CN108627569B

CN108627569B - 一种三角环绕激励式涡流传感器及其线圈绕制方法

Info

Publication number: CN108627569B
Application number: CN201810410329.3A
Authority: CN
Inventors: 李建伟; 周洪; 张卫民; 黄伟华; 刘新萍
Original assignee: Henan University of Science and Technology; Henan Agricultural University
Current assignee: Henan University of Science and Technology; Henan Agricultural University
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2038-05-02
Also published as: CN108627569A

Abstract

本发明提供一种三角环绕激励式涡流传感器及其线圈绕制方法，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：绕制为三角环绕型的激励线圈，所述激励线圈包括导线绕制的至少两圈的同心相似三角形构成的三角环形单元，多圈三角环形单元串联连接；还包括分别绕制在三角形的三条边处的三组检测线圈，所述检测线圈绕制在相邻两圈三角环形单元的两条同向边之间的间隙内。本发明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。

Description

一种三角环绕激励式涡流传感器及其线圈绕制方法

技术领域

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三角环绕激励式涡流传感器。

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。

发明内容

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及其绕线方法

本发明采用以下技术方案：

一种三角环绕激励式涡流传感器，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：

绕制为三角环绕型的激励线圈，所述激励线圈包括导线绕制的至少两圈的同心相似三角形构成的三角环形单元，多圈三角环形单元串联连接；

还包括分别绕制在三角形的三条边处的三组检测线圈，所述检测线圈绕制在相邻两圈三角环形单元的两条同向边之间的间隙内。

所述相邻两圈三角形的两条同向边之间的间隙内绕制的检测线圈均为非闭合矩形。

每组检测线圈至少包括两个独立的检测线圈，相邻两圈三角环形单元的每两条同向的边的间隙内部均绕制两个检测线圈，两个检测线圈分别位于靠近每条同向边的区域，且每个检测线圈的主体布置在相邻两条同向边的间距的二分之一分界线和一条同向边构成的区域内；

位于三角环绕型激励线圈同一方向的边处的三角环形单元间隙内的多个检测线圈，且所有同位于激励导线前进方向的左侧或同位于激励导线前进方向右侧的检测线圈可串联连接或者分别连接外部检测设备。

激励线圈绕制为等边三角形或者等腰三角形。

所述印刷电路板的至少两个板层上均设置位置对应、形状相同的三角形激励线圈，不同板层上的激励线圈串联连接；

所述印刷电路板的至少两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。

一种三角环绕激励式涡流传感器的线圈绕制方法，包括激励线圈绕制方法和检测线圈绕制方法；首先设定三角环绕型的激励线圈绕制成的三角形的三条边分别为边a，边b，边c，且边a为底边；设定三角形的底边为x轴，垂直x轴方向为y轴；

所述激励线圈的绕线方法包括：

S1：以起点S1出发，沿x轴正方向走线距离Da1，绕制边a，逆时针转过角度A后转向边b的方向，走线距离Db1，绕制边b，逆时针转过角度B后转向边c的方向，走线距离Dc1，绕制边c，完成第一层三角环形的绕制；所述角度A为边a和边b之间的夹角，角度B为边b和边c之间的夹角；

S2：逆时针转过角度C后，走线距离Dd1，再次转向边a的方向，从当前位置开始，沿x轴正方向走线距离Da2，绕制第二层三角环的边a，逆时针转过角度A后转向边b的方向，走线距离Db2，绕制第二层三角环的边b，逆时针转过角度B后转向边c的方向，走线距离Dc2，绕制第二层三角环的边c，完成第二层三角环形的绕制；所述角度C小于边a和边c之间的夹角；

S3：重复S1~S2的动作，直到完成第n层三角环形的绕制后，达到终点S2；其中，第n层三角环形边的走线距离与第n-1层三角环形边的走线距离满足：Da（n-1）> Dan，Db（n-1）>Dbn ，Dc（n-1）> Dcn；

所述检测线圈的绕线方法为，在三角环绕型激励线圈的一条边上：

一条检测线圈从该检测线圈的起点出发，在相邻三角形单元的两条相邻的同向边之间的间隙内绕制靠近第（n-1）个三角形单元线圈一侧的非闭合矩形，绕制完成后，回到该检测线圈的终点；

另一条检测线圈从该检测线圈的起点出发，在相邻三角形单元的两条相邻的同向边之间的间隙内绕制靠近第n个三角形单元线圈另一侧的非闭合矩形，绕制完成后，回到该检测线圈的终点。

所述检测线圈在绕制时，每一个检测线圈从该检测线圈的起点出发，在该边上的所有需要绕制检测线圈的相邻三角形单元的两条同向边间隙内串联绕制处于三角形单元激励线圈同一侧的非闭合矩形，绕制完成后，回到该检测线圈的终点。

