CN108693245B - 一种三角环绕蜿蜒式涡流传感器及其线圈绕制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三角环绕蜿蜒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；线圈组包括：绕制为三角形的激励线圈，所述三角形的每条边均包括与该边平行的蜿蜒折线，所述蜿蜒折线由多个蜿蜒单元串联组成；还包括绕制在激励线圈每条边的蜿蜒折线间隙内的至少一组检测线圈，所述每组检测线圈均绕制在至少一个蜿蜒单元内。本发明可以在仅使用一个传感器的情况下较为方便地、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

一种三角环绕蜿蜒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蜿蜒式涡流传感器。

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出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。

本发明采用以下技术方案：

一种三角环绕蜿蜒式涡流传感器，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：

绕制为三角形的激励线圈，所述三角形的每条边均包括与该边平行的蜿蜒折线，所述蜿蜒折线由多个蜿蜒单元串联组成；

还包括绕制在激励线圈每条边的蜿蜒折线间隙内的至少一组检测线圈，所述每组检测线圈均绕制在至少一个蜿蜒单元内。

所述每组检测线圈至少包括两个独立的检测线圈，其中一个检测线圈绕制在串联的蜿蜒单元同侧的间隙内，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。

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。

所述绕制在蜿蜒单元同侧的检测线圈不少于两个，蜿蜒单元间隙内的检测线圈均为非闭合矩形，同一个蜿蜒折线的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。

所述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。

一种三角环绕蜿蜒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；设定三角形的底边为x轴，垂直x轴方向为y轴；

所述激励线圈绕制方法包括：

以起点S1出发，沿x轴正方向从外到内向三角形内部绕制边a的蜿蜒折线，然后转过角度A后，从三角形的内部向外绕制边b的蜿蜒折线，在转过角度B后，然后从外到内向三角形内部绕制边c的蜿蜒折线；

所述角度A为边a与边b的夹角，角度B为边b与边c的夹角。

所述边a的蜿蜒折线绕线方式为：

（1）以起点S1出发，沿x轴正方向走线距离D1，然后逆时针方向弯折A1角度后走线距离Dd1，逆时针弯折A2角度后与边a平行走线距离D2；所述D1和D2均为蜿蜒单元的长度，且D1不小于D2，Dd1为蜿蜒单元的宽度Ⅰ；

（2）顺时针弯折A3角度后走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；Dd2为蜿蜒单元的宽度Ⅱ；

（3）顺时针弯折A4角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（4）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且所述第n+1个蜿蜒单元的长度小于第n个蜿蜒单元的长度；

所述边b的蜿蜒折线的绕线方式为：

（1）边a的最后一个蜿蜒单元绕制完成且顺时针转过角度A4后，与边a平行且沿x轴正方向走线距离D3后，导线转过角度A，开始绕制边b的蜿蜒折线；所述距离D3不大于边a的蜿蜒折线的最后一个蜿蜒单元的距离D2；

（2）与边b平行走线距离D4，然后顺时针方向弯折A5角度后走线距离Dd1，顺时针弯折A6角度后与边b平行走线距离D5；所述D4和D5均为蜿蜒单元的长度，且距离D5不小于距离D4；

（3）逆时针弯折A7角度后走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；

（4）逆时针弯折A8角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（5）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且所述第n+1个蜿蜒单元的长度大于第n个蜿蜒单元的长度；

所述边c的蜿蜒折线的绕线方式为：

（1）边b的最后一个蜿蜒单元绕制完成且逆时针转过角度A8后，与边b平行走线距离D6后，导线转过角度B，开始绕制边c的蜿蜒折线；所述距离D6不小于边b的蜿蜒折线的最后一个蜿蜒单元的距离D5；

（2）与边c平行走线距离D7，然后逆时针方向弯折A9角度后走线距离Dd1，逆时针弯折A10角度后与边c平行且与D7反向走线距离D8；所述D7和D8均为蜿蜒单元的长度，且距离D7不小于距离D8；

（3）顺时针弯折A11角度后走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；

（4）顺时针弯折A12角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（5）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且所述第n+1个蜿蜒单元的长度小于第n个蜿蜒单元的长度；

其中，角度A1、角度A3、角度A6、角度A8、角度A9、角度A11与180度的绝对值不大于90度；而角度A2、角度A4、角度A5、角度A7、角度A10、角度A12与180度的绝对值不小于90度。

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。

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蜿蜒单元同侧的间隙内时，所述检测线圈的同一个蜿蜒单元的宽度Ⅰ与宽度Ⅱ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。

图2为本发明实施例的折线结构图。

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蜿蜒式涡流传感器，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）使用导线绕制为三角形的激励线圈，激励线圈可以为等腰三角形或者等边三角形，以等边三角形最佳，导线可以为一根也可以为多根并行绕制。导线绕三角形的每条边往复绕制至少一个蜿蜒单元后串联在一起；每条边可具有多个蜿蜒单元，且多个蜿蜒单元均与每条边平行，每条边的多个蜿蜒单元串联连接为一个蜿蜒折线。两个蜿蜒单元之间通过连接导线连接，而蜿蜒单元的导线与连接导线的夹角可以为90度也可以为其它合适的角度。

