无线超声波传感器制造技术

用于对测试对象(502)进行无损测试的无线超声波传感器(404)，该传感器包括：超声换能器(406)，电耦合至超声换能器的第一感应线圈(408)，与第一感应线圈并联地电耦合的第二感应线圈(414)；其中，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈被布置为使得所述换能器能够被远程设备(504)感应地操作；其中，第二感应线圈的直径大于第一感应线圈的直径。

Wireless ultrasonic sensor

For the test object (502) of ultrasonic nondestructive testing of wireless sensor (404), the sensor includes an ultrasonic transducer (406), the first induction coil is electrically coupled to the transducer (408), and second of the first induction coil induction coil parallel electrically coupled the (414); among them, the first induction coil and the second induction coils are arranged so that the transducer can be remote device (504) induction operation; the second induction coil diameter greater than the diameter of the first induction coil.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无线超声波传感器
本专利技术涉及一种用于无损测试的无线传感器。技术背景无损测试(NDT)被广泛用于各行业，以评价测试对象的特性而不会对测试对象造成损害。测试对象的示例包括复合飞机面板、燃气轮机发动机部件、管道以及压力容器。已知将NDT传感器集成到测试对象从而在测试对象服务期间提供，例如，可靠的可重复测试和/或原位检测。例如，已知将超声波传感器集成在测试对象中或测试对象上。另外，已知提供可以感应耦合至远程设备的无线集成NDT传感器。该感应耦合使得能够以类似于已知的射频识别(RFID)模块的方式从远程设备向集成传感器提供电力。该感应耦合也可以用于将测量信息从集成传感器传回远程设备。然而，本专利技术人已经认识到，在已知的系统中，尤其对于如超声波传感器等在高频率下运行的传感器，感应耦合所需的NDT传感器和远程设备之间的可操作距离或范围受到限制。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种用于对测试对象进行无损测试的无线超声波传感器，所述无线超声波传感器包括：超声换能器；电耦合至所述超声换能器的第一感应线圈；与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器的第二感应线圈；其中，所述第一和第二感应线圈被布置成使换能器能够通过远程设备以其操作频率进行感应操作；其中，所述第二感应线圈的外径大于所述第一感应线圈的外径。在已知的无线NDT传感器中，超声换能器形成包括超声换能器和感应线圈的电感电容(LC)电路的一部分。为操作超声换能器，LC电路的谐振频率应当与超声换能器的操作频率相匹配。对于使用超声换能器的NDT应用，该频率一般在1至10MHz范围内。为针对某给定的超声换能器，向LC电路提供在这个频率范围内的谐振，感应线圈的近似所要求的电感可以通过下式进行估算：其中，fo为换能器所需的操作频率，Cpz为换能器的电容。例如，对于操作频率为5MHz电容为3.5nf的15mm换能器，需要电感约为0.29μΗ的感应线圈。因此，可以看出，这种应用需要具有较低电感的感应线圈。为了提供具有相对低的电感的线圈，已知的是设计具有相对较小的匝数和较小的直径的线圈。对于平面线圈，例如PCB扁平线圈，线圈电感随着匝数和直径的增加而增加。如本领域技术人员将理解的，关于线圈电感的最重要的参数是匝数，其次是影响线圈外径的平均线圈直径。为了达到超声换能器的高频率运行所要求的电感值，感应线圈可典型地具有25mm至50mm之间的平均直径以及1至10之间的匝数。然而，使用具有较小平均直径的感应线圈限制了无线NDT传感器可以通过感应耦合的外部设备来操作的最大距离，因为随着线圈直径的减小，可操作的感应耦合距离减小。最大读取距离可以大致等于线圈的外径。包括与换能器线圈并联耦合的第二感应线圈以及超声换能器使NDT传感器的远程操作范围增加，同时将LC电路的谐振频率保持在操作超声换能器所需的值处。通过包括具有大于第一感应线圈的外径的的外径的第二感应线圈来实现该效果。除了改善无线传感器的远程操作范围之外，使用两个感应线圈也可以改善传感器和远程设备之间的感应耦合的强度，因为两个感应线圈都有助于感应耦合。因此，与单个线圈的设计相比，传感器和远程设备之间的单次传输的信号幅度也可得到增强。所述第二感应线圈的外径可以是第一感应线圈的外径的至少1.1倍大，优选为至少2倍大。所述超声换能器、所述第一感应线圈以及所述第二感应线圈可以以基本上同轴布置的方式安装。所述第一感应线圈和所述第二感应线圈可以安装在基本相同的平面内。这就提供了具有较低轮廓的传感器，其可以被容易地安装在测试对象内。所述第一感应线圈可具有电感，使得所述第一感应线圈与所述超声换能器形成具有与所述超声换能器的最佳操作频率相匹配的谐振频率的电路。