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三角环绕激励式涡流传感器，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）使用导线绕制的三角环绕型的激励线圈，激励线圈可为等腰三角形或者等边三角形，优选等边三角形，激励线圈可布置成由外向内环绕或由内向外环绕的多圈环绕三角型，前一圈的三角形单元即将闭合时以适当方式跳变连接到后一圈的三角形单元，继续按同一绕制方向绕制三角形单元。，即多层三角环形单元串联连接；绕制激励线圈的导线至少包括一根，多根导线的话，需并行绕制。

（2）分别绕制在三角形的三条边处的三组检测线圈，检测线圈绕制在相邻两圈三角环形单元的两条同向边之间的间隙内。检测线圈可采用矩形线圈的形式。即在矩形的一条边上，引出两条引线，并分别连接至该路检测信号的两个焊盘。在绕制矩形时，从边上的一点出发开始绕制矩形，到矩形即将闭合时绕制结束。

每组检测线圈至少包括两个独立的检测线圈，相邻两圈三角环形单元的每两条同向边的间隙内部均绕制两个检测线圈，两个检测线圈分别位于靠近每条同向边的区域，且每个检测线圈的主体应布置在相邻两条同向边的间距的二分之一分界线和一条同向边构成的区域内；

当三角环绕型激励线圈采用多圈三角型单元时，每组检测线圈可以采用将一条走线蜿蜒布置成多个矩形串联的形式，其中串联的每个矩形单元应位于相邻的两圈激励线圈导线的同一侧。该方式可以增加检测线圈的灵敏度。进一步来说，本发明位于三角环绕型激励线圈同一条边处的三角环形单元间隙内也可设置多个检测线圈，且位于所有三角环形单元相同侧的检测线圈串联连接或者分别连接外部检测设备。

印刷电路板的至少两个板层上均设置位置对应、形状相同的三角形激励线圈，不同板层上的激励线圈串联连接；印刷电路板的至少两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；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。

即本发明在进行绕线时，激励线圈可采用布置在同一电路板的多个板层上的同样方案串联的形式。但是，前后相串联的两层线圈走线方式应按如下方式：当前一层三角形激励线圈采用由外向内环绕时，在该线圈所在层走线完毕后通过过孔连接至相串联的后一个激励线圈所在层，并采用由内向外环绕的方式布置后一层三角形激励线圈；当前一层三角形激励线圈采用由内向外环绕时，在该线圈所在层走线完毕后通过过孔连接至相串联的后一个三角形激励线圈所在层，并采用由外向内环绕的方式布置后一层三角形激励线圈。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。

本发明在使用时，激励线圈接入交变电流，在被测结构上产生沿三角形三条边方向的涡流。每组检测线圈分别布置在三角型激励线圈的一条边附近，检测因涡流引起的磁场变化信息。由于涡流受到金属结构中应力的影响，三角环绕式激励线圈在三条边方向所激励出的涡流分别对各边方向的应力变化敏感。在激励线圈各边附近布置的检测线圈的阻抗或输出信号反映了该方向上的应力信息。对三个方向的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。

如图1所示的实施例中采用两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，本实施例采用三圈三角环绕型激励线圈，激励线圈位于电路板的上层。

如图1中细实线所示，本实施例中的每组检测线圈均包括两个检测线圈，这些检测线圈均采用由一条走线蜿蜒而成的两个矩形线圈串联的形式，以增加检测线圈检测的磁场区域，提高其灵敏度。各检测线圈位于电路板的下层。

需要特别指出的是，本实施例中，由于同向环绕的相邻两段激励线圈在其间隙内所产生的磁场方向相反，为了减小激励线圈同向环绕造成的激励磁场的抵消，如图1所示，在相邻的两圈激励线圈中布置了两个检测线圈，这两个检测线圈分别贴近激励线圈前进方向的左侧或右侧。

该方案中，三角型激励线圈的各条边在被测金属结构上产生的感应涡流能量主要分布在激励线圈附近，各三角形的三条边所激励出的涡流分别对自身方向的应力变化敏感。

如图2所示，本发明还提供一种三角环绕激励式涡流传感器的线圈绕制方法，包括激励线圈绕制方法和检测线圈绕制方法；为方便描述，首先设定三角环绕型的激励线圈绕制成的三角形的三条边分别为边a，边b，边c，且边a为底边；设定三角形的底边为x轴，垂直x轴方向为y轴。

