阵列式柔性电涡流传感器 【技术领域】
本发明属于传感器技术领域，特别涉及电涡流传感器的结构设计。背景技术
电涡流检测技术是一种无损、无接触测量的检测技术。电涡流传感器具有结构简单，灵敏度高，测量线性范围大，不受油污等介质的影响，抗干扰能力强等优点，在机械，电力，石油，化工，纺织，航空，原子能等工业部门得到广泛的应用。例如，用来测量位移，尺寸，厚度，振动，转速，压力，电导率，温度等参数和金属零件缺陷检测。
传统的电涡流传感器敏感元件是用漆包线绕制成的线圈。线圈尺寸受温度影响很大，因此，其温度性能较差。同时，绕制的线圈参数差异较大，不宜阵列应用或批量生产。由于制作工艺的局限，该种线圈结构尺寸较大、容易变形、温度性能差、一致性差，而且不适用于曲面测量场合，也不适用于大面积范围内的快速测量场合。也有一些研究，利用印刷电路板工艺将敏感线圈加工在电路板上面，或者用光刻等微细加工工艺，在硅基底上加工微线圈。这些电涡流传感器基底为刚性状态，只能应用在平面测量场合。
传统的电涡流传感器调频式电路一般采用克拉泼电路。如图1所示，该电路由三极管、电阻、电容、敏感线圈组成。三极管为振荡电路的核心元件，四个电阻Rb1、Rb2、Rc、Re决定三极管直流工作点，电容Cb、C1、C2和三极管三极相连，并和电容C3及敏感线圈一起，组成电容三点式振荡电路。该电路的缺点是在敏感线圈品质因素较小时难以起振。发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种阵列式柔性电涡流传感器。具有结构纤薄、不易变形、温度性能好、一致性好，且基底为柔性状态，特别适合金属曲面和非金属曲面间的间隙测量。
本发明提出的一种阵列式柔性电涡流传感器，其特征在于，包括用柔性印刷电路板工艺(FPCB)在薄膜基底上制作的按一定方式分布的敏感线圈阵列，与各敏感线圈相连的引出信号线与地线组成的引出电缆，多路选通开关，以及通过多路选通开关和所说地信号线与地线相连的克拉泼振荡电路。
本发明根据测量条件及要求进行选材与设计，所说的薄膜基底可采用适合FPCB工艺的柔性材料，如聚酰亚胺薄膜，聚酯薄膜等。
线圈阵列的分布方式、形状也可任意设计。所说的敏感线圈可以制作成单层或双层甚至多层，敏感线圈形状可以是圆形、方形或其它形状。每个线圈阵各有两条引线：信号线，地线。每个敏感线圈的地线和信号线汇集一起，形成引出密排电缆，各线圈的地线也可以并联到一起。电缆的另一端做成FPC(Flexible Printed Circuit)插头，与多路选通开关相连。
所说的振荡电路是在传统克拉泼电路的基础上，再设置一和敏感线圈并联的电感L。该电感L的电感值大于敏感线圈的电感值的10倍以上，而电阻值小于线圈的电阻值。改进后的电路更适合小品质因素的敏感线圈。
本发明的阵列式传感器工作方式及原理结合图2所示，说明如下：
将敏感线圈阵列贴附在非金属曲面(包括平面)2，并通过振荡电路，使线圈1中通以正弦交变电流I1。电流I1将产生一个正弦交变磁场H1，处于该交变磁场H1中的金属曲面表面2将感应出电涡流I2，I2也产生交变磁场H2，H2的方向和H1的方向相反。由于磁场H2的反作用，线圈的电感及电阻参数发生变化，从而使振荡电路的输出频率发生变化。固定其它参数，使电路输出频率仅与线圈跟金属曲面间的间隙x有关，这样，就可以根据输出的频率值确定线圈跟金属曲面间的间隙。实际工作时，通过多路选通开关，对敏感线圈进行快速循环扫描，测出每个线圈到金属曲面的距离。由于这些线圈的分布方式是已知的，因此，对测量结果进行数据处理，就可以得到金属曲面跟非金属曲面间的间隙。
本发明的特点：
1、本发明中，敏感线圈阵列及其引出电缆的基底材料为柔性状态，因此，敏感线圈可以贴附在任意形状的非金属表面进行测量。而传统的电涡流传感器无法安装在曲面上进行测量。
2、可进行大面积范围内的快速测量。由于采用了FPCB工艺，敏感线圈阵列可以分布在很大的面积范围内(1000mm×500mm甚至更大)，从而实现大面积范围的测量。而其它工艺，如光刻等微细加工工艺，就无法制作大面积范围的柔性传感器阵列，因此也难以实现大面积范围内的测量。如果利用单个传感器进行大面积范围的测量，则需要利用机械装置控制传感器或被测目标按规律动作，这必然影响测量的速度和精度。而在本发明中，利用多路选通开关，对传感器阵列实现快速循环扫描。扫描一个通道仅需20毫秒。
3、超薄。敏感线圈阵列及其引出电缆的厚度最小可做到0.11mm，适合安装在狭小的空间中进行测量。
