一种T型蜿蜒激励式涡流传感器及其线圈绕制方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于检测已知主应力方向的平面应力状态下的金属结构中相互垂直的两个主应力方向的应力及应变的l型蜿蜒激励式涡流传感器。

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，缺少能够在已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在已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应力及应变的涡流传感器。

本发明采用以下技术方案：

一种t型蜿蜒激励式涡流传感器，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“t”型的激励线圈，所述“t”型的两条边均包括由至少一个蜿蜒单元组成的蜿蜒折线；

在“t”型两条边的蜿蜒折线内分别绕制的两组检测线圈，所述一组检测线圈绕制在一个蜿蜒折线的至少一个蜿蜒单元内。

进一步，所述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，当所述“t”型一条边的蜿蜒折线具有多个蜿蜒单元时，多个蜿蜒单元可串联连接。

进一步，所述每组检测线圈均包括至少一个检测线圈，每个检测线圈至少绕制在蜿蜒折线的一个蜿蜒单元的间隙内，蜿蜒单元间隙内的检测线圈均为非闭合矩形，同一条边的多个蜿蜒单元的感应电流方向一致的检测线圈串联连接后连接外部设备或者分别连接外部设备。

进一步，所述印刷电路板可在多个板层上均设置位置对应、形状相同的“t”型激励线圈，不同板层上的激励线圈串联连接；

所述印刷电路板可在多个板层上均设置位置对应、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；当位于相同层上时，检测线圈与激励线圈不相交。

进一步，所述蜿蜒折线的每条边均为直线段，且相邻两边夹角为90°。

一种t型蜿蜒激励式涡流传感器的绕制方法，

包括激励线圈的绕线方式，所述激励线圈的绕线方式包括：以t字型的横边为x轴，竖边为y轴；

从起点s1出发，沿x轴负方向走过距离d1；所述d1为蜿蜒单元的长度；

向y轴负方向弯折90度后，沿y轴负方向走过距离dd1，所述dd1为蜿蜒单元的宽度ⅰ；

向x轴正方向弯折90度后，沿x轴正方向走线距离d1；

向y轴负方向弯折90度后，沿y轴负方向走过距离dd2，所述dd2为蜿蜒单元的宽度ⅱ；形成t型一条边的一个蜿蜒单元；

继续绕制第二个蜿蜒单元，多个串联的蜿蜒单元形成t型的横边所在的蜿蜒折线；

当绕制该横边的最后一个蜿蜒单元时，最后一个蜿蜒单元首先沿x轴负方向走过距离d1，然后向y轴负方向弯折90度后，沿y轴负方向走过距离dd1，向x轴正方向弯折90度后，沿x轴正方向走线距离d3，然后向y轴负方向弯折90度，并走线d2距离后，向x轴正方向弯折90度后，沿x轴正方向走过dd1距离，然后向y轴正方向弯折90度并沿y轴正方向走线d2距离后，向x轴正方向弯折90度后，沿x轴正方向走过dd2距离，形成t型竖边的一个蜿蜒单元，绕制多个串联的蜿蜒单元形成t型竖边的蜿蜒折线，最后一个蜿蜒单元直接沿x轴正方向走过d4距离后到达终点。

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。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供了一种可以在已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两个相互垂直的主应力及主应变的涡流传感器，突破了现有涡流传感器只能检测单向应力及应变的缺陷。

（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，为检测两个方向的主应力及主应变，则需使用2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示意图一。

图2为本发明实施例的结构示意图二。

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t型蜿蜒激励式涡流传感器，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）使用导线绕制的“t”型激励线圈。“t”型的激励线圈包括垂直的一条横边和一条竖边，导线在两条边处均往复绕制，形成一个蜿蜒单元，每条边具有多个直线型的蜿蜒单元，多个蜿蜒单元串联形成蜿蜒折线，绕制激励线圈的导线至少包括一根，且蜿蜒折线的每条边均为直线段，相邻两边夹角为90°。

（2）t型蜿蜒单元的两条边分别绕制一组检测线圈，两组检测线圈沿不同方向布置。每组检测线圈至少包括一个检测线圈，每个检测线圈绕制在至少一个蜿蜒单元间隙内，每个检测线圈均至少由一根导线绕绕制形成。两组检测线圈采用蜿蜒式折线形式，相互垂直地布置在激励线圈的t型蜿蜒式折线的折回间隙内。

t型的每条边中，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。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蜿蜒曲线激发出的涡流变化信息。

