具有辐射危险，仅适用于实验室检测；超声波法需要耦合剂；磁测法仅适用于铁磁性材料的检测。

涡流检测方法具有操作简便、成本低廉、不需要耦合剂和可非接触测量等优点，已在检测金属结构的应力方面得到了较多应用。在材料的弹性范围内，金属结构的应变与应力成线性关系，因此，涡流检测方法也可以用于检测金属结构的应变。

现有的涡流应力检测研究仅局限于单向应力及应变的检测，缺少能够检测应力及应变方向的涡流传感器，缺少能够在未知主应力方向时检测平面应力状态下的金属结构中应力及应变的涡流传感器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以检测平面应力状态下的金属结构中应力及应变的涡流传感器。

本发明采用以下技术方案：

一种直角型蜿蜒花式涡流传感器，包括印刷电路板和印刷在印刷电路板上的线圈组；

所述线圈组包括：

绕制为直角型的激励线圈，所述直角型激励线圈包括形成直角的横边和竖边，以及与直角的两条边成一定角度的折边，所述横边、竖边和折边上均包括与所在边垂直设置的蜿蜒折线，所述蜿蜒折线包括至少一个蜿蜒单元，多个蜿蜒单元串联连接；

还包括绕制在每条边上的蜿蜒折线间隙内的一组检测线圈，所述每组检测线圈均绕制在至少一个蜿蜒单元内。

进一步，所述每组检测线圈至少包括一个独立的检测线圈，绕制在串联的蜿蜒单元同侧间隙内。

进一步，所述每组检测线圈包括至少两个独立的检测线圈，其中一个检测线圈绕制在蜿蜒折线一侧的间隙内，另一个检测线圈绕制在蜿蜒折线另一侧的间隙内部。

进一步，所述每条边的蜿蜒单元内绕制的检测线圈距离形成该蜿蜒单元的导线的距离满足：通电情况下，检测线圈能够检测到形成该蜿蜒单元的导线激发出的涡流变化信息。

进一步，所述绕制在蜿蜒折线同侧的独立检测线圈不少于一个，蜿蜒单元间隙内的检测线圈均为非闭合矩形，同一个蜿蜒折线同侧绕制的至少两个独立检测线圈能够串联连接或者分别连接外部检测设备。

进一步，所述印刷电路板的多个板层上均能够设置位置对应、形状相同的激励线圈，不同板层上的激励线圈串联连接；

所述印刷电路板的多个板层上均能够设置位置对应、形状相同的检测线圈，不同板层上的检测线圈串联连接；

所述激励线圈和检测线圈处于相同的板层上或者不同的板层上。

进一步，所述折边将直角分平分为两个45度角。

本发明还提供一种直角型蜿蜒花式涡流传感器的线圈绕制方法，包括激励线圈绕线方法和检测线圈绕线方法；设定直角型的边a和边b为直角边，边c为折边，

所述激励线圈绕线方法包括：

从起点s1沿边a走线，走过距离da1后，绕制蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制完成后，继续走过距离da2，弯折90°到边b，继续走线db1距离，绕制蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制完成后，继续走过距离db2，然后向边a和边b形成的直角范围内弯折一定角度后，继续走线db3距离，再向与直角的两条边成一定角度的边d弯折，继续走线dd1距离，绕制蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制完成后，继续走线dd2距离，达到终点s2；

所述检测线圈绕线方法包括：

在激励线圈每条边上，从起点位置在蜿蜒折线一侧的蜿蜒单元间隙内绕制一个检测线圈，或者在蜿蜒单元两侧的间隙内分别绕制一个检测线圈；所述检测线圈为与激励线圈的蜿蜒折线具有一定距离的蜿蜒折线。

进一步，所述蜿蜒折线绕制方法为：

s1：沿与蜿蜒折线所在边垂直的方向走线距离d1，该d1为蜿蜒单元的单元长度；

s2：由当前位置处，向远离起始点s1的方向弯折90°后，沿弯折后的方向再次走线d2，该d2为蜿蜒单元的宽度ⅰ；

s3：由当前位置处，向返回该段蜿蜒折线所在三角形边的方向弯折90度，沿弯折后的方向走线d1；

s4：由当前位置处，向远离起始方向s1弯折90度，沿弯折后的方向走线d3，完成一个蜿蜒单元的走线；该d3为蜿蜒单元的宽度ⅱ；

s5：多个蜿蜒单元串联形成蜿蜒折线。

进一步，所述激励线圈同一个蜿蜒单元的宽度ⅰ和宽度ⅱ相同或者不同；

当一个检测线圈绕制在至少一个激励线圈蜿蜒单元的间隙内时，所述检测线圈同一个蜿蜒单元的宽度ⅰ与宽度ⅱ长度不同。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供了一种可以在未知主应力方向的情况下检测平面应力状态下的金属结构中三个不同方向的分应力及线应变的涡流传感器，突破了现有涡流传感器只能检测单向应力及应变的缺陷。利用本发明所提供的涡流传感器检测出金属结构中三个不同方向的分应力及线应变后，可以按照实验应力分析的方法，进而确定金属结构中的主应力和主应变的大小及其方向。

（2）采用该种传感器，在仅使用一个传感器的情况下就可以较为方便地、非接触地检测平面应力状态下的各种金属构件中的应力及应变。而现有的研究中，为检测三个方向的分应力及线应变，则需使用3个以上的涡流传感器，很难保证多个传感器与被测结构之间提离的一致性。因此，本发明有利于降低涡流法检测应力应变时的测试系统的复杂性，有利于提高应力应变检测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构图一。

图2为本发明实施例的结构图二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种用于检测应力及应变的直角型蜿蜒花式涡流传感器，该涡流传感器包括印刷电路板和印刷电路板上的线圈组。印刷电路板可选择平面印刷电路板，也可以选择柔性印刷电路板。线圈组包括一个直角型蜿蜒花式激励线圈和多个沿不同方向布置的检测线圈。激励线圈的主体由分布于直角的两条边及两条边中的折线组成，折线将两条直角边的夹角分为两个角度，而这两个角度可以根据需要选择，通常选择45度角的平分线，两条直边和一条折边均包括一个蜿蜒式折线，因其总体形状呈直角型的花状，故称所述激励线圈为直角型蜿蜒花式激励线圈。

线圈组包括激励线圈和检测线圈，在激励线圈中接入交变电流，会在被测结构上感应出涡流。

具体来说，线圈组包括：

（1）使用导线绕制为直角型的激励线圈，直角型激励线圈包括形成直角的横边和竖边，以及与直角的两条边成一定角度的折边，横边、竖边和折边的每条边上均包括与所在边垂直的至少一个蜿蜒单元组成的蜿蜒折线，多个蜿蜒单元串联连接。绕制为激励线圈的导线可以为一根也可以为多根并行绕制。

（2）还包括绕制在每条边的蜿蜒折线间隙内的检测线圈。每个蜿蜒折线内至少设置一组检测线圈，而每组检测线圈均绕制在至少一个蜿蜒单元内，每个检测线圈均至少由一根导线绕制形成，多根导线绕制时可并行绕制。检测线圈的蜿蜒间距应小于所述激励线圈的蜿蜒间距，以保证检测线圈的蜿蜒单元可以布置在激励线圈的蜿蜒单元的折回间隙内。检测线圈可布置为多个蜿蜒单元首尾相接串联形成的蜿蜒折线形式，以提高传感器的灵敏度。

检测线圈的数量可以为三个，此时每个线圈一组，分别布置在所述激励线圈某段蜿蜒折线的折回间隙内，可以同为布置在传感器激励线圈的直角两条边内的折回间隙内，或同为布置在直角两条边外的折回间隙内。

