PL225736B1 - Czujnik elektromagnetyczny do badania stanu strukturalnego materiałów przewodzących - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest czujnik elektromagnetyczny do badania stanu strukturalnego materiałów przewodzących, zwłaszcza kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami węglowymi, przeznaczony do pomiaru bardzo dużych powierzchni takich, jak kadłub samolotu.

Znany jest czujnik elektromagnetyczny oparty o zjawisko prądów wirowych. Czujnik taki składa się z dwóch cewek - wykonanych najczęściej z miedzi - nawiniętych na rdzenie magnetyczne. Jedna z cewek podłączona jest do źródła sygnału, a druga - do detektora sygnału. Pojedynczy czujnik składa się z dwóch rdzeni magnetycznych, dwóch uzwojeń, metalowej obudowy i materiału usztywniającego, zapewniającego stałą odległość pomiędzy cewkami np. PTFE.

Jeśli obydwie cewki znajdują się blisko siebie, pojawia się sprzężenie pomiędzy nimi, dzięki polu magnetycznemu indukowanemu w cewce pierwszej, które indukuje prąd w uzwojeniu cewki drugiej. Zbliżenie układu cewek sprzężonych do badