Вихретоковый датчик для неразрушающих испытаний и способ его изготовления Советский патент 1983 года по МПК G01N27/90 G01B7/06 

размерами, в значительной мере определяются недостаткаг/м его конструкц Цель изобретения - повышение надежности испытаний и упрощение технологии изготовления. Указанная цель достигается тем, что в вихретоковом датчике каждая обмотка выполнена в виде не менее чем одной пары,соединенных последовательно согласно секций, расположе ных сикметрично одной из продольных плоскостей симметрии сердечника, в каждой секции рабочие проводники попарно симметричны относительно другой продольной плоскости симметрии сердечника,, перпендикулярной первой, и соединены между собой так что образуют на боковой поверхности сердечника, спираль. Л также тем, что датчик снабжен эластичной диэлектрической подложкой, закрепленной на сердечнике в один слой, а обмотка размещена на одной из сторон подложки. Секции обмотки могут быть размещ ны также и на второй стороне подлож ки, а контактные площадки секций одной стороны смещены относительно контактных площадок секций второй стороны вдоль оси сердечника. Кроме того, вихретоковый датчик может быть снабжен по крайней мере одной эластичной диэлектрической подложкой, закрепленной на сердечни ке в несколько слоев, а секции обмо ток расположены с одной или с двух сторон подложки. Кроме того, с целью упрощения те нологии изготовления проходных датчиков, обмотку формируют на эластич ной диэлектрической подложке, габариты которой соответствуют габарита сердечника, после чего закрепляют подложку на сердечнике. При этом в подложке выполняют OT верстия, затем ее металлизируют, секции обмоток формируют с обеих ст рон подложки так, чтобы начешо и ко нец пары секций обмотки на внутренней по отношению к стержню стороне подложки соединялись с металлизированным слоем соответствующих отверс тий, а на другой ее стороне формиру ют контактные площгодки, каждую из которых соединяют с металлизированным слоем соответствующего отверсти На фиг. 1 представлен вихретоковый датчик в испытуемом отверстии печатной платы; на фиг. 2 - датчик с многослойной обмоткой, выполненно на одной эластичной диэлектрической подложке, поперечное сечение; на фиг. 3 - плоская подложка из эластичного диэлектрикс1 с расположенным на обеих ее сторонcix обмотками; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3. Вихретоковый датчик 1 (фиг. 1) для неразрушающих испытаний качестна электропроводящих покрытий 2 в отверстии 3 печатной платы 4 содержит цилиндрический сердечник 5 и обмотки б и 7, проводники 8 и 9, 10 и 11 которых расположены параллельно оси Z сердечника 5. При этом их длина по крайней мере в 1,2 раза больше толщины печатной платы 4. Обмотки б и 7 выполнены каждая из двух сек-- . ций 12, 13 и 14, 15 соответственно расположенных симметрично относительно одной из продо;1ьных плоскостей симметрии Х02цилиндрического сердечника 5. В каждой из секций 12, 13, 14, 15 проводники 8 и 9, 10 и Ц расположены попарно симметрично относительно другой продольной плоскости симметрии: сердечника 5, перпендикулярной плоскости YOZ . Проводники 8 и 9 секции 12 соединены между собой так, что образуют спираль, расположенную на боковой поверхности сердечника. То же относится и к проводникам секций 13, 14 и 15. Секции 12 и 13, входящие в пару, соединены последовательно согласно. Аналогично выполнены и секции 14, 15 обмотки 7. Обмотка 7 подключена к генератору переменного тока высокой часто- ты (не показан) и служит для возбуждения вихревых токов в электропроводящем покрытии 2 отверстия- 3 печат ной платы 4. Обмотка 6 предназначена для регистрации ЭДС, наводимой в ее витках и зависящей от параметров покрытия 2, в том числе от его толщины. Возможно выполнение датчика 1 с одной обмоткой 6 или 7 (параметрический вариант) , которая служит для возбуждения вихревых токов в покрытии 2 и регистрации величины ее сопротивления, зависящего от параметров покрытия 2. Обмотки 6 и 7 датчика .расположены на противоположных сторонах эластичной -диэлектрической подложки 16, закрепляемой на сердечнике 5, например, с помощью клея. При этом сердечник предварительно покрывают тонким диэлектрическим слоем, чтобы избежать замыкания витков внутренней по отношению к сердечнику 5 обмотки 7. Проводники В и 10, 9 и 11 обмоток б и 7 соответственно целесообразно располагать друг против друга на противоположных сторонах подложки 16 . Если датчик содержит одну обмотку 6, то она размещается на внешней по отношению к сердечнику 5 стороне подложки 16. Для подключения обмоток 6 и 7 к измерительному устройству и генератору соответственно служат контактные площадки 17 и 18 секций 12 и 14 и аналогичные им контактные площадки секций 13 и 15, а также гибкие проводники 19 и 20. Контактная площадка 18 на наружной по отношению к сердечнику 5 поверхности подложки 1 соединена с проводником 11 через от верстие 21 в подложке 16. Соединени может быть осуществлено слоем метал лизации, осажденным на стенках отверстия 21 и соединяющимся с контак ной площадкой 18 и проводником 11 обмотки 7 через контактную площадку 22 на внутренней по отношению к стержню 5 стороне подложки 16. Контактные площадки 17 и 18, 22 смещены относительно друг друга вдо оси Z сердечника так, чтобы они не накладывались одна на другую. Для этого обмотка 6 на внешней стороне подложки 16 короче обмоток 7 на вну ренней стороне подложки. То же относится к контактным площадкам и дл нам обмоток секций 13 и 15. При это длина самого короткого проводника 9 более короткой обмотки 6 должна превышать по крайней мере в 1,2 раза толщину печатной платы 4. Возможен вариант выполнения датчика с обмотками, размещенныгли на подложке в несколько электрически изолированных друг от друга слоев (фиг. 2). На сердечнике 5, покрытом изоляционным слоем 23, спирально в несколько слоев, например в четыре j закреплена подложка 16 с располохсен ными на ней проводниками 9, 10 обмо ток. .Соединения обмоток, расположен ных в слоях, осуществляются через металлизированные отверстия в подложке 16 (фиг. 1). Датчик 1 с многослойной обмоткой (фиг. 2) может быть выполнен в пара метрическом варианте с одной обмоткой, содержащей несколько пар последовательно соединенных секций. Этот же датчик может быть выполнен в трансформаторном варианте с двумя обмоткогШ, возбуждающей и измерительной, каждая из которых содержит несколько пар последовательно соединенных секций. Другой вариант датчика с многослойным размещением обмоток может быть выполнен в виде стержня с несколькими, закрепленными одна на дру гой, подложками, на каждой из которых нанесены проводники обмоток. Возможен еще один вариант датчика, в котором пары секций обмоток смещены одна относительно другой на некоторый угол вокруг оси стержн Такой вариант датчика удобно осущес вить применением многослойной обмотки . При этом пара секций обмотки следующего слоя повернута на некото рый угол относительно пары секций предыдущего слоя. Этим достигается более равномерная чувствительность датчика по его окружности. Описанные конструкции датчика изготавливают следующим образом. На плоской подложке 16 из эластичного диэлектрического материала, габариты которой соответствуют габаритам сердечника 5, формируют, например, методом фотолитографии секции 12, 13,14; 15 симметрично расположенных обмоток 6 и 7 (фиг. 3). Ширина К подложки 16 должна быть равна длине окружности цилиндрического сердечника 5, покрытого изоляционным слоем 23 (фиг. 2), при однослойном размещении подложки 16 на сердечнике 5. Если подложка закрепляется на сердечнике в несколько слоев, то ширина в подложке 16 должна быть соответственно увеличена, а число пар.секций обмоток на подложке 16 должно быть равно числу слоев. Формирование обмоток на плоской подложке с последующим закреплением подложки на сердечнике позволяет избежать трудностей непосредственного формирования обмоток на цилиндрической поверхности весьма малого диаметра и, тем самим упростить технологию изготовления датчика и повысить точность размеров обмоток. Целесообразно с помощью многоместного мультиплицированного фотошаблона формировать на одном листе подложки сразу несколько пар секций обмоток, а затем разрезать подложку в соответствии с требуе «ими размерами. Для соединения обмоток, расположенных с внутренней по отношению к стержню 5 стороны подложки 16, к контактным площадкам 18 на внешней стороне подложки 16 в ней вначале выполняют отверстия 21, затем подложку металлизируют, например, методом вакуумного напыления металла. При этом металл, например медь, осаждается на стенках отверстий 21, образуя переходной металлизированйый слой 24 и на остальной поверхности подложки 16. Затем, применяя метод фотолитографии, формируют обмотки с обеих сторон подложки так, чтобы контактные площадки 22, расположенные на внутренней по отношению к стержню 5 стороне подложки, соединялись с металлизированными слоями 24 отверстий 21, а металлизированный слой 24, в свою очередь, соединялся с контактными площадками 18. К контактным площадкам 17 и 18 подсоединяют гибкие проводники 19 и 20 соответственно, с помощью которых датчик включается в соответствующие электрические цепи. Вихретоковый датчик 1 (фиг. 1) . работает следующим образом. Цилиндрический стержень 5 с обмотками 6 и 7 вводится в испытуемое отверстие 3 печатной платы 4 и устанавливается в нем соосно отверстию так чтобы более короткая обмотка б зани ла среднее вдоль оси отверстия 3 по ложение. По обмотке 7 пропускается переменный ток, который создает переменное магнитное поле вокруг да чика. Это магнитное поле возбуждает вихревые токи в покрытии 2 испытуем го отверстия 3, циркулирукядие вдоль оси отверстия. Частота тока в обмот ке 7 выбирается такой, чтобы глубин проникновения вихревых токов в покрытие 2 отверстия была порядка его толщины, поэтому вихревые токи почт не проникают в периферийные области контактных площадок 25 и 26 отверстия 3, и возможные вариации парамет ров этих площадок практически не вли яют на вихревые токи. В то же время вихревые токи зависят от толщины покрытия 2 отверстия 3 и от наличия в нем продольных и поперечных трещи и других дефектов. Благодаря этому магнитное поле в отверстии и ЭДС, наведенная в обмотке б, зависят от тех же факторов, и датчик 1 может быть применен для измерения толщины покрытия 2 отверстия 3 и для обнаружения в нем дефектов. Вследствие того, что длина самых коротких проводников более корот1 с й обмотки б превышает толщину испытуемой печатной платы 4 более, чем в 1,2 раза, возможные осевые смещения датчика относительно испытуемого отверстия 3 влияют незначительно на сигнал датчика. Датчик в пapa eтpичecкoм вариа.нте выполнения, содержащий только одну обмотку б, может быть включен в резо нансный контур автогенератора, либо резонансного усилителя, либо в моетовую схему, одна диагональ которой подключена к генератору, а другая к измерительному устройству. Все упомянутые включения датчика общеизвестны. По изменению частоты и ампли туды колебаний автогенератора, .по изменению амплитуды выходного напряж ния резонансного усилителя или мосто вой схемы можно судить о параметрах покрытия 2, например о его толщине. Датчик в трансформаторном варианте (фиг. 1) своей возбуждакядей обмот кой 7 подключается к генератору переменного тока (не показан), а измерительной обмоткой б - к измерительному устройству.(не показано). В этом случае амплитуда и фаза напряжения обмотки б несет информацию о параметрах покрытиуг 2, например о его толщине. Датчик 1 с многоелейной обмоткой- (фиг. 2) включается аналогично. Датчик обладает более высокой износоустойчивостью, так как проводники обмоток не выходят на торцовую часть поверхности , и вероятность их повреждения при ударе торца датчика о твердую поверхность в процессе испытаний мала. Другое преимущество датчика состоит, в простоте его выполнения. Расположение проводников обмоток датчика без взаимного пересечения позволяет выполнить обмотки печатными, а применение эластичной диэлектрической подложки дает возможность формировать секции обмоток современными высок опр ои 3 води тель ными мет одами, например методом фотолитографии на плоской подложке, которая затем закрепляется на стержне. Применение метода фотолитографии позволяет получить точное расположение проводников обмоток на подложке при миниатюрных размерах обмоток и датчика, в -целом, диаметр .которого не более 1ММ. Использование многоместных мультиплицированных фотошаблонов позовля ет одновременно изготавливс1ть обмотки групповым способом с оч€;нь малой разницей в геометрических параметрах, Это в свою очередь позволяет получить еще одно преимущество предлагаемого, датчика, которое состоит в малой разнице отдельных экземпляров датчиков . по их электрическим характеристикам, что весьма важно для их взаимозаменяемости. В то же время выполнение обмоток датчика в виде симметричных секций позволяет сохранить чувствительность к поперечным разрывам металлизации отверстия и высокую точность измерения благодаря малой зависимости сигнала датчика от napaiметров контактных площадок испытуемого отверстия, а также благодаря слс1бому влиянию возможных осевых смещений датчика в процессе испытаний. изобретения 1. Вихретоковый датчик .для нераэрушающих испытаний качества электррпроводящих покрытий в отверстиях печатных плат, содержащий цилиндрический сердечник и размещенные на нем-обмотки, рабочие участки проводников которых параллельны оси сердечника, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности испытаний и упрощения технологии изготовления, каждая обмотка выполнена в виде не менее чем одной пары соединенных последовательно согласно секций, расположенных симглетрично одной из продольных.плоскостей симметрии сердечника, в каладой секции рабочие проводники попарно симметричны относительно другой продольной плоскости симметрии сердечника, перпендикулярной первой, и соединены между собой так, что обраэуют на боковой поверхности сердечника спираль.