检测线圈的数量可以为六个，两个为一组，同组的两个检测线圈分别布置在激励线圈某段蜿蜒折线的折回间隙的左右两侧。必要时，可以通过对各组内各自线圈首尾走线方式的改变，或通过在焊盘上外接引线的连接，实现对同组两路检测信号的叠加，以增大输出信号。此时每组检测线圈至少包括两个，其中一个检测线圈绕制在串联的蜿蜒单元同一侧的间隙内，另一个检测线圈绕制在串联的蜿蜒单元另一侧的间隙内部。进一步的，当蜿蜒单元较多时，多个蜿蜒单元同侧绕制的检测线圈可多于一个，可以在每个蜿蜒单元内均绕制检测线圈，也可以在某一些蜿蜒单元内绕制检测线圈，多个蜿蜒单元同侧绕制的至少两个检测线圈串联连接或者分别连接外部检测设备。多个串联在一起的检测线圈能够提高传感器的检测灵敏度，且蜿蜒单元的数目可根据不同情况和不同的测量要求设定。

每条边的蜿蜒单元内绕制的检测线圈距离形成该蜿蜒单元的导线的距离满足：通电情况下，检测线圈能够检测到形成该蜿蜒单元的导线激发出的涡流变化信息。

必要时，可在印刷电路板的多个板层上均设置位置对应、形状相同的激励线圈，前后相串联的两层线圈的走线应同为顺时针或同为逆时针走线，并用过孔相连。该方式可以提高单位检测面积上的涡流密度，从而提高应力检测的灵敏度。检测线圈也可采用在同一电路板的多个板层上布置位置对应、形状相同的检测线圈，且不同板层上的检测线圈串联连接的形式。前后相串联的两层检测线圈的走线方式与在同一电路板的多个板层上布置串联激励线圈的方法相同。

检测线圈和激励线圈最好位于同一电路板的不同层上，当位于相同层上时，应确保检测线圈与激励线圈不相交。

本发明的传感器，激励线圈中接入交变电流，会在被测结构上感应出涡流。检测线圈也采用蜿蜒式折线形式，分为三组，分别布置在激励线圈的某段蜿蜒式折线的折回间隙内。由于涡流受到金属结构中应力的影响，激励线圈的三段蜿蜒式折线所激励出的涡流分别对某一个方向的应力变化敏感。每组检测线圈的阻抗或输出信号反映了某个特定方向上的应力信息。对三组检测线圈的阻抗变化或输出信号进行分析，即可检测出金属结构中三个不同方向的分应力及线应变。

作为一种实施方式，本发明的图1采用单层印刷电路板制作本发明所提供的涡流传感器。

如图1中粗实线所示，本实施例激励线圈的每段蜿蜒折线是由五个蜿蜒单元串联而成，激励信号由右下角的焊盘和直角角平分线上的焊盘接入。

如图1中细实线所示，本实施例中共有6个检测线圈，其中，检测线圈1、检测线圈3和检测线圈5各有五个相串联的蜿蜒单元，检测线圈2、检测线圈4和检测线圈6各有四个相串联的蜿蜒单元。每个检测线圈的两端均各有一个焊盘，用来输出检测信号。检测线圈1和检测线圈2一组，检测线圈3和检测线圈4一组，检测线圈5和检测线圈6一组。

该传感器方案中，可通过各检测线圈焊盘的外接引线将每组检测单元的两个检测线圈的输出信号相叠加，以增大总体输出信号。

该传感器方案中，激励线圈的每个蜿蜒单元在垂直于开始该段蜿蜒走线前的走线方向的走线长度较长，平行于该段蜿蜒走线前的走线方向的走线长度短，因此该传感器的三段蜿蜒折线所激发的涡流分别对垂直于激励线圈总体直角的两条边和垂直于直角平分线方向的应力变化敏感。各组检测线圈拾取到对应处的涡流变化信息，以检测线圈阻抗的变化或输出信号的幅值和相位的变化的形式反映出各自敏感方向上的应力和应变变化。

本发明还提供一种用于检测应力及应变的直角型蜿蜒花式涡流传感器的绕线方式。包括激励线圈的绕线方式和检测线圈的绕线方式。

如图2所示，激励线圈的绕线方式为：

从起点s1沿边a走线，走过距离da1后，绕制蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制完成后，继续走过距离da2，弯折90°到边b，继续走线db1距离，绕制蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制完成后，继续走过距离db2，然后向边a和边b形成的直角范围内弯折一定角度后，继续走线dc3距离，再向与直角的两条边成一定角度的边d弯折，继续走线dd1距离，绕制蜿蜒折线，蜿蜒折线绕制完成后，继续走线dd2距离，达到终点s2。

