專利名稱：高分辨率的柔性渦流陣列探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)損檢測(cè)和檢驗(yàn)(NDT/NDI)裝置，更具體地，涉及 NDT/NDI系統(tǒng)(例如渦流陣列(ECA) 4全測(cè)系統(tǒng))的揮:4十和/或變換 器的柔性。
背景技術(shù)：
典型的ECA探針包括并排設(shè)置在基底上的多個(gè)線圏元件，該基底 通常印刷電路板(PCB)或其他塑料材料。每個(gè)線圈用作單獨(dú)的渦流 傳感器，其通過電纜等連接于數(shù)據(jù)捕獲和處理模塊。在典型的檢驗(yàn)操 作中，將ECA4笨針在^皮測(cè)主體的表面(例如，管道的外表面或飛才幾的 機(jī)身)的上方移動(dòng)。當(dāng)探針經(jīng)過缺陷(例如裂縫等)處時(shí)，經(jīng)過該缺 陷的每個(gè)線圈元件均生成信號(hào)，該信號(hào)的特征可用于確定缺陷的位置 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(cuò)以在平 行于掃描方向的方向上更好地檢測(cè)缺陷。
理想地，為了利用ECA探針以盡可能高的分辨率來(lái)檢測(cè)缺陷，每 個(gè)線圏元件都應(yīng)該與接受無(wú)損檢測(cè)的主體的表面輪廓相符。過去，已 經(jīng)使用形狀遵循表面輪廓的剛性探針來(lái)獲得探針與被測(cè)表面的緊密配 合。然而，由于這種方案需要為被測(cè)主體的表面定制探針，因此其僅 限于少數(shù)的大量應(yīng)用。對(duì)于少量應(yīng)用而言，這種方案是不經(jīng)濟(jì)的。
因此，需要一種適于對(duì)這樣的主體進(jìn)行檢測(cè)的ECA探針，即，該 主體的表面在所有三個(gè)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(cè)對(duì)象表面的現(xiàn)有努力包括柔性ECA探 針。這種現(xiàn)有技術(shù)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，以獲得盡可能高的分辨率。
現(xiàn)有的柔性ECA探針的 一 個(gè)限制在于，其不能同時(shí)繞多于 一 個(gè)方 向彎曲，這可能會(huì)妨礙操作員精確地檢測(cè)對(duì)象。當(dāng)彎曲方向相互垂直 時(shí)，這種限制尤其嚴(yán)重。
與另一種ECA探針相關(guān)聯(lián)的另一典型問題涉及不同行線圈的交 錯(cuò)。由于每個(gè)線圏通常能檢測(cè)位于50%的線圏半徑內(nèi)的缺陷，因此通 常需要交錯(cuò)設(shè)置，以獲得對(duì)檢測(cè)對(duì)象體表面的100%的掃描覆蓋。這就 意味著， 一行線圈的中心點(diǎn)偏離相鄰4亍線圈的中心點(diǎn)。因此， 一行線 圈中的兩個(gè)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(shuō)， 一行線圈中任意兩個(gè)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于元件行的自然彎曲 線上彎曲。
因此，假定現(xiàn)有的柔性探針不能在大致垂直于線圈行的方向上彎 曲，則僅能通過探針基底的變形實(shí)現(xiàn)探針的彎曲，這可能導(dǎo)致探針的 失效。
為了克服上述問題，已經(jīng)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(shí)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(hào)美國(guó)專利 中公開。這些被印刷或嵌入的線圈的缺陷在于，每個(gè)線圈的匝數(shù)受到 PCB制作的限制。因此，不可能構(gòu)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(xiàn)有方案中，線圈被膠合于襯底的表面，且每個(gè)線圏單獨(dú) 地連接于數(shù)據(jù)電纜。這種設(shè)計(jì)的探針包括以下缺陷。首先，由于布線 需要在線圏后方移動(dòng)，因此探針不能充分彎曲。其次，由于電纜趨向 于斷裂，因此不可能構(gòu)建可靠的高分辨率探針。再次，由于壓力是施 加在非結(jié)構(gòu)化的電纜上，因此不可能將壓力直接施加到線圈的后方， 從而會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量。最后，這種設(shè)計(jì)同樣具有不能在穿過線圈行方向的方向彎曲的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本文所公開的發(fā)明解決了與NDT/NDI裝置(例如渦流系統(tǒng))中使 用的探針、變換器和傳感器相關(guān)的問題，其中現(xiàn)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(yīng)力。注 意的是，本文使用的術(shù)語(yǔ)"探針"、"變換器"和"傳感器"可互換使 用。
因此，本發(fā)明的一般目的在于提供一種方法和NDT/NDI探針，其 具有期望的柔性以實(shí)現(xiàn)探針和檢測(cè)對(duì)象的3D表面之間的緊密配合， 而不會(huì)對(duì)探針的背襯產(chǎn)生過度的應(yīng)力。