2.Датчик по П.1, о т л и а ющ и и с я тем, что, он снабжен эластичной диэлектрической подложкой, закрепленной на сердечнике в один слой, а обмотка размещена на одной

из сторон подложки.

3.Датчик по п.2, отличающий с я тем, что секции обмоток размещены также и на второй стороне подложки, а контактные площадки секции одной стороны смещены относительно контактных площадок секций второй стороны вдоль оси сердечника.

4.Датчик по П.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что он снабжен по крайней мере одной эластичной диэлектрической подложкой, закрепленной

на сердечнике в несколько- слоев, а секции обмоток расположены с одной или с двух сторон подложки.

5.Способ изготовления вихретокового датчика по пп.1-4, заключающийс в том, что обмотки фop шpyют методом нанесения интегральных схем, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения технологии изготовления проходных датчиков, обмотку формируют на, 3|ластичной диэлектрической подложке, габариты которой соответствуют габаритам сердечника, после чего закрепляют подложку на сердечнике.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в подложке выполняют отверстия, затем ее металлизируют, секции обмоток формируют с обеих сторон подложки так, чтобы начало и конец пары секций обмотки на внутренней по отношению к стержню стороне подложки соединялись с металлизированным слоем соответствукяцих отверстий, а на другой ее стороне формируют контактные площадки, каждую из которых соединяют с металлизированным слоем соответствуилцего отверстия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Справочник Приборы для неразрущающего контроля материалов и изделий . Кн. 2. М., Машиностроение, 1976, с. 94-95.

2.Авторское свидетельство СССР

563615, кл. G 01 N 27/86, .1978 (пртотип) .

3.Патент США № 3504276, кл. 324-37, 1970 (прототип).

18

f

15

U-.

Г

..

-l

u-/

.2

±