катушка индуктивности электромагнитно-акустического преобразователя

Формула изобретения

Катушка индуктивности ультразвукового преобразователя на плате из диэлектрика, однослойная или многослойная, содержащая одну или несколько секций, отличающаяся тем, что катушка индуктивности, изготовленная вручную или печатным методом, например, из полиимида фольгированного, выполнена в виде двух симметричных эллипсовидных лепестков с шириной рабочей зоны С, удовлетворяющей соотношению 1<С<25 (мм), и длиной рабочей зоны D, удовлетворяющей соотношению 3<D<40 (мм), с количеством витков W, удовлетворяющим соотношению 5<W<100, с шагом t, удовлетворяющим соотношению 0,15<t<1,2 (мм), или в виде правильного многоугольника с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<20 (мм); 2,5<В<25 (мм); 10<W<100; 0,05<t<1,8 (мм),

или в виде двух симметрично расположенных эллипсов с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<25 (мм); 3<D<35 (мм); 10<W<130; 0,15<t<1,8 (мм),

или в виде спаренной эллипсовидной катушки индуктивности с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<30 (мм); 4<D<30 (мм); 10<W<130; 0,15<t<1,8 (мм),

или в виде фигурной многослойной катушки с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<35 (мм); 3<D<35 (мм); 10<W<130; 0,05<t<2,9,

при этом индуктивность L и сопротивление R катушек указанных форм должны соответственно удовлетворять соотношениям:

катушка с эллипсовидными лепестками - 4<L<35 (мкГн); 1,5<R<100 (Ом);

многоугольная катушка - 5<L<35 (мкГн); 1<R<100 (Ом);

катушка в виде двух симметричных эллипсов 6<L<30 (мкГн); 1,5<R<100 (Ом);

спаренная эллипсовидная катушка 4<L<30 (мкГн); 1<R<100 (Ом),

фигурная многослойная катушка 4<L<40 (мкГн); 1,5<R<100 (Ом),

в многослойных катушках витки одного слоя располагаются в зазоре между витками другого слоя без перекрытия, на одной или на противоположных сторонах катушки и соединены последовательно между собой при помощи металлизированных отверстий, а переход из одного слоя в другой выполнен через 2-3 витка, спаренная эллипсовидная катушка индуктивности выполнена из двух автономных секций, расположенных на плате в одной плоскости, или одна под другой на различных сторонах одной платы, с возможностью совместной работы по любому из вышеперечисленных соединений и расположению.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ультразвуковым неразрушающим испытаниям материалов и изделий.

Известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий, по меньшей мере, две катушки индуктивности, расположенные послойно путем наложения одна на другую со сдвигом в направлении обмотки и выполненные одним проводом и уложенных вплотную друг к другу, причем витки секций одной катушки индуктивности располагаются между витками секций другой катушки индуктивности, а торцы загнуты [1].

К недостатку известных катушек относится наличие загнутых концов, не позволяющих разместить их как можно ближе к поверхности концентраторов и трудоемкость изготовления.

Известен электромагнитно-акустический преобразователь ( далее, ЭМАП), снабженный концентраторами и, по меньшей мере тремя плоскими катушками, причем каждая катушка выполнена в виде, по меньшей мере, двух одинаковых, однорядных спиральнообразных обмоток. Соотношение площади описанной вокруг катушки окружности к площади верхнего основания концентратора удовлетворяет соотношению: 3<S_ок/S_вк<40, где S_ок - площадь описанной вокруг катушки окружности; S_вк - площадь верхнего основания концентратора [2].

К недостатку известной катушки индуктивности относится отсутствие указаний на основные конструктивно-технологические и электрические параметры, не позволяющее учесть конструктивные и технологические особенности при изготовлении катушки индуктивности печатным или ручным способом. Этот недостаток на практике приводит к невозможности качественного изготовления катушек индуктивности для ЭМАП.

Целью изобретения является повышение качества катушки индуктивности для ЭМАП за счет определения ее основных конструктивных и электрических параметров в зависимости от формы, диктуемой особенностями характеристик акустического поля в объекте контроля.

Указанная цель достигается тем, что катушка индуктивности ультразвукового преобразователя на плате из диэлектрика, однослойная или многослойная, содержащая одну или несколько секций, изготовленная вручную или печатным методом, например, из полиимида фольгированного, выполнена в виде двух симметричных эллипсовидных лепестков с шириной рабочей зоны С, удовлетворяющей соотношению: 1<С<25 (мм) и длиной рабочей зоны D, удовлетворяющей соотношению: 3<D<40 (мм), с количеством витков W, удовлетворяющим соотношению: 5<W<100, с шагом t, удовлетворяющем соотношению: 0,15<t<1,2 (мм), или в виде правильного многоугольника с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<20(мм); 2,5<D<25(мм); 10<W<100; 0,05<t<1,8 (мм),

или в виде двух симметрично расположенных эллипсов с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<25 (мм); 3<D<35(мм); 10<W<130; 0,15<t<1,8 (мм),

или в виде спаренной эллипсовидной катушки индуктивности с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<30 (мм); 4<D<30 (мм); 10<W<130; 0,15<t<1,8 (мм),

или в виде фигурной многослойной катушки с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<35 (мм); 3<D<35 (мм); 10<W<130; 0,05<t<2,9,

при этом индуктивность L и сопротивление R катушек указанных форм должны соответственно удовлетворять соотношениям:

катушки с эллипсовидными лепестками -	4<L<35 (мкГн); 1,5<R<100 (Ом);
многоугольной катушки -	5<L<35 (мкГн); 1<R<100 (Ом);
катушки в виде двух симметричных
эллипсов	6<L<30 (мкГн); 1,5<R<100 (Ом),
спаренной эллипсовидной катушки	4<L<30 (мкГн); 1<R<100(Ом),
фигурной многослойной катушки	4<L<40 (мкГн); 1,5<R<100 (Ом),

в многослойных катушках витки одного слоя располагаются в зазоре между витками другого слоя без перекрытия, на одной или на противоположных сторонах катушки и соединены последовательно между собой при помощи металлизированных отверстий, а переход из одного слоя в другой выполнен через 2-3 витка, спаренная эллипсовидная катушка индуктивности выполнена из двух автономных секций, расположенных на плате в одной плоскости, или одна под другой на различных сторонах одной платы, с возможностью совместной работы по любому из вышеперечисленных соединений и расположению.

Предлагаемые катушки индуктивности являются основным элементом ЭМАП и предназначены для возбуждения и приема поперечной ультразвуковой волны в объекте контроля. Основные характеристики печатных катушек делятся на две взаимосвязанные группы параметров:

1 - конструкционно-технологические,

2 - электрические.

К конструкционно-технологическим параметрам относятся:

1. Ширина рабочей зоны в мм - С.

2. Длина рабочей зоны в мм - D.

3. Шаг проводников в рабочей зоне катушки в мкм - t.

4. Количество витков - W.

5. Материал основы фольгированного диэлектрика. К электрическим параметром относятся:

1. Индуктивность катушки в мкГн - L.

2. Активное сопротивление катушки в Ом - R.

Важным конструкционным параметром катушки является размер рабочей зоны, определяющий характеристики акустического поля в объекте контроля, тип и размеры выявляемых дефектов, а также зону контроля ЭМАПа. С размером рабочей зоны напрямую связаны такие параметры как шаг t проводников, технологические нормы исполнения, количество витков W. Соответственно от соотношений конструкционно-технологических параметров меняются параметры электрические. Основным электрическим параметром катушки является величина индуктивности. Этот параметр выбирается исходя из рабочей частоты преобразователя, а рабочая частота зависит от характеристик предполагаемого объекта контроля. От длины рабочей зоны D зависит длина зоны контроля ЭМАП. С увеличением длины рабочей зоны увеличивается и ее площадь, уменьшая динамический диапазон ЭМАП, поэтому выбор конструктивного исполнения катушки для каждого конкретного случая является компромиссом между чувствительностью ЭМАП к дефектам и плотностью контроля.

На практике при проектировании катушки на первоначальном этапе задаются размерами рабочей зоны катушки и рабочей частотой, затем выбираются конструкционно-технологические параметры. При проектировании катушки с малыми размерами рабочей зоны для получения необходимых характеристик по количеству витков (от этого параметра зависит эффективность работы катушки на прием и индуктивность) применяют многослойную конструкцию катушек. При таком исполнении витки катушки располагаются в нескольких слоях и соединены последовательно между собой с помощью металлизированных отверстий.

Многослойные катушки имеют определенные особенности исполнения межвитковых переходов и расположения витков в разных слоях по отношению друг к другу:

Для получения малых значений градиента межвиткового напряжения переход на другой слой проводников осуществляют через несколько витков (обычно 2-3 витка).

То есть - в 1 слое выполнены 2 витка, переход через металлизированное отверстие на 2 слой, следующие 2 витка, переход на 1 слой. Таким образом, получаем градиент межвиткового напряжения такой же, как и при расположении витков в однослойной катушке. Конструктивно витки в одном слое катушки располагаются в зазоре между витками другого слоя, без перекрытия.

Также возможно конструктивное исполнение катушек на различных сторонах одной платы. Катушки расположены одна под другой и могут быть иметь как одинаковые, так и различные параметры. Такой способ исполнения обеспечивает возможность использования катушек в нескольких режимах:

1. Раздельный режим - каждая катушка работает независимо.

2. Параллельное включение катушек - обе катушки работают как один элемент.

3. Последовательное включение - обе катушки работают как один элемент.

Также важной особенностью конструктивного исполнения является примененный для изготовления катушки фольгированный диэлектрик. При проявлении при работе ЭМАПа электродинамического эффекта (витки катушки механически взаимодействуют с материалом основы), могут возникнуть в материале основы резонансные колебания, что отражается на РШХ преобразователя. Для устранения этого эффекта применены в качестве основы для изготовления катушки пленочные материалы с наименьшей возможной толщиной и жесткостью - полиимид (ТУ 16-503.208-81 марок ПФ-1, ПФ-2) или лавсан (ТУ 2296-003-11436290-98 МАРКИ ЭЛИФОМ-ЛФР).

На фиг.1 показана катушка индуктивности в виде двух симметричных эллипсовидных лепестков (форма «бабочка»);

на фиг.2 и фиг.3 показаны катушки индуктивности в виде правильных многоугольников;

на фиг.4 показана катушка индуктивности в виде двух симметрично расположенных эллипсов;

на фиг.5 и фиг.6 показаны фигурные многослойные катушки индуктивности;

на фиг.7 показана спаренная эллипсовидная катушка индуктивности.

При выборе конкретных конструктивных и электрических параметров катушки следует руководствоваться следующей общей для всех ее исполнений закономерностью: чем больше площадь рабочей зоны катушки (CD), тем ее динамический диапазон (меньше чувствительность к дефектам с малой площадью отражающей поверхности), соответственно, чем меньше площадь рабочей зоны катушки, тем больше ее динамический диапазон (больше чувствительность к дефектам с малой площадью отражающей поверхности).

Источники информации

1. Патент РФ №2206888. Бюл. №17, 2003.

2. Патент РФ №2219539. Бюл. №35, 2003.