所述第一感应线圈的电感可处于0.05μΗ至10μΗ之间。优选地，第一感应线圈的电感可处于0.2μΗ至5μΗ之间。所述第二感应线圈的电感可处于0.1μΗ至20μΗ之间。优选地，第二感应线圈的电感可处于0.2μΗ至5μΗ之间。所述传感器可进一步包括与第一感应线圈并联电耦合至超声换能器的外感应线圈，每个外感应线圈具有大于第一感应线圈的外径的外径。根据本专利技术的第二方面，提供一种生产用于对测试对象进行无损测试的超声波传感器的方法，包括：提供具有第一外径的第一感应线圈；提供具有大于所述第一外径的外径的第二感应线圈；将所述第一感应线圈电耦合至超声换能器；以及将所述第二感应线圈与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器。该方法可包括计算在操作频率下操作超声换能器所要求的电感值的步骤，并且，提供所述第一和第二感应线圈的步骤可以包括：提供具有所要求的电感值的所述第一感应线圈；以及提供具有直径的第二感应线圈，该直径大于第一直径并提供基本上不改变超声波传感器的总电感的电感。该方法通过初始设计具有形成所需频率的谐振电路的电感且独立于第二线圈的第一线圈，以确保超声波传感器的电感针对换能器的操作频率进行优化。然后将直径大于第一线圈的直径的第二线圈以与第一线圈并联的方式添加到电路中，以便增加传感器和远程设备之间可能的远程操作范围而不显著影响超声波传感器电路的总电感。专利技术人已发现，可以将操作范围增加大约2至3倍，而不会对换能器的操作产生不利影响。根据本专利技术的第三方面，提供一种用于对测试对象进行无损测试的无线传感器，所述无线传感器包括：换能器；电耦合至换能器的第一平面感应线圈；与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器的第二平面感应线圈；其中，所述第一和第二感应线圈被布置成使换能器能够通过远程设备以其操作频率进行感应操作；其中，所述第二感应线圈的外径大于所述第一感应线圈的外径。这样可以促成较低轮廓的布置并使NDT传感器的远程操作范围增加。第一方面的选择特征可以以类似的方式应用于第三方面。根据本专利技术的第四方面，提供一种无线无损测试系统，包括：根据第一方面的无线超声传感器以及用于感应式操作无线超声波传感器的检测棒。附图说明现在将参考附图，仅通过示例严格地描述本专利技术的实施例，其中：图1是已知的无线NDT系统的示意图。图2是图1中无线超声波传感器的电路图。图3是图1中无线超声波传感器的简化电路图。图4是无线超声波传感器的示意图。图5是包括图4中的传感器的无线NDT系统的示意图。图6是图4中无线超声波传感器的电路图。图7是根据第二实施例的生产无线超声波传感器的第一种方法的示意图。具体实施方式首先参考图1，已知的无线NDT系统总体显示为100。该NDT系统布置为对测试对象进行测试并且包括嵌入或附着在测试对象102上的无线超声波传感器104以及包括检测棒106的远程设备。无线超声波传感器104包括电耦合至感应线圈110的压电超声换能器108。该感应线圈110使得无线超声波传感器104能够通过感应耦合由检测棒106远程供电。该感应线圈110通过第一连接线112与换能器108的负极连接，并通过第二连接线114与换能器108的正极连接。该感应线圈110和超声换能器108一起形成了具有一定谐振频率的LC电路。使用中，检测棒106被引向传感器104，其在谐振频率下在LC电路中感应出电流。这使得换能器108输出超声波脉冲。超声波脉冲可以反射离开测试对象的表面并且反射信号被换能器108接收，从而在传感器104中产生电流，且该电流可通过感本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于对测试对象进行无损测试的无线超声波传感器，所述传感器包括：超声换能器；电耦合至所述超声换能器的第一感应线圈；与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器的第二感应线圈；其中，所述第一和第二感应线圈被布置成使换能器能够通过远程设备以其操作频率进行感应操作；其中，所述第二感应线圈的外径大于所述第一感应线圈的外径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.22 GB 1510968.91.用于对测试对象进行无损测试的无线超声波传感器，所述传感器包括：超声换能器；电耦合至所述超声换能器的第一感应线圈；与所述第一感应线圈并联地电耦合至所述超声换能器的第二感应线圈；其中，所述第一和第二感应线圈被布置成使换能器能够通过远程设备以其操作频率进行感应操作；其中，所述第二感应线圈的外径大于所述第一感应线圈的外径。2.根据权利要求1所述的无线超声波传感器，其中，所述第二感应线圈的外径是第一感应线圈的外径的至少1.1倍大。3.根据权利要求1或2所述的无线超声波传感器，其中，所述超声换能器、所述第一感应线圈以及所述第二感应线圈以基本上同轴布置的方式安装。4.根据前述任意一项权利要求所述的无线超声波传感器，其中，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈安装在基本相同的平面内。5.根据前述任意一项权利要求所述的无线超声波传感器，其中，所述第一感应线圈具有电感，使得所述第一感应线圈与所述超声换能器形成具有与所述超声换能器的最佳操作频率相匹配的谐振频率的电路。6.根据前述任意一项权...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟成欢，安东尼·克罗克斯福德，保罗·威尔科克斯，
申请(专利权)人：布利斯脱大学，
类型：发明
国别省市：英国,GB