（2）还包括绕制在每条边的蜿蜒折线内的检测线圈。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。

检测线圈的数量可以为三个，此时每个线圈一组，分别布置在激励线圈某条边上的蜿蜒折线的折回间隙内。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条边上的蜿蜒折线的折回间隙的左右两侧。

必要时，可以通过对各组各自的检测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、形状相同的三角形激励线圈，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。

本发明的传感器，激励线圈接入交变电流，在被测结构上产生主要沿三角形三条边方向的涡流。每个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，三角型激励线圈的三条边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。

作为一种实施方式，如图1所示，本发明的激励线圈可设置在不同层，例如检测线圈1和检测线圈2所在的蜿蜒折线位于一层，而检测线圈3和检测线圈4所在的蜿蜒折线位于另一层，检测线圈5和检测线圈6所在的蜿蜒折线位于第三层。整个三角形环绕的激励线圈也可设置在同一层。

如图1中细实线所示，本实施例中的每条边均设置两个检测线圈，蜿蜒单元的不同侧各设置一个检测线圈。例如检测线圈1和检测线圈2分别位于串联的蜿蜒单元的两侧，检测线圈3和检测线圈4分别位于串联的蜿蜒单元的两侧，检测线圈5和检测线圈6分别位于串联的蜿蜒单元内的两侧，检测线圈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。

该传感器方案中，三角环绕式激励线圈的各条边的蜿蜒折线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，各条边的蜿蜒折线所激励出的涡流分别对各边自身方向的应力变化敏感。

本发明还提供了一种用于上述涡流传感器线圈的绕制方法，包括激励线圈绕制方法和检测线圈绕制方法。为了便于描述，设定三角形的底边为x轴，垂直x轴方向为y轴。

激励线圈绕制方法包括：

以起点S1出发，沿x轴正方向从外到内向三角形内部绕制边a的蜿蜒折线，然后转过角度A后，从三角形的内部向外绕制边b的蜿蜒折线，在转过角度B后，然后从外到内向三角形内部绕制边c的蜿蜒折线；角度A为边a与边b的夹角，角度B为边b与边c的夹角。

具体来说，如图2所示，边a的蜿蜒折线的绕线方式为：

（1）以起点S1出发，沿x轴正方向走线距离D1，然后逆时针方向弯折A1角度后与边a平行走线距离Dd1，逆时针弯折A2角度后与边平行走线距离D2；所述D1和D2均为蜿蜒单元的长度，且D1不小于D2，Dd1为蜿蜒单元的宽度Ⅰ；

（2）顺时针弯折A3角度后走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；Dd1为蜿蜒单元的宽度Ⅱ；

（3）顺时针弯折A4角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（4）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且所述第n+1个蜿蜒单元的长度小于第n个蜿蜒单元的长度。

边b的蜿蜒折线的绕线方式为：

（1）边a的最后一个蜿蜒单元绕制完成且顺时针转过角度A4后，与边a平行且沿x轴正方向走线距离D3后，导线转过角度A，开始绕制边b的蜿蜒折线；所述距离D3不大于边a的蜿蜒折线的最后一个蜿蜒单元的距离D2；所述A为边a与边b的夹角；

（2）与边b平行走线距离D4，然后顺时针方向弯折A5角度后走线距离Dd1，顺时针弯折A2角度后与边b平行走线距离D5；所述D4和D5均为蜿蜒单元的长度，且距离D5不小于距离D4；

（3）逆时针弯折A7角度后走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；

（4）逆时针弯折A8角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（5）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且所述第n+1个蜿蜒单元的长度大于第n个蜿蜒的长度；

边c的蜿蜒折线的绕线方式为：

（1）边b的最后一个蜿蜒单元绕制完成且逆时针转过角度A8后，与边b平行走线距离D6后，导线转过角度B，开始绕制边c的蜿蜒折线；所述距离D6不小于边b的蜿蜒折线的最后一个蜿蜒单元的距离D5；所述角度B为边b与边c的夹角；

（2）与边c平行走线距离D7，然后逆时针方向弯折A9角度后平行边c走线距离Dd1，逆时针弯折A10角度后与边c平行且与D7反向走线距离D8；所述D7和D8均为蜿蜒单元的长度，且距离D7不小于距离D8；

（3）顺时针弯折A11角度后与边c平行走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；

（4）顺时针弯折A12角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（5）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且所述第n+1个蜿蜒单元的长度小于第n个蜿蜒单元的长度。

其中，角度A1、角度A3、角度A6、角度A8、角度A9、角度A11与180度的绝对值不大于90度；而角度A2、角度A4、角度A5、角度A7、角度A10、角度A12与180度的绝对值不小于90度。

而检测线圈绕线方法为在三角形的激励线圈的每条边上，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；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。

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。

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 (8)

1.一种三角环绕蜿蜒式涡流传感器，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：

绕制为三角形的激励线圈，所述三角形的每条边均包括与该边平行的蜿蜒折线，所述蜿蜒折线由多个蜿蜒单元串联组成；

还包括绕制在激励线圈每条边的蜿蜒折线间隙内的至少一组检测线圈，每组检测线圈均绕制在至少一个蜿蜒单元内；

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；

所述每组检测线圈至少包括两个独立的检测线圈，其中一个检测线圈绕制在串联的蜿蜒单元同侧的间隙内，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。

2.根据权利要求1所述的一种三角环绕蜿蜒式涡流传感器，其特征在于：

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。

3.根据权利要求1所述的一种三角环绕蜿蜒式涡流传感器，其特征在于：

所述绕制在蜿蜒单元同侧的检测线圈不少于两个，蜿蜒单元间隙内的检测线圈均为非闭合矩形，同一个蜿蜒折线的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。

4.根据权利要求1所述的一种三角环绕蜿蜒式涡流传感器，其特征在于：

所述激励线圈绕制为等边三角形或者等腰三角形。

5.一种权利要求1~4任一项所述的三角环绕蜿蜒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；设定三角形的底边为x轴，垂直x轴方向为y轴；

所述激励线圈绕制方法包括：

以起点S1出发，沿x轴正方向从外到内向三角形内部绕制边a的蜿蜒折线，然后转过角度A后，从三角形的内部向外绕制边b的蜿蜒折线，在转过角度B后，然后从外到内向三角形内部绕制边c的蜿蜒折线；

所述角度A为边a与边b的夹角，角度B为边b与边c的夹角。

6.根据权利要求5所述的三角环绕蜿蜒式涡流传感器的线圈绕制方法，其特征在于：

所述边a的蜿蜒折线绕线方式为：

（1）以起点S1出发，沿x轴正方向走线距离D1，然后逆时针方向弯折A1角度后走线距离Dd1，逆时针弯折A2角度后与边a平行走线距离D2；所述D1和D2均为蜿蜒单元的长度，且D1不小于D2，Dd1为蜿蜒单元的宽度Ⅰ；

（2）顺时针弯折A3角度后走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；Dd2为蜿蜒单元的宽度Ⅱ；

（3）顺时针弯折A4角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（4）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且第n+1个蜿蜒单元的长度小于第n个蜿蜒单元的长度；

所述边b的蜿蜒折线的绕线方式为：

（1）边a的最后一个蜿蜒单元绕制完成且顺时针转过角度A4后，与边a平行且沿x轴正方向走线距离D3后，导线转过角度A，开始绕制边b的蜿蜒折线；所述距离D3不大于边a的蜿蜒折线的最后一个蜿蜒单元的距离D2；

（2）与边b平行走线距离D4，然后顺时针方向弯折A5角度后走线距离Dd1，顺时针弯折A6角度后与边b平行走线距离D5；所述D4和D5均为蜿蜒单元的长度，且距离D5不小于距离D4；

（3）逆时针弯折A7角度后走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；

（4）逆时针弯折A8角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（5）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且第n+1个蜿蜒单元的长度大于第n个蜿蜒单元的长度；

所述边c的蜿蜒折线的绕线方式为：

（1）边b的最后一个蜿蜒单元绕制完成且逆时针转过角度A8后，与边b平行走线距离D6后，导线转过角度B，开始绕制边c的蜿蜒折线；所述距离D6不小于边b的蜿蜒折线的最后一个蜿蜒单元的距离D5；

（2）与边c平行走线距离D7，然后逆时针方向弯折A9角度后走线距离Dd1，逆时针弯折A10角度后与边c平行且与D7反向走线距离D8；所述D7和D8均为蜿蜒单元的长度，且距离D7不小于距离D8；

（3）顺时针弯折A11角度后走线距离Dd2，形成一个蜿蜒单元；

（4）顺时针弯折A12角度后，绕制另一个蜿蜒单元；

（5）多个蜿蜒单元串联连接形成蜿蜒折线；且第n+1个蜿蜒单元的长度小于第n个蜿蜒单元的长度；

其中，角度A1、角度A3、角度A6、角度A8、角度A9、角度A11与180度的绝对值不大于90度；而角度A2、角度A4、角度A5、角度A7、角度A10、角度A12与180度的绝对值不小于90度。

7.根据权利要求6所述的三角环绕蜿蜒式涡流传感器的线圈绕制方法，其特征在于：

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。

8.根据权利要求5所述的三角环绕蜿蜒式涡流传感器的线圈绕制方法，其特征在于：

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蜿蜒单元同侧的间隙内时，所述检测线圈的同一个蜿蜒单元的宽度Ⅰ与宽度Ⅱ不同。

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