同一条边的多个蜿蜒单元的检测线圈可以串联连接在一起，也可以多个检测线圈均连接外部的设备进行检测。多个串联在一起的感应电流方向一致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。

由于涡流受到金属结构中应力的影响，当传感器的t型方向与被测对象的主应力方向一致时，激励线圈所激励出的涡流在t型的横线区域和竖线区域分别对相互垂直的两个方向的主应力变化敏感。每个检测线圈的阻抗或输出信号反映了特定方向上的应力信息。对两个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两个相互垂直的主应力及主应变。

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t型激励线圈，不同板层上的激励线圈串联连接，能够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。

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。

本实施例采用双层印刷电路板制作本发明所提供的涡流传感器，其中激励线圈位于电路板的上层，检测线圈位于电路板的下层。

如图1中粗实线所示，本实施例的激励线圈由两个蜿蜒单元串联而成，激励信号由t型中横线右侧的两个粗实线焊盘输入。

如图1中细实线所示，本实施例中共有2个检测线圈，其中，检测线圈1位于t型激励线圈的横向蜿蜒折回间隙里，用于检测沿图中横向方向的主应力及主应变，检测线圈2位于t型激励线圈的竖向的蜿蜒折回间隙里，用于检测沿图中竖向方向的主应力及主应变。每个检测线圈均由两个矩形单元串联而成，以增大传感器的输出信号。

当用该传感器进行应力应变测试时，可以用一定方式将传感器固定在被测试件的待测表面附近，并确保传感器的t型方向与试件的主应力方向一致，且传感器平面与待测平面之间的提离处处相等。

向激励线圈中接入交变电流后，图1中上方横向部分的激励线圈所产生的涡流对图中横向方向的应力变化敏感，下方竖向部分的激励线圈所产生的涡流对图中竖向方向的应力变化敏感。各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，即可实现对主应力和主应变的测量。

本发明还提供一种用于检测应力及应变的t型蜿蜒激励涡流传感器绕线方法，包括激励线圈的绕线方式。激励线圈绕线方法包括：设定以t型的横边为x轴，竖边为y轴以方便描述，但并不用于限制本发明。

如图2所示：

从起点s1出发，沿x轴负方向走过距离d1；所述d1为蜿蜒单元的长度；

向y轴负方向弯折90度后，沿y轴负方向走过距离dd1，所述dd1为蜿蜒单元的宽度ⅰ；

向x轴正方向弯折90度后，沿x轴正方向走线距离d1；

向y轴负方向弯折90度后，沿y轴负方向走过距离dd2，所述dd2为蜿蜒单元的宽度ⅱ；形成t型一条边的一个蜿蜒单元；

继续绕制第二个蜿蜒单元，多个串联的蜿蜒单元形成t型的横边所在的蜿蜒折线；

当绕制该横边的最后一个蜿蜒单元时，最后一个蜿蜒单元首先沿x轴负方向走过距离d1，然后向y轴负方向弯折90度后，沿y轴负方向走过距离dd1，向x轴正方向弯折90度后，沿x轴正方向走线距离d3，然后向y轴负方向弯折90度，并走线d2距离后，向x轴正方向弯折90度后，沿x轴正方向走过dd1距离，然后向y轴正反向弯折90度并沿y轴正方向走线d2距离后，向x轴正方向弯折90度后，沿x轴正方向走过dd2距离，形成t型竖边的一个蜿蜒单元，绕制多个串联的蜿蜒单元形成t型竖边的蜿蜒折线，最后一个蜿蜒单元直接沿x轴正方向走过d4距离后到达终点。

其中，上述的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t型横边的蜿蜒单元长度可以设置为和t型竖边的蜿蜒单元长度不相同。

检测线圈，采用和激励线圈的各段蜿蜒折线相类似的方式走线，总体可采用由一根导线蜿蜒而成的分布在激励线圈相邻的折回间隙内的若干个非闭合矩形串联的形式。即可从蜿蜒单元外部走线至蜿蜒单元内部的间隙处，沿间隙绕制一个非闭合矩形后，直接绕制到终点，或者与另一个或者几个蜿蜒单元内的非闭合矩形串联后再绕制到终点。

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。