本發(fā)明的另 一 目的在于在探針背襯上布置槽或柔性接合，優(yōu)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(dòng)。
本發(fā)明的再一目的在于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(chǎn)生的應(yīng)力中斷并減輕。
本發(fā)明的又 一 目的在于使用槽或柔性接合以允許兩4亍元件分別沿 著大致垂直于元件行方向的、各行自身的自然彎曲線彎曲。
本發(fā)明的另 一 目的在于使用槽或柔性接合以允許探針在大致垂直 于4亍方向的方向上彎曲和:扭轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的再一目的在于使用保護(hù)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?qū)μ结樀拇直┨幚聿粫?huì)影響從檢測(cè)讀 取的精確信號(hào)。
可以理解，本發(fā)明公開的方法和探針提供了這樣的有益效果，即， 當(dāng)探針在檢測(cè)對(duì)象的3D表面上移動(dòng)時(shí)，探針和該3D表面之間具有更 好的配合。
還可理解，由于更少的應(yīng)力和變形-故施加在4冢針背^H"上，因此本 發(fā)明公開的探針有利地提供了更長(zhǎng)的使用壽命。
此外，本發(fā)明公開的探針的一個(gè)實(shí)施方式提供了這樣的有益效果， 即，通過保護(hù)墊使探針元件和其它組件在檢測(cè)操作中免受壓力和粗暴處理。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)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(shí)，如何使用該柔性ECA 探針的一個(gè)示例性方式；
圖2B示出了在探針基底沿大致垂直于線圈行方向延伸的彎曲軸 彎曲時(shí)，如何使用該柔性ECA探針的另一示例性方式；
圖3示出了當(dāng)探針基底同時(shí)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(shí)，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(shí)施方式的平面視圖，其中，使用了多于兩行的線圈， 并且在掃描3D表面時(shí)，探針可同時(shí)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(cè)分辨率；
圖5是使用了支撐塊的再一實(shí)施方式的透視圖；以及 圖6示出了將公開的柔性探針4用于ECA系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了本發(fā)明公開的優(yōu)選實(shí)施方式中的柔性ECA探針4。柔 性ECA探針4包括基底2，其優(yōu)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)附接于基 底2。每行線圈12和12，優(yōu)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?；?上沿著第一彎曲軸8形成有切口或 槽14。優(yōu)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(duì)象。
注意，槽14的每一端均可包括圓形切口 ，以防止裂開等。 應(yīng)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(cè)之間使用松連接的或柔性的接合實(shí)現(xiàn)沿軸8的柔性。這種連接的柔 性基本高于基底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(jī)構(gòu)或其組合制成。因此，基底2現(xiàn)可沿軸8在兩行線圈12和12，的方向上容易地彎曲。
繼續(xù)參照?qǐng)D1，轉(zhuǎn)到沿垂直于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(cuò)地i殳置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)掃面^各徑的優(yōu)化覆 蓋，并從而實(shí)現(xiàn)高的檢測(cè)分辨率。在本發(fā)明中采用了這種設(shè)置多行線 圏的方案。因此，行12的每個(gè)線圈的中心和行12，的每個(gè)線圈的中心 相互不是對(duì)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，。由于行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(wú)需完全垂直于軸8。每行 線圈12或12，均可在由該行中的每?jī)蓚€(gè)線圏之間的空間所允許的自由 度內(nèi)以其自身的方式彎曲。此外，每個(gè)自由彎曲線(例3。 6a和6b) 不必絕對(duì)平行，也不必位于相同的平面空間。本文公開的發(fā)明的方法 允許探針以兩個(gè)線圈12或兩個(gè)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(chǎn)生的應(yīng)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(xù)參照?qǐng)D1，基底2可進(jìn)一步包括接合焊盤16。每個(gè)線圈12 和12，均通過線焊接等方式電連接于相應(yīng)的接合焊盤16。每個(gè)接合焊 盤16均電連接于各自的傳導(dǎo)跡線18。每個(gè)傳導(dǎo)跡線均可連接于電纜 等，用于與稍后在圖6示出的ECA系統(tǒng)通信。