上述边d将直角平分，也可以采用不平分的方式，即可根据需要进行角度的设定，但后续数据分析会稍复杂些。

蜿蜒折线绕制方法为：

s1：沿与蜿蜒折线所在边垂直的方向走线距离d1，该d1为蜿蜒单元的单元长度；

s2：由当前位置处，向远离起始点s1的方向弯折90°后，沿弯折后的方向再次走线d2，该d2为蜿蜒单元的宽度ⅰ；

s3：由当前位置处，向返回该段蜿蜒折线所在三角形边的方向弯折90度，沿弯折后的方向走线d1；

s4：由当前位置处，向远离起始方向s1弯折90度，沿弯折后的方向走线d3，完成一个蜿蜒单元的走线；该d3为蜿蜒单元的宽度ⅱ；

s5：多个蜿蜒单元串联形成蜿蜒折线。

上述方法仅为本发明的一种实施方式，本发明还可以有其它实施方式。

如图2所示，为本发明的一种激励线圈的各段蜿蜒折线的走线步骤：（1）准备阶段：①将该段蜿蜒走线的起始点简称为该段的起始点，由起始点开始蜿蜒走线处弯折90度，沿弯折后的方向走线至某合适长度d1/2毫米，此处将长度d1记为蜿蜒折线的单元长度；②由当前位置处，向远离起始点方向弯折90度，沿弯折后的方向走线至某合适长度d2，此处将该合适长度d2记为蜿蜒折线的单元宽度；（2）蜿蜒单元走线阶段：①由当前位置处，向返回起始点方向弯折90度，沿弯折后的方向走线d1毫米；②由当前位置处，向远离起始点方向弯折90度，沿弯折后的方向走线d2毫米；③由当前位置处，向返回起始点方向弯折90度，沿弯折后的方向走线d1毫米；④由当前位置处，向远离起始点方向弯折90度，沿弯折后的方向走线d2毫米，至此完成一个蜿蜒单元的走线；（3）蜿蜒单元周期走线阶段：如果在传感器中需要使用n个蜿蜒单元串联，可由当前位置重复步骤（3）的内容n次；如果传感器只需要1个蜿蜒单元，则可忽略本步骤；（4）结束阶段：由当前位置向返回起始点的方向弯折90度角，沿弯折后的方向走线d1/2毫米，再向远离起始点方向弯折90度角，以继续后面的走线。

在激励线圈每条边上，从起点位置在蜿蜒折线一侧的蜿蜒单元间隙内绕制一个检测线圈，或者在蜿蜒单元两侧的间隙内分别绕制的一个检测线圈；检测线圈为与激励线圈的蜿蜒折线具有一定距离的蜿蜒折线。

如图2中所示，检测线圈1的蜿蜒折线位于边a上的蜿蜒折线的上侧，且每个蜿蜒单元的间隙中均设置检测线圈的蜿蜒单元，且各蜿蜒单元串联连接。而检测线圈2的蜿蜒折线位于边a上的蜿蜒折线的下侧，且每个蜿蜒单元外侧的间隙内均设置检测线圈的蜿蜒单元，且各蜿蜒单元串联连接。

激励线圈同一个蜿蜒单元的宽度ⅰ和宽度ⅱ相同或者不同。而检测线圈需要蜿蜒布置在激励线圈的蜿蜒折线间隙内，因此，当一个检测线圈绕制在至少一个蜿蜒单元同侧的间隙内时，检测线圈同一个蜿蜒单元的宽度ⅰ与宽度ⅱ长度不同，以保证检测线圈与激励线圈具有一定的距离。

上述的绕线方式仅仅是本发明的一种实施方式，在具体进行绕制时，起点位置和绕制的方向可以根据需要设置，只要最终绕制的结构符合本发明的结构即可，即上述绕线方式中的起点位置和绕向方向并不对本发明造成限制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。