Вихретоковый датчик для неразрушающих испытаний и способ его изготовления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистических Республик(22) Заявлено 050880 (21) 2951901/25-28с присоединением заявки Нов(23) Приоритет -И 1 М Кп з О 01 И 27/90 6,01 В 7/06 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытийОпубликовано 07.01.83, Бюллетень Ко 1 3) УДК 620. 179. .142.5.6 (088.8) Дата опубликования описания 070133 72) Авторыизобретения В,В, Сухоруков, В.Д. Аннапольский, В.Г, Герасимов,М.М. Живаев, Л.Е, Минят, Д.Б. Сологлахини Ю.М. Улитинг" "- ",.. ;, ,Московский ордена Ленина и ордена О тябрьокойРеволюции энергетический институтг(54) ВИХРЕТОКОВЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ НЕРАЗРУЮАЮЩИХ ИСГЫТАНИЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Изобретение относится к средствам,неразрущающих испытаний и может использоваться при контроле качестваэлектропроводящего покрытия в отверстиях печатных плат,Известны вихретоковые внутренниепроходные датчикидля неразрушающегоконтроля качества внутренней поверхности полых электропроводящих объектов, представляющие собой цилиндрический каркас с охватывающими его ко"аксиально одной или несколькими обмотками, разглещаемый внутри отверстияисследуемого объекта 1 .Недостатки данных датчиков состоят в резкой зависимости его сигналовот размеров и формы контактных площадок печатных плат.Наиболее близким по технической,сущности к-изобретению является вихретоковый датчик для неразрушающихиспытаний качества электропроводяцнхпокрытий в отверстиях печатных плат,содержасий цилиндрический сердечники размещенные на нем обмотки, рабочие участки проводников которых параллельны оси сердечника. Известныйдатчик вводят в испытуемое отверстиетак, чтобы стержень с обмотками былсоосен отверстин. Длины обмоток по крайней мере в 1,2 раза больше толщины печатной платы, Этот датчикизготовлен намоткой изолированнымпроводом 2 1.Недостатки известного датчика заключаются в трудности выполнения намотки под микроскопом и в низкойповторяеглости электрических параметров датчиков из-за невозможностиполучения необходимой точности размещения проводников обмоток датчиковна каркасе.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления вихретокового датчика, заключающийся в том, что обглотки формируют методом нанесения интегральных схем 3 .Этот способ практически не может быть применен для реализации датчиков с проводниками, расположенными на поверхности цилиндрического каркаса вдоль его оси, поскольку возникают серьезные трудности получения рисунка проводников на цилиндрической поверхности каркаса малого радиуса и трудности соединения проводников через торцовые части каркаса.Указанные трудности изготовления датчика, обусловленные его малымиразмерами, в значительной мере определяются недостатками его конструкции,Цель изобретения - повышение надежности испытаний и упрощение технологии изготовления.Указанная цель достигается тем,что в вихретоковом датчике каждаяобмотка выполнена в виде не менеечем одной пары соединенных последовательно согласно секций, расположенных симметрично одной из продольныхплоскостей симметрии сердечника, вкаждой секции рабочие проводникипопарно симметричны относительнодругой продольной плоскости симметрии сердечника, перпендикулярнойпервой, и соединены между собой так,что образуют на боковой поверхностисердечника спираль,Л также тем, что датчик снабженэластичной диэлектрической подложкой, закрепленной на сердечнике в 20один слой, а обмотка размещена наодной из сторон подложки.Секции обмотки могут быть размещены также и на второй стороне подложки, а контактные площадки секций 25одной стороны смещены относительноконтактных площадок секций второистороны вдоль оси сердечника,Кроме того, вихретоковый датчикможет быть снабжен по крайней мере ЗОодной эластичной диэлектрическойподложкой, закрепленной на сердечнике в несколько слоев, а секции обмоток расположены с одной или с двухсторон подложки, 35Кроме того, с целью упрощения технологии изготовления проходных датчиков, обмотку формируют на эластичной диэлектрической подложке, габариты которой соответствуют габаритам 4 рсердечника, после чего закрепляютподложку на сердечнике.При этом в подложке выполняют от"верстия, затем ее металлизируют,секции обмоток формируют с обеих сто рон подложки так, чтобы начало и конец пары секций обмотки на внутренней по отношению к стержню сторонеподложки соединялись с металлизированным слоем соответствующих отверстий, а на другой ее стороне формируют контактные площадки, каждую изкоторых соединяют с металлизированным слоем соответствующего отверстия.На фиг. 1 представлен вихретоковый датчик в испытуемом отверстиипечатной платы; на фиг. 2 - датчикс многослойной обмоткой, выполненнойна одной эластичной диэлектрическойподложке, поперечное сечение; нафиг. 3 - плоская подложка из элас- .60тичного диэлектрика с расположеннымина обеих ее сторонах обмотками; нафиг. 4 - разрез А-Л на фиг. 3.Вихретоковый датчик 1 (фиг. 1)для неразрушающих испытаний качест ва 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 Е 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 секций 12 13 и 14, 15 соответственно расположенных симметрично относительно одной из продольных плоскостей симметрии Х О Хцилиндрического сердечника 5. В каждой из секций 12, 13, 14, 15 проводники 8 и 9, 10 и 11 расположены попарно симметрично относительно другой продольной плоскости симметрии. сердечника 5, перпендикулярной плоскости МОЕ . 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 частоты (не показан) и служит для возбуждения вихревых токов в электропроводящем покрытии 2 отверстия 3 печат ной платы 4. Обмотка б предназначЕ- на 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 б и 7 датчика расположены на противоположных сторонахэластичной диэлектрической подложки 16, закрепляемой на сердечнике 5,например, с помощью клея. При этомсердечник предварительно покрываюттонким диэлектрическим слоем, чтобыизбежать замыкания витков внутреннейпо отношению к сердечнику 5 обмотки 7. Проводники 8 и 10, 9 и 11 обмоток б и 7 соответственно целесообразно располагать друг против друга напротивоположных сторонах подложки 16. Если датчик содержит одну обмотку б,то она размещается на внешней поотношению к сердечнику 5 стороне подложки 16.Для подключения обмоток б 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 ксердечнику 5 поверхности подложки 16 соединена с проводником 11 через отверстие 21 в подложке 16. Соединение может быть осуществлено слоем металлизации, осажденным на стенках отверстия 21 и соединяющиглся с контактной площадкой 18 и проводником 11 обмотки 7 через контактную плоцадку 22 на внутренней по отношению к стержню 5 стороне подложки 16.Контактные площадки 17 и 18, 22 смецены относительно друг друга вдоль оси 2 сердечника так, чтобы они не накладывались одна на другую. Для этого обмотка б на внешней стороне подложки 16 короче обмоток 7 на внутренней стороне подложки. То же относится к контактным площадкам и длинам обмоток секций 13 и 15. При этом длина самого короткого проводника 9 более короткой обмотки б должна превышать по крайней мере в 1,2 раза толщину печатной платы 4.Возможен вариант выполнения датчика с обмотками, размещенными на подложке в несколько электрически изолированных друг от друга слоев (фиг. 2). На сердечнике 5, покрытом изоляционным слоем 23, спиральнов несколько слоев, например в четыре, закреплена подложка 16 с расположенными на ней проводниками 9, 10 обмотокСоединения обмоток, расположенных в слоях, осуществляются через металлизированные отверстия в подложке 16 (фиг. 1).Датчик 1 с многослойной обмоткой (фиг. 2) может быть выполнен в параметрическом варианте с одной обмоткой, содержащей несколько пар последовательно соединенных секций. Этот же датчик может быть выполнен в трансформаторном варианте с двумя обмотками, возбуждающей и измерительной, каждая из которых содержит несколько пар последовательно соединенных секций.Другой вариант датчика с многослойным размецением обмоток может быть выполнен в виде стержня с несколькими, закрепленныгли одна на другой, подложками, на каждой из которых нанесены проводники обмоток,Возможен еще один вариант датчика, в котором пары секций обмоток смецены одна относительно другой на некоторый угол вокруг оси стержня. Такой вариант датчика удобно осуществить приг 1 енением многослойной обмотки. При этом пара секций обмотки следующего слоя повернута на некоторый угол относительно пары секций предыдуг,его слоя. Этим достигается более равномерная чувствительность датчика по его окружности. Описанныеконструкции датчика изготавливаютследующим образом.На плоской подложке 16 из эластичного диэлектрического материала,5 габариты которой соответствуют габаритам сердечника 5, форглируют, например, методом фотолитографиисекции12, 13, 14, 15 сииглетрично расположенных обмоток 6 и 7 (фиг. 3). Мири 0 на г подложки 16 должна быть равнадлине окружности цилиндрическогосердечника 5, покрытого изоляционным слоем 23 (фиг. 2), при однослойном размецении подложки 16 на сердечнике 5. Если подложка закрепляется на сердечнике в несколько слоев,то ширина в подложке 16 должна бытьсоответственно увеличена, а числопар .секций обглоток на подложке 16должно быть равно числу слоев. Формирование обмоток на плоской подложке с последующим закреплением подложки на сердечнике позволяет избежать трудностей непосредственногоформирования обмоток на цилиндрической поверхности весьма малого диаметра и,тем самым упростить технологигоизготовления датчика и повысить точность разглеров обмоток. Целесообразно с помощью многоместного мультиплицированного фотошаблона формировать на одном листе подложки сразунесколько пар секций обмоток, а затем разрезать подложку в соответствии с требуемыми размерами.35 Дпя соединения обмоток, расположенных с внутренней по отношениюк стержню 5 стороны подложки 16,к контактным площадкам 18 на внешнейстороне подложки 16 в ней вначале40 выполняют отверстия 21, затем подложку металлизируют, например, методом вакуумного напыления металла.При этом глеталл, например медь,осаждается на стенках отверстий 21,45 образуя переходной глеталлизированныйслой 24 и на остальной поверхностиподложки 16. Затеи, пригленяя методфотолитографии, формируют обмоткис обеих сторон подложки так, чтобыконтактные плоцадки 22, расположенные на внутренней по отношению кстержню 5 стороне подложки, соединялись с металлизированными слоями 24отверстий 21, а металлизированныйслой 24, в свою очередь, соединялсяс контактными плоцадками 18,К контактным площадкам 17 и 18 подсоединяют гибкие проводники 19 и 20соответственно, с помощью которыхдатчик включается в соответствующие60 электрические цепи.Вихретоковый датчик 1 (фиг, 1) .работает следукщигл образогл.Цилиндрический стержень 5 с обмотками б и 7 вводится в испытуемое от 65 верстие 3 печатной платы 4 и устанав987508 10 15 20 ЗО 40 Формула изобретения 50 60 65 ливается в нем соосно отверстию так,чтобы более короткая обмотка б занимала среднее вдоль оси отверстия 3 положение. По обмотке 7 пропускаетсяпеременный ток, который создает переменное магнитное поле вокруг датчика. Это магнитное поле возбуждает вихревые токи в покрытии 2 испытуемого отверстия 3, циркулирующие вдольоси отверстия. Частота тока в обмотке 7 выбирается такой, чтобы глубина проникновения вихревых токов в покрытие 2 отверстия была порядка еготолщины, поэтому вихревые токи почти не проникают в периферийные областиконтактных площадок 25 и 26 отверстия 3, и возможные вариации параметров этих плоцадок практически не влияют на вихревые токи. В то же времявихревые токи зависят от толщиныпокрытия 2 отверстия 3 и от наличия в нем продольных и поперечных трещин и других дефектов. Благодаря этомумагнитное поле в отверстии и ЭДС,наведенная в обмотке б, зависят оттех же факторов, и датчик 1 можетбить применен для измерения толщиныпокрытия 2 отверстия 3 и для обнаружения в нем дефектов,Вследствие того, что длина самыхкоротких проводников более короткойобмотки б превышает толщину испытуемой печатной платы 4 более, чем в1,2 раза, возможные осевые смещениядатчика относительно испытуемогоотверстия 3 влияют незначительно на .сигнал датчика.Датчик в параметрическом вариантевыполнения, содержащий только одну обмотку 6, может быть включен в резонансный контур автогенератора, либо резонансного усилителя, либо в мостовую схему, одна диагональ которой подключена к генератору, а другая - к измерительному устройству. Все упомянутые включения датчика общеизвестны. По изменению частоты и амплитуды колебаний автогенераторапо изменению амплитуды выходного напряжения резонансного усилителя или мостовой схемы можно судить о параметрах покрытия 2, например о его толщине.Датчик в трансформаторном варианте (фиг. 1) своей возбуждающей обмоткой 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 покрытия 2, например о его толщине. Датчик 1 с многослойной обмоткой. (фиг, 2) включается аналогично.Датчик обладает более высокой износоустойчивостью, так как проводники обмоток не выходят на торцовую часть поверхности стержня, и вероятность их повреждения при ударе торца датчика о твердую поверхность впроцессе испытаний мала,Другое преимуцество датчика состоит в простоте его выполнения. Расположение проводников обмоток датчика без взаимного пересечения позволяет выполнить обмотки печатными, априменение эластичной диэлектрической подложки дает возможность формировать секции обмоток современнымивысокопроизводительными методами,например методом фотолитографии наплоской подложке, которая затем закрепляется на стержне.Применение метода фотолитографиипозволяет получить точное расположение проводников обмоток на подложкепри миниатюрных размерах обмоток идатчика.в целом, диаметр .которого неболее 1 мм.Использование многоместных мультиплицированных фотошаблонов позовляет одновременно изготавливать обмотки групповым способом с очень малойразницей в геометрических параметрах,Это в свою очередь позволяет получитьеще одно преимущество предлагаемогодатчика, которое состоит в малой разнице отдельных экземпляров датчиков .по их электрическим характеристикам,что весьма важно для их взаимозаменяемости. В то же время выполнениеобмоток датчика в виде симметричныхсекций позволяет сохранить чувствительность к поперечным разрывам ме-таллизации отверстия и высокую точностьизмерения благодаря малойзависимости сигнала датчика от параметров контактных площадок испытуемого отверстия, а также благодаря слабому влиянию возможных осевых смещений датчика в процессе испытаний. 1. Вихретоковый датчик для неразрушающих испытаний качества электропроводяцих покрытий в отверстиях печатных плат, содержащий цилиндрический сердечник и размещенные на нем обмотки, рабочие участки проводников которых параллельны оси сердечника, о т л и ч а ю щ и й с я тегл, что, с целью повышения надежности испытаний и упрощения технологии изготовления, каждая обмотка выполнена в вида не менее чем одной нары соединенных последовательно согласно секций, расположенных симметрично 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 обра10 987508 иг эуют на боковой поверхности сердечника спираль.2. Датчик по п.1, о т л и на ющ и й с я тем, что, он снабжен эластичной дйэлектрической подложкой, закрепленной на сердечнике в один слой, а обмотка. размещена на одной из сторон подложки.3. Датчик по п.2, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что секции обмоток размещены также и на второй стороне 10 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 - 15 щ и й 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 2 О или с двух сторон подложки.5. Способ изготовления вихретокового датчика по пп.1-4, заключающийся в том, что обмотки Формируют методом нанесения интегральных схем, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения технологии изготовления проходных датчиков, обмотку формируют на, эластичной диэлектрическойподложке, габариты которой соответствуют габаритам сердечника, после чего закрепляют подложку на сердечнике.6. Способ по п.5, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в подложке выполняют отверстия, затем ее металлиэируют, секции обмоток формируют с обеихсторон подложки так, чтобы начало иконец пары секций обмотки на внутренней по отношению к стержню сторонеподложки соединялись с металлизированным слоем соответствующих отверстий, а на другой ее стороне формируют контактные площадки, каждую из которых соединяют с металлиэированнымслоем соответствующего отверстия.источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Справочник 1 Приборы для нераэрущающего контроля материалов и изделий". Кн. 2. М., "Иашиностроение",1976, с. 94-95.2. Авторское свидетельство СССРР 563615, кл. О 01 й 27/86, .1978 (прототип).3. Патент СНА Р 3504276,кл. 324-37, 1970 (прототип).