轉(zhuǎn)至圖2A，其示出了如何在ECA操作中使用柔性ECA探針的一 個(gè)示例性方式。在這種情況下，示出了探針4用于掃描具有在掃描方 向上彎曲的輪廓表面22的檢測(cè)對(duì)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(yīng)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用于掃描具有在垂直于掃 描方向的方向上彎曲的輪廓表面22的一企測(cè)對(duì)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(huì)產(chǎn)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)并沿著自然彎 曲線10和10，彎曲。注意，由于切口32的存在，每個(gè)自然彎曲線IO 和IO，均可位于由兩個(gè)相鄰線圈之間提供的空間自由所允許的任意方 向上，并且不必相互平4亍，也不必^立于相同的平面空間。10和IO，可 大致垂直于軸8。因此，可用本發(fā)明的4罙針4對(duì)如圖3所示具有復(fù)雜 輪廓表面的檢測(cè)對(duì)象30緊密配合地掃描。
還應(yīng)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(yīng)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(shí)施方式的平面視圖，其中探針46具有附接于基底 44的、多于兩^f亍的線圈12、 12，、 42和42，。與上文所述的兩^f亍線圈 設(shè)計(jì)中具有50%的中心偏移相比，該i殳計(jì)中相鄰線圈的中心偏移為 25%。因此，可實(shí)現(xiàn)更高的片企測(cè)分辨率。類似地，分別沿著兩個(gè)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，。平行于 行42和12，并沿著二者之間的中線設(shè)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。同樣由于位于線圈 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(gè)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，的彎曲可大致垂直于 線圈行的方向。自然彎曲線IO、 10，、 40和40，不是固定的，并具有由 兩個(gè)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(yīng)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(dāng)纟笨針46在4企測(cè)對(duì)象的3D表面上移動(dòng)時(shí)，其可與該3D 表面相符從而實(shí)現(xiàn)緊密配合，同時(shí)通過線圈行交錯(cuò)保持高的檢驗(yàn)分辨率。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，在本發(fā)明的另一可選實(shí)施方式中，為了保護(hù)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(gè)設(shè)計(jì)中， 可將聚氨酯直接模制在線圈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類似于優(yōu)選實(shí)施方式沿軸8設(shè)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(shè)計(jì)為 每次覆蓋幾個(gè)線圈12 (例如三個(gè))，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(dú)制造，每個(gè)支撐塊覆蓋幾個(gè)線圈12和12，、幾 個(gè)接合焊盤16、以及基底2的一部分。以這種方式，當(dāng)需要增加探針 50的柔性時(shí)，可將支撐塊60去除。此外，每個(gè)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，并且支撐塊60的剛度足以允許直接 在線圈12和12，上按壓。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，由于線圈和檢測(cè)對(duì)象之間的恒定距離是ECA無(wú)損檢 測(cè)中非常重要的方面，因此，能直接在線圈的后方施加壓力是使用支 撐塊60時(shí)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(cè)分辨率和探針的使用壽命。由于小線圈更加易碎，因 此，當(dāng)在ECA探針中使用非常小(例如直徑為lmm)的線圈時(shí)，這 一點(diǎn)更力口有利。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，將多個(gè)線圈置于支撐塊60下方考慮到了將多個(gè)線圈 連接于公共焊盤，例如公共接合坪盤。
圖6示出了本發(fā)明公開的柔性探針4用于ECA系統(tǒng)66的情況。 從探針4收集的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)電路68傳送至ECA系統(tǒng)66。在系 統(tǒng)66對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，通過例如顯示屏的數(shù)據(jù)l餘出單元64 提供圖形或文字表示的檢測(cè)結(jié)果。
盡管本發(fā)明對(duì)具體的示例性實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但是，各種其 它變形和修改和其它使用對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員都是顯而易見的。因此， 本發(fā)明不受具體公開的限制。例如，本發(fā)明的范圍可用于大范圍的各 種探針，例如但不限于，超聲(UT)單元件、多元件和陣列探針。
權(quán)利要求
1.一種柔性陣列探針，其適于與三維輪廓對(duì)象的檢測(cè)表面相符，所述陣列探針包括多個(gè)檢測(cè)元件；由柔性材料形成的基底，所述基底具有用于倚靠所述檢測(cè)表面放置和/或在所述檢測(cè)表面上移動(dòng)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(gè)線形彎曲區(qū)域，所述彎曲區(qū)域被形成為基本防止所述基底的材料在所述彎曲區(qū)域的第一側(cè)的變形越過所述彎曲區(qū)域傳遞到所述基底的第二側(cè)；其中，所述基底被構(gòu)造為沿著所述第一方向并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(cè)元件被緊固在所述基底上，并跨越所述至少一個(gè)彎曲區(qū)域。
2. 如權(quán)利要求1所述的陣列探針，其中，所述檢測(cè)元件被構(gòu)造為 線圈元件。
3. 如權(quán)利要求1所述的陣列探針，其中，所述檢測(cè)元件被設(shè)置為 基本平行于所述第一方向的多行元件。
4. 如權(quán)利要求3所述的陣列探針，其中，所述一行元件被設(shè)置為 與所述相鄰行元件交錯(cuò)。
5. 如權(quán)利要求1所述的陣列探針，其中，所述基底的所述第一側(cè) 上的彎曲軸能夠與所述基底的所述第二側(cè)上的彎曲軸成不同的角度。
6. 如權(quán)利要求1所述的陣列探針，包括用于連接于所述檢測(cè)元件 的電線，所述電線形成在所述基底上。
7. 如權(quán)利要求6所述的陣列探針，其中，所述電線至少部分地垂直于所述至少一個(gè)彎曲區(qū)域延伸。
8. 如權(quán)利要求1所述的陣列探針，其中，所述彎曲區(qū)域包括在所 述基底的材料中形成的至少一個(gè)切口 。
9. 如權(quán)利要求8所述的陣列探針，包括位于所述至少一個(gè)切口中 的每個(gè)切口的遠(yuǎn)端的圓形切口 。
10. 如權(quán)利要求1所述的陣列探針，其中，所述彎曲區(qū)域被形成 為柔性接合，所述柔性接合包括這樣的區(qū)域，該區(qū)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(quán)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(quán)利要求11所述的陣列探針，其中，所述陣列探針包括用 于所述檢測(cè)線圈的接合焊盤。
13. 如權(quán)利要求1所述的陣列探針，進(jìn)一步包括支撐結(jié)構(gòu)，所述 支撐結(jié)構(gòu)被配置為保護(hù)所述線圈元件。
14. 如權(quán)利要求13所述的陣列探針，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)由澆注 型聚氨酯形成。
15. 如權(quán)利要求13所述的陣列探針，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)提供沿 所述彎曲軸的彎曲裝置。
16. 如權(quán)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(quán)利要求1所述的陣列探針，與數(shù)據(jù)捕獲和處理模塊相結(jié) 合，所述陣列探針通過電纜連接于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(qū)域的槽或柔性接合的方法以及NDT/NDI探針，優(yōu)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，并允許兩個(gè)相鄰行的元件分別沿著垂直于元件行方向的、其自身的自然彎曲線彎曲。還公開了使用保護(hù)性的柔性墊來(lái)覆蓋探針元件和其他探針組件。
文檔編號(hào)G01N27/90GK101614702SQ20091014905
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者丹尼斯·弗徹爾, 伯努瓦·勒帕格 申請(qǐng)人:奧林帕斯Ndt公司