激励线圈的绕线方法包括：

检测线圈的绕线方法为：

在三角环绕型激励线圈的一条边上，一条检测线圈从该检测线圈的起点出发，在相邻三角形单元的两条相邻的同向边之间的间隙内绕制靠近第（n-1）个三角形单元线圈一侧的非闭合矩形，绕制完成后，回到该检测线圈的终点；另一条检测线圈从该检测线圈的起点出发，在相邻三角形单元的两条相邻的同向边之间的间隙内绕制靠近第n个三角形单元线圈一侧的非闭合矩形，绕制完成后，回到该检测线圈的终点。

即如图2所示，为三层三角形单元形成的激励线圈，该激励线圈在每条边方向上形成两个间隙，当为边b绕制检测线圈时，从一个检测线圈内的起始点T1出发，进入第一层线圈和第二层线圈之间的间隙内，绕制靠近第一层检测线圈右侧的非闭合矩形R1，然后进入第二层线圈与第三层线圈的间隙内，绕制靠近第二层线圈右侧的非闭合矩形R2后，达到终点T2。而另一个检测线圈从起始点T3出发，进入第三层线圈和第二层线圈之间的间隙内，绕制靠近第三层检测线圈左侧的非闭合矩形R4，然后进入第二层线圈与第一层线圈的间隙内，绕制靠近第二层线圈左侧的非闭合矩形R3后，达到终点T4。

即上述的非闭合矩形R1、R2位于一侧，而R3、R4位于另一侧，同侧非闭合矩形可串联连接。

当激励线圈采用多圈三角型线圈时，每组检测线圈可以采用将一条检测线圈走线蜿蜒布置成位于多个间隙内的多个矩形串联的形式，其中串联的每个矩形单元应位于相邻的两圈激励线圈导线的同一侧。该方式可以增加检测线圈的灵敏度。即在三角环绕型激励线圈的每一条边的检测线圈绕制时，每一条检测线圈从该检测线圈的起点出发，在该边上的所有需要绕制检测线圈的相邻三角形单元的两条同向边间隙内串联绕制处于激励导线前进方向同一侧的非闭合矩形，绕制完成后，回到该检测线圈的终点。

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。

Claims

1.一种三角环绕激励式涡流传感器，其特征在于：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：

还包括分别绕制在三角形的三条边处的三组检测线圈，所述检测线圈绕制在相邻两圈三角环形单元的两条同向边之间的间隙内；

位于三角环绕型激励线圈同一方向的边处的三角环形单元间隙内的多个检测线圈，且所有同位于激励导线前进方向的左侧或同位于激励导线前进方向右侧的检测线圈串联连接或者分别连接外部检测设备；

2.根据权利要求1所述的一种三角环绕激励式涡流传感器，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种三角环绕激励式涡流传感器，其特征在于：

激励线圈绕制为等边三角形或者等腰三角形。

4.一种权利要求1~3任一项所述的三角环绕激励式涡流传感器的线圈绕制方法，其特征在于：包括激励线圈绕制方法和检测线圈绕制方法；首先设定三角环绕型的激励线圈绕制成的三角形的三条边分别为边a，边b，边c，且边a为底边；设定三角形的底边为x轴，垂直x轴方向为y轴；

所述激励线圈的绕线方法包括：

S3：重复S1~S2的动作，直到完成第n层三角环形的绕制后，达到终点S2；其中，第n层三角环形边的走线距离与第n-1层三角环形边的走线距离满足：Da（n-1）> Dan，Db（n-1） >Dbn，Dc（n-1）> Dcn；

另一条检测线圈从该检测线圈的起点出发，在相邻三角形单元的两条相邻的同向边之间的间隙内绕制靠近第n个三角形单元线圈另一侧的非闭合矩形，绕制完成后，回到该检测线圈的终点；

在进行绕线时，激励线圈采用布置在同一电路板的多个板层上的同样方案串联的形式；前后相串联的两层线圈走线方式应按如下方式：当前一层三角形激励线圈采用由外向内环绕时，在该线圈所在层走线完毕后通过过孔连接至相串联的后一个激励线圈所在层，并采用由内向外环绕的方式布置后一层三角形激励线圈；当前一层三角形激励线圈采用由内向外环绕时，在该线圈所在层走线完毕后通过过孔连接至相串联的后一个三角形激励线圈所在层，并采用由外向内环绕的方式布置后一层三角形激励线圈。

5.根据权利要求4所述的三角环绕激励式涡流传感器的线圈绕制方法，其特征在于：

在三角环绕型激励线圈的每一条边的所述检测线圈在绕制时，每一个检测线圈从该检测线圈的起点出发，在该边上的所有需要绕制检测线圈的相邻三角形单元的两条同向边间隙内串联绕制处于三角形单元激励线圈同一侧的非闭合矩形，绕制完成后，回到该检测线圈的终点。