高解析度的柔性渦流陣列探針的製作方法

2023-11-03 17:45:12 1

專利名稱：高解析度的柔性渦流陣列探針的製作方法
技術領域：
本發明涉及無損檢測和檢驗(NDT/NDI)裝置，更具體地，涉及 NDT/NDI系統(例如渦流陣列(ECA) 4全測系統)的揮:4十和/或變換 器的柔性。
背景技術：
典型的ECA探針包括並排設置在基底上的多個線圏元件，該基底 通常印刷電路板(PCB)或其他塑料材料。每個線圈用作單獨的渦流 傳感器，其通過電纜等連接於數據捕獲和處理模塊。在典型的檢驗操 作中，將ECA4笨針在^皮測主體的表面(例如，管道的外表面或飛才幾的 機身)的上方移動。當探針經過缺陷(例如裂縫等)處時，經過該缺 陷的每個線圈元件均生成信號，該信號的特徵可用於確定缺陷的位置 和大小。
典型的ECA探針通常具有兩行線圈，這兩行線圈相互交錯以在平 行於掃描方向的方向上更好地檢測缺陷。
理想地，為了利用ECA探針以儘可能高的解析度來檢測缺陷，每 個線圏元件都應該與接受無損檢測的主體的表面輪廓相符。過去，已 經使用形狀遵循表面輪廓的剛性探針來獲得探針與被測表面的緊密配 合。然而，由於這種方案需要為被測主體的表面定製探針，因此其僅 限於少數的大量應用。對於少量應用而言，這種方案是不經濟的。
因此，需要一種適於對這樣的主體進行檢測的ECA探針，即，該 主體的表面在所有三個維度都具有變化的外形(下文稱為3D形表面)。解決需要匹配3D形的檢測對象表面的現有努力包括柔性ECA探 針。這種現有技術中的柔性ECA探針包括柔性基底。這些已知的探針 旨在獲得能夠與3D形表面相符的探針，以獲得儘可能高的解析度。
現有的柔性ECA探針的 一 個限制在於，其不能同時繞多於 一 個方 向彎曲，這可能會妨礙操作員精確地檢測對象。當彎曲方向相互垂直 時，這種限制尤其嚴重。
與另一種ECA探針相關聯的另一典型問題涉及不同行線圈的交 錯。由於每個線圏通常能檢測位於50%的線圏半徑內的缺陷，因此通 常需要交錯設置，以獲得對檢測對象體表面的100%的掃描覆蓋。這就 意味著， 一行線圈的中心點偏離相鄰4亍線圈的中心點。因此， 一行線 圈中的兩個線圏之間的自然彎曲線正好通過相鄰行線圈中線圈的中 心。也就是說， 一行線圈中任意兩個元件之間的自然彎曲線被相鄰行 線圈阻止或阻擋。因此，妨礙了探針在大致垂直於元件行的自然彎曲 線上彎曲。
因此，假定現有的柔性探針不能在大致垂直於線圈行的方向上彎 曲，則僅能通過探針基底的變形實現探針的彎曲，這可能導致探針的 失效。
為了克服上述問題，已經提出了線圈被嵌入在柔性電路板中或印 刷在柔性電路板上的ECA探針。這些提議的實施例已在第7,078,895、 7,012,425、 6,954,065、 6,545,467、 6,452,384、 6,351,120、 6,288,537、 6,114,849、 5,841,277、 5,801,532、 5,389,876和5,047,719號美國專利 中公開。這些被印刷或嵌入的線圈的缺陷在於，每個線圈的匝數受到 PCB製作的限制。因此，不可能構建高效的低頻線圈。此外，不可能 集成纏繞方向與探針表面不平行的鐵氧體或線圈。
在另一現有方案中，線圈被膠合於襯底的表面，且每個線圏單獨 地連接於數據電纜。這種設計的探針包括以下缺陷。首先，由於布線 需要在線圏後方移動，因此探針不能充分彎曲。其次，由於電纜趨向 於斷裂，因此不可能構建可靠的高解析度探針。再次，由於壓力是施 加在非結構化的電纜上，因此不可能將壓力直接施加到線圈的後方， 從而會降低信號質量。最後，這種設計同樣具有不能在穿過線圈行方向的方向彎曲的問題。

發明內容
本文所公開的發明解決了與NDT/NDI裝置(例如渦流系統)中使 用的探針、變換器和傳感器相關的問題，其中現有的非柔性和柔性探 針存在上述的缺陷，例如不期望的剛性和背襯材料中增加的應力。注 意的是，本文使用的術語"探針"、"變換器"和"傳感器"可互換使 用。
因此，本發明的一般目的在於提供一種方法和NDT/NDI探針，其 具有期望的柔性以實現探針和檢測對象的3D表面之間的緊密配合， 而不會對探針的背襯產生過度的應力。
本發明的另 一 目的在於在探針背襯上布置槽或柔性接合，優選地， 將其布置在兩行探針元件之間，以允許在兩行元件之間和沿著元件行 方向的自由移動。
本發明的再一目的在於在探針背襯上使用槽或柔性接合，以使在 背襯中由從一行到另 一行的非均勻彎曲產生的應力中斷並減輕。
本發明的又 一 目的在於使用槽或柔性接合以允許兩4亍元件分別沿 著大致垂直於元件行方向的、各行自身的自然彎曲線彎曲。
本發明的另 一 目的在於使用槽或柔性接合以允許探針在大致垂直 於4亍方向的方向上彎曲和:扭轉。
本發明的再一目的在於使用保護塊覆蓋ECA探針的線圈元件和 接合焊盤，以使探針上的壓力或對探針的粗暴處理不會影響從檢測讀 取的精確信號。
可以理解，本發明公開的方法和探針提供了這樣的有益效果，即， 當探針在檢測對象的3D表面上移動時，探針和該3D表面之間具有更 好的配合。
還可理解，由於更少的應力和變形-故施加在4冢針背^H"上，因此本 發明公開的探針有利地提供了更長的使用壽命。
此外，本發明公開的探針的一個實施方式提供了這樣的有益效果， 即，通過保護墊使探針元件和其它組件在檢測操作中免受壓力和粗暴處理。


圖1是本發明優選實施方式的柔性ECA探針的立體圖2A示出了在探針基底沿其彎曲軸彎曲時，如何使用該柔性ECA 探針的一個示例性方式；
圖2B示出了在探針基底沿大致垂直於線圈行方向延伸的彎曲軸 彎曲時，如何使用該柔性ECA探針的另一示例性方式；
圖3示出了當探針基底同時沿線圈行方向和沿大致與線圏行垂直 的方向彎曲以掃面3D表面時，如何使用該柔性ECA揮:4十的另一示例 性方式；
圖4是另一實施方式的平面視圖，其中，使用了多於兩行的線圈， 並且在掃描3D表面時，探針可同時沿線圈行方向和沿大致與線圈行 垂直的方向彎曲，以增加4企測解析度；
圖5是使用了支撐塊的再一實施方式的透視圖；以及 圖6示出了將公開的柔性探針4用於ECA系統的示意圖。
具體實施例方式
圖1示出了本發明公開的優選實施方式中的柔性ECA探針4。柔 性ECA探針4包括基底2，其優選地為柔性印刷電路^反(PCB)。兩 行線圈12和12，通過任意的連接方式(例如，焊接或膠粘)附接於基 底2。每行線圈12和12，優選地相互平行。兩行線圈12和12，之間的 中線限定了第一彎曲軸8。基底2上沿著第一彎曲軸8形成有切口或 槽14。優選地，在基底2上沿著軸8和在從軸8延伸的方向上不再布 置有任何其它的剛性對象。
注意，槽14的每一端均可包括圓形切口 ，以防止裂開等。 應該注意到，除了布置槽14之外，可選地，還可通過在軸8的兩 側之間使用松連接的或柔性的接合實現沿軸8的柔性。這種連接的柔 性基本高於基底2的柔性。例如，柔性接合可為非常柔性材料形成的 帶或鉸鏈裝置。該鉸鏈可用多種材料、機構或其組合製成。因此，基底2現可沿軸8在兩行線圈12和12，的方向上容易地彎曲。
繼續參照圖1，轉到沿垂直於線圈行的彎曲線方向的柔性問題， 通常兩行線圈12和12，相互交錯地i殳置，以實現對掃面^各徑的優化覆 蓋，並從而實現高的檢測解析度。在本發明中採用了這種設置多行線 圏的方案。因此，行12的每個線圈的中心和行12，的每個線圈的中心 相互不是對齊的。如圖1所示，行12的自然彎曲線(例如自然彎曲線 IO)正好穿過剛性線圈12，。由於行12和12，由槽或其它柔性接合14 分開，因此行12和12，可分別沿其自然彎曲線10或IO，彎曲。
值得注意的是，自然彎曲線10和IO，無需完全垂直於軸8。每行 線圈12或12，均可在由該行中的每兩個線圏之間的空間所允許的自由 度內以其自身的方式彎曲。此外，每個自由彎曲線(例3。 6a和6b) 不必絕對平行，也不必位於相同的平面空間。本文公開的發明的方法 允許探針以兩個線圈12或兩個線圏12，之間的空間允許的最大自由度 與3D形狀相符。
還值得注意的是，分開的行12和12，充分降低和減輕了由相鄰線 圈行(例如12和12，)之間的不均勻彎曲所產生的應力。因此，充分 減小了變形和探針壽命的不期望的縮短。
還繼續參照圖1，基底2可進一步包括接合焊盤16。每個線圈12 和12，均通過線焊接等方式電連接於相應的接合焊盤16。每個接合焊 盤16均電連接於各自的傳導跡線18。每個傳導跡線均可連接於電纜 等，用於與稍後在圖6示出的ECA系統通信。
轉至圖2A，其示出了如何在ECA操作中使用柔性ECA探針的一 個示例性方式。在這種情況下，示出了探針4用於掃描具有在掃描方 向上彎曲的輪廓表面22的檢測對象20。槽或柔性接合14允許探針在 掃描方向彎曲以容易地適應該輪廓表面。
圖2B示出了如何在另一 ECA操作中使用柔性ECA探針的另一 示例性方式。在這種情況下，示出了探針4用於掃描具有在垂直於掃 描方向的方向上彎曲的輪廓表面22的一企測對象20。槽或柔性接合14 允許基底2沿著自然彎曲線10和IO，彎曲，而基底2不會產生不期望的變形。
圖3示出了如何使用柔性ECA探針4的另 一示例性方式。沿著軸 8形成切口 32。探針基底2沿著線圈4亍(軸8的方向)並沿著自然彎 曲線10和10，彎曲。注意，由於切口32的存在，每個自然彎曲線IO 和IO，均可位於由兩個相鄰線圈之間提供的空間自由所允許的任意方 向上，並且不必相互平4亍，也不必^立於相同的平面空間。10和IO，可 大致垂直於軸8。因此，可用本發明的4罙針4對如圖3所示具有複雜 輪廓表面的檢測對象30緊密配合地掃描。
還應該注意，在圖3中，可將前面的附圖中的槽或柔性接合14 如圖所示地應用為由槽或接合32穿過基底2的邊緣。作為一種選擇， 這種情況中的槽或柔性接合可筒單地為開口 32。
圖4是另一實施方式的平面視圖，其中探針46具有附接於基底 44的、多於兩^f亍的線圈12、 12，、 42和42，。與上文所述的兩^f亍線圈 設計中具有50%的中心偏移相比，該i殳計中相鄰線圈的中心偏移為 25%。因此，可實現更高的片企測解析度。類似地，分別沿著兩個線圏 行12、 12，和42、 42，之間的中線形成槽或柔性4妻合14和14，。平行於 行42和12，並沿著二者之間的中線設置另一槽或柔性接合48。因此， 基底44可沿著軸8、 8，和49沿線圈行的方向彎曲。同樣由於位於線圈 行12、 12，、 42和42，下方的基底44由槽或其它柔性4姿合14、 14，和 48分開，因此，基底44、基底44的每個條均可分別沿其自身的自然 彎曲線10、 10，、 40和40，彎曲。
類似地，沿著自然彎曲線IO、 10，、 40和40，的彎曲可大致垂直於 線圈行的方向。自然彎曲線IO、 10，、 40和40，不是固定的，並具有由 兩個相鄰線圈之間的空間所允許的特定的自由度。
類似地，還值得注意的是，中斷沿著線IO、 10，、 40和40，的不均 勻變形充分降低和減輕了由相鄰線圏4亍(例如12和12，)之間的不均 勻彎曲引起的應力。因此，充分減小了變形和探針壽命的不期望的縮 短。
因此，當糹笨針46在4企測對象的3D表面上移動時，其可與該3D 表面相符從而實現緊密配合，同時通過線圈行交錯保持高的檢驗解析度。
現在參照圖5，在本發明的另一可選實施方式中，為了保護線圈 12、 12，，在探針50的頂部添加支撐塊60。在支撐塊60的一個設計中， 可將聚氨酯直接模製在線圈12和12，、接合焊盤16和基底2的頂部。 注意到槽或柔性接合14類似於優選實施方式沿軸8設置，探針50可 沿軸8自由彎曲。為了使探針維持期望的柔性，可將支撐塊60設計為 每次覆蓋幾個線圈12 (例如三個)，而使自然彎曲線10和IO，保持為 敞開的。利用可去除的附接裝置，還可在將支撐塊60放置到探針上之 前，將其與探針50單獨製造，每個支撐塊覆蓋幾個線圈12和12，、幾 個接合焊盤16、以及基底2的一部分。以這種方式，當需要增加探針 50的柔性時，可將支撐塊60去除。此外，每個塊60均與相鄰的塊隔 開。塊60的間隔考慮到塊60之間的自然彎曲線10和10，。此外，支 撐塊60可防止在線圏位置彎曲，並且支撐塊60的剛度足以允許直接 在線圈12和12，上按壓。
應該認識到，由於線圈和檢測對象之間的恆定距離是ECA無損檢 測中非常重要的方面，因此，能直接在線圈的後方施加壓力是使用支 撐塊60時獲得的有益效果。支撐塊60允許在線圈位置直接施加背壓， 從而提高了檢測解析度和探針的使用壽命。由於小線圈更加易碎，因 此，當在ECA探針中使用非常小(例如直徑為lmm)的線圈時，這 一點更力口有利。
應該認識到，將多個線圈置於支撐塊60下方考慮到了將多個線圈 連接於公共焊盤，例如公共接合坪盤。
圖6示出了本發明公開的柔性探針4用於ECA系統66的情況。 從探針4收集的檢測數據通過數據電路68傳送至ECA系統66。在系 統66對檢測數據進行分析之後，通過例如顯示屏的數據l餘出單元64 提供圖形或文字表示的檢測結果。
儘管本發明對具體的示例性實施方式進行了描述，但是，各種其 它變形和修改和其它使用對本領域技術人員都是顯而易見的。因此， 本發明不受具體公開的限制。例如，本發明的範圍可用於大範圍的各 種探針，例如但不限於，超聲(UT)單元件、多元件和陣列探針。
權利要求
1.一種柔性陣列探針，其適於與三維輪廓對象的檢測表面相符，所述陣列探針包括多個檢測元件；由柔性材料形成的基底，所述基底具有用於倚靠所述檢測表面放置和/或在所述檢測表面上移動的表面；所述柔性基底具有第一方向和基本沿所述第一方向延伸的至少一個線形彎曲區域，所述彎曲區域被形成為基本防止所述基底的材料在所述彎曲區域的第一側的變形越過所述彎曲區域傳遞到所述基底的第二側；其中，所述基底被構造為沿著所述第一方向並沿著與所述第一方向成角度延伸的彎曲軸彎曲；以及所述檢測元件被緊固在所述基底上，並跨越所述至少一個彎曲區域。
2. 如權利要求1所述的陣列探針，其中，所述檢測元件被構造為 線圈元件。
3. 如權利要求1所述的陣列探針，其中，所述檢測元件被設置為 基本平行於所述第一方向的多行元件。
4. 如權利要求3所述的陣列探針，其中，所述一行元件被設置為 與所述相鄰行元件交錯。
5. 如權利要求1所述的陣列探針，其中，所述基底的所述第一側 上的彎曲軸能夠與所述基底的所述第二側上的彎曲軸成不同的角度。
6. 如權利要求1所述的陣列探針，包括用於連接於所述檢測元件 的電線，所述電線形成在所述基底上。
7. 如權利要求6所述的陣列探針，其中，所述電線至少部分地垂直於所述至少一個彎曲區域延伸。
8. 如權利要求1所述的陣列探針，其中，所述彎曲區域包括在所 述基底的材料中形成的至少一個切口 。
9. 如權利要求8所述的陣列探針，包括位於所述至少一個切口中 的每個切口的遠端的圓形切口 。
10. 如權利要求1所述的陣列探針，其中，所述彎曲區域被形成 為柔性接合，所述柔性接合包括這樣的區域，該區域中所述基底的材 料基本上比所述基底的材料更加柔韌。
11. 如權利要求1所述的陣列探針，其中，所述基底被形成為印 刷電^各板(PCB)。
12. 如權利要求11所述的陣列探針，其中，所述陣列探針包括用 於所述檢測線圈的接合焊盤。
13. 如權利要求1所述的陣列探針，進一步包括支撐結構，所述 支撐結構被配置為保護所述線圈元件。
14. 如權利要求13所述的陣列探針，其中，所述支撐結構由澆注 型聚氨酯形成。
15. 如權利要求13所述的陣列探針，其中，所述支撐結構提供沿 所述彎曲軸的彎曲裝置。
16. 如權利要求2所述的陣列探針，其中，所述線圏元件被形成
17.如權利要求1所述的陣列探針，與數據捕獲和處理模塊相結 合，所述陣列探針通過電纜連接於所述捕獲和處理模塊。
全文摘要
公開了一種布置探針彎曲區域的槽或柔性接合的方法以及NDT/NDI探針，優選地，將槽或柔性接合布置在兩行探針元件之間，以允許在探針元件行之間和沿著元件行方向的自由彎曲，並允許兩個相鄰行的元件分別沿著垂直於元件行方向的、其自身的自然彎曲線彎曲。還公開了使用保護性的柔性墊來覆蓋探針元件和其他探針組件。
文檔編號G01N27/90GK101614702SQ20091014905
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月15日 優先權日2008年6月13日
發明者丹尼斯·弗徹爾, 伯努瓦·勒帕格 申請人:奧林帕斯Ndt公司