4、密排电缆。敏感线圈阵列的引线及公共的地线汇集到一起，形成密排长电缆，使结构更加紧凑。由于采用循环扫描的测量方法，任意时刻，电缆中只有一路中有信号传输，因此，电缆所传输信号互不干扰。
5、改进型的电路。本发明中的柔性线圈，电感值较小而电阻值相对较大，因此，线圈的品质因素较小。针对传感器的这一特点，对传统的克拉泼电路进行了改进，提高了电路的品质因素。同时，改进后的电路提高了敏感线圈阵列各通道之间的一致性。
6、本发明相对传统电涡流传感器，能适用于更多测量场合，如曲面测量、大面积范围内快速测量、狭小空间中的测量等。基底材料如采用聚合材料聚酰亚胺，则该传感器阵列还能应用在高温(300-400℃)、辐射等测量场合。
7、本发明采用了柔性印刷电路板加工工艺，线圈电感参数不受温度影响，因此系统具有很好的温度性能。该加工工艺还大大提高了线圈之间的一致性，使得本发明更适合于批量生产。
本发明可达到优异的性能指标。
分辨率： 1μm
灵敏度： 100Hz/μm
测量精度： ±1％FS
温漂： -84Hz/℃
测量范围： 0-5mm或更高。附图说明
图1为传统的电涡流传感器的克拉泼振荡电路的原理图
图2为本发明的工作方式及原理示意图。
图3为本发明的几种敏感线圈实施例结构示意图。
图4为本发明的阵列式柔性电涡流传感器实施例1结构示意图。
图5为本发明实施例1及实施例2的改进型克拉泼电路电路图。
图6为本发明的阵列式柔性电涡流传感器实施例2结构示意图。具体实施方式
本发明设计的几种敏感线圈实施例结构如图3所示，该敏感线圈采用FPCB工艺在适合该工艺的柔性材料薄膜基底上制作，其中：图3(a)中线圈11为单层螺旋圆线圈，其正面引出线113为信号线，反面引出线(反面线用虚线表示，下同)112为地线，正反面绕线通过中央过孔111连通；图3(b)中线圈12为双层螺旋圆线圈，其正面引出线123为信号线，反面引出线122为地线，正反面绕线通过中央过孔121连通；图3(c)中线圈13为单层螺旋方线圈，其正面引出线133为信号线，反面引出线132为地线，正反面绕线通过中央过孔131连通；图3(d)中线圈14为双层方线圈。其正面引出线143为信号线，反面引出线142为地线，正反面绕线通过中央过孔141连通。
本发明设计的阵列式柔性电涡流传感器实施例1结构如图4所示，图中，传感器阵列柔性基底3采用聚酰亚胺薄膜，其形状为三个横臂和将其相连成一体的一个中央竖臂，在薄膜基底3的三个横臂上，用FPCB工艺制作出三组共12个边长10mm的双层敏感方线圈1。每组中各线圈中心距为62.5mm。组间距离为280mm。各敏感线圈的引线和公共地线一起汇集制作在薄膜3的中央竖臂上，形成10mm宽的电缆4。电缆4末端做成FPC插头，通过多路选通开关和改进型克拉泼电路相连，如图5所示，该电路主要由三极管、电阻、电容、敏感线圈组成传统克拉泼电路，在此基础上，再设置一和敏感线圈并联的电感L。该电路中电感L取值为22μH。敏感线圈阵列及其引出电缆总尺寸为1000mm×250mm。
利用本实施例的阵列式柔性电涡流传感器可以测量长钢管内径参数。使用时，将该传感器敏感线圈阵列贴附在外径79.6mm的非金属棒上，并通过机械装置送入钢管内，使该非金属棒和被测钢管(内径约85mm，长2.5m)轴线基本重合。对12路传感器进行循环扫描，得到这12路传感器的输出频率，并根据事先标定的数据，将输出频率转换成线圈到金属管内壁的间隙。由于每组的4个线圈是对称布置在非金属棒上的，因此，对这三组数据进行简单的处理，即可得到钢管在这三个位置的内径。调转钢管，即可测得钢管另一端三个位置的内径值。
本发明设计的阵列式柔性电涡流传感器实施例2结构如图6所示，图中：传感器阵列柔性基底3采用聚酯薄膜制成，其形状如同一把圆扇，在该扇面基底上直径为240mm的圆周上用FPCB工艺均匀制作出6个直径15mm的单层圆线圈1，同时，在该圆圆心上也制作一个相同参数的线圈。这7个线圈的引线(实线)及公共地线(虚线)汇集到一起，形成8mm宽，450mm长的电缆3，电缆3制作在细长的扇柄基底3上。电缆的另一端，做成FPC插头，并通过多路选通开关，和改进型的克拉泼电路相连，如图5。敏感线圈阵列及其引出电缆总尺寸为750mm×300mm。
在某些恶劣环境下，需要监测一个大金属平面(圆形)和一个非金属平面间的微小间隙(0-2mm)的情况，可利用本实施例来解决。测量时，将该传感器阵列贴附在非金属平面上，通过对传感器阵列的循环扫描，可测得各传感器到金属平面的距离，并通过数据处理，确定金属平面跟非金属平面间的间隙关系。