一种超薄的、用于极端间隙检测环境的探头及电涡流传感器的制作方法

1.本发明涉及电涡流传感器技术领域，尤其涉及一种超薄的、用于极端间隙检测环境的探头及电涡流传感器。


背景技术：

2.在设备制造装配环节，有许多装配间隙需要精确测量。常见的测量间隙、位移的方法有接触式和非接触式两类，接触式包括塞尺、千分表、lvdt(线性可变差动变压器)等，非接触式包括光学传感器、电涡流传感器、电容传感器、声学传感器等。
3.在装配间隙检测中最难解决的问题就是狭小、纵深大、没有人工操作空间的间隙测量，上述的传感器形式无论从尺寸、安装空间、测量点数量、测量频率都无法满足要求。下面举四个例子说明：
4.一、在飞机生产线上，机翼和机身的拼接过程中要检测两者之间的间隙值，指导机翼不断调整以达到最优的姿态，并根据间隙值制作相应厚度的垫片填补间隙；而此间隙在毫米级，接触面纵深大，有些位点人无法进入，常规的测量方法不能适用；二、飞机舱门在关闭时和门框之间的间隙需要准确测量以确认舱门的质量是否达标，此间隙在舱门闭合后很难使用常规方法进行测量；三、要判断使用模具制作出来的复合材料外形是否符合设计要求，需要将复合材料扣在基准板上并测量其间隙；在间隙厚度普遍小于3mm，间隙面有弧度且尺寸很大的情况下，常规测试方法无法完成；四、飞机发动机叶片和机匣之间的间隙是否达标是发动机装配的重要指标，当发动机启动后，叶片和机匣的动态间隙也是需要检测的参数，常规的检测方法都不适用。
5.电涡流传感器是以电涡流效应为原理的传感器，可对进入测量范围内的金属材料的运动进行非接触测量。其基本原理是：给探测线圈施加高频交流电，线圈产生交变磁场，并在线圈附近的金属导体中激发感应电流，即电涡流。电涡流的交变磁场与线圈的交变磁场是抵消效果，使得原线圈的电感、电阻发生变化。如果金属是导磁材料，则必须考虑金属被磁化后对磁通的影响。当线圈与金属间的距离变化，电涡流强弱随之变化，进而影响探测线圈的电感、电阻。因此通过测量线圈的阻抗(或单独的电感、电阻)即可获得目标导体的位移信息。
6.电涡流传感器常见形式有一体式和分离式两类。一体式指线圈和解调电路都集成在探头外壳内，分离式指探头和解调电路是两个部分，通过线缆连接。探头常见形式有屏蔽式和非屏蔽式两类，如图1中的(a)和(b)所示，线圈1周围设置非金属2，主要区分在于探头线圈1是否伸出探头的金属外壳3之外。无论是上述哪种形式，其线圈背后都需要空出足够的区域避免金属外壳对测量造成影响，因此探头在垂直线圈方向(即测量方向)要有一定的长度，一般至少要达到20mm。这也就导致常见的电涡流位移传感器在测量方向上长度不能做到很小，因此无法放入一般是几毫米到零点几毫米的间隙中进行测量。


技术实现要素：

7.1.解决的技术问题
8.本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种超薄的、用于极端间隙检测环境的探头及电涡流传感器，本发明可适用于狭小的、纵深大的、要求多位点测量的、高带宽的严苛环境中实现间隙测量。
9.2.技术方案
10.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
11.本发明的一种超薄的、用于极端间隙检测环境的探头，包括基底，所述基底上设置图案化的线圈层和连接线，该线圈层的单匝线圈呈环形绕制，单匝线圈的端部与连接线相连，所述线圈层、基底和连接线为一整体，在其一侧设置屏蔽层。
12.作为本发明更进一步的改进，所述的线圈层设置多层，各线圈层之间通过过孔连接。
13.作为本发明更进一步的改进，所述的屏蔽层采用铁氧体薄膜。
14.作为本发明更进一步的改进，所述的铁氧体薄膜的厚度小于等于0.05mm，基底、线圈层和屏蔽层的总厚度小于0.3mm。
15.作为本发明更进一步的改进，所述探头还包括转接板、同轴线和同轴接头，所述线圈层通过连接线连接到转接板上，转接板通过同轴线与同轴接头连接。
16.作为本发明更进一步的改进，所述基底上设置呈阵列排布的线圈层。
17.本发明的一种超薄的、用于极端间隙检测环境的电涡流传感器，所述的探头通过同轴接头连接电涡流检测电路。
18.作为本发明更进一步的改进，所述的探头通过连接线连接电涡流检测电路。
19.作为本发明更进一步的改进，所述的电涡流检测电路包括信号调理电路、开关控制电路和多级多通道开关芯片，所述的线圈层一端接地，另一端通过多级多通道开关芯片和信号调理电路相连，开关控制电路控制开关通断。
20.3.有益效果
21.采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：
22.(1)本发明的一种超薄的、用于极端间隙检测环境的探头，利用柔性电路板或其他类似技术制作线圈，一方面能够大幅降低线圈厚度，另一方面可以便于制作成探头阵列，可适用于狭小的、纵深大的、要求多位点测量的、高带宽的严苛环境中实现间隙测量。
23.(2)本发明的一种超薄的、用于极端间隙检测环境的探头，使用铁氧体层屏蔽背面金属，一方面磁场无法穿透铁氧体，不会在探头背面的金属中出现电涡流影响测量，另一方面铁氧体没有导电性，在其内部无法形成电涡流，因此铁氧体本身也不会影响线圈的探测功能，使测量狭小间隙成为可能。
附图说明
24.图1中的(a)和(b)分别为传统电涡流位移传感器探头的两种结构形式示意图；
25.图2为本发明中平面结构线圈的结构示意图；
26.图3为本发明中平面结构线圈的侧视图；
27.图4为传统探测线圈在生产中的装配示意图；
28.图5为本发明中探测线圈的装配示意图；
29.图6为本发明中线圈阵列的实施示意图；
30.图7为本发明中平面结构探头的装配示意图；
31.图8为本发明中多级多通道开关芯片实现探头切换的示意图。
32.示意图中的标号说明：
33.1、线圈；11、线圈层；12、基底；13、过孔；14、连接线；2、非金属；3、外壳；4、金属板；5、磁场线；6、屏蔽层；7、转接板；8、同轴线；9、同轴接头。
具体实施方式
34.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
35.实施例1
36.结合图2-图5，本实施例的一种超薄的、用于极端间隙检测环境的探头，利用柔性电路板或其他类似的技术，在基底12上制作图案化的线圈层11和连接线14多层复合结构，形成满足电涡流传感器功能的平面结构探头，整体厚度可低至0.3mm，可实现对狭小间隙的测量。
37.探头主要部分是电感线圈层，线圈层11的单匝线圈呈环形绕制，单匝线圈的端部与连接线14相连，完成高精度、高稳定性的测量需要电感线圈具有一定的电感量，通常在20uh以上。因此对于外径尺寸比较小的线圈，通常线圈层数要做到2层以上，多层线圈之间通过过孔13进行连接(过孔中有导电金属)。使用柔性电路板技术制作的2层线圈厚度为0.15mm左右，4层线圈厚度为0.2mm左右。图3为一个2层平面结构线圈截面的示意图。
38.在电涡流传感器的应用中，探头线圈的周围空间除了目标导体外尽量避免有其他导体接近，以免产生测量误差。传统电涡流位移传感器探头金属外壳要与线圈保持一定距离，如果金属外壳和线圈的距离非常近，其造成的影响甚至比目标导体的影响还大。而在很多生产装配环节，装配缝隙四周全是金属导体，如图4所示，探测线圈上下面都是金属，上下板金属都会影响线圈的电感电阻。为了在狭缝中消除一侧金属对线圈的影响，参看图5，本实施例线圈层11、基底12和连接线14为一整体体，在整体的一侧设置屏蔽层6。该屏蔽层6采用铁氧体薄膜。这层铁氧体薄膜有两个作用：
39.(1)将线圈产生的向下的磁感线集中于铁氧体内部，而没有磁感线穿过下侧金属板。因此下侧金属板的材料、厚度、位置等都对线圈的阻抗特性没有影响。
40.(2)线圈对上侧金属板的测量不会受到铁氧体薄膜的影响。铁氧体薄膜本身没有导电性，在其内部无法形成电涡流，因此也不会影响线圈的探测功能。铁氧体本身具有铁磁性，可一定程度上增大线圈的电感和电阻，如果以阻抗变化的绝对值来看，铁氧体可以增大线圈的灵敏度。
41.本实施例利用厚度小于等于0.05mm的铁氧体薄膜即可以实现上述两个功能，与平面结构线圈的总厚度可小于0.3mm。可适用于狭小的、纵深大的严苛环境中实现间隙测量。
42.实施例2
43.结合图7，本实施例的探头，还包括转接板7、同轴线8和同轴接头9，所述线圈层11通过连接线14连接到转接板7上，转接板7通过同轴线8与同轴接头9连接。将同轴接头9插入电涡流检测电路，实现电路与平面结构探头的连接。使用时将探头背面粘贴在待测间隙的
一个面上即可测量两个面之间的间隙大小。其中平面结构线圈与铁氧体总厚度为0.2mm到0.3mm，且据有一定的柔性。
44.实施例3
45.结合图6，本实施例在基底12上设置呈阵列排布的线圈层11。各个线圈层11通过平面结构的连接线14连接到电涡流检测电路上。使用时将探头背面粘贴在待测间隙的一个面上即可测量两个面之间的间隙大小。其中平面结构线圈阵列与铁氧体总厚度为0.2mm到0.3mm，且据有一定的柔性。
46.在很多装配现场需要同时对多个测量点位进行实时测量，利用例如柔性电路板等平面工艺可以制作出包含多个线圈的阵列，实现大面积装配面的间隙测量。对常见的电涡流传感器每个探头都要配备单独的控制器，因此在多点位测量中会造成硬件系统过于复杂问题，需要单控制器对应多探头的技术方案。
47.图8给出使用多级多通道开关芯片实现探头切换的方案。所述的电涡流检测电路包括信号调理电路、开关控制电路和多级多通道开关芯片，所述的线圈层11一端接地，另一端通过多级多通道开关芯片和信号调理电路相连，开关控制电路控制开关通断。以1对8的开关芯片为例，第一级开关可以切换8路探头，每增加1级开关可支持的探头数量乘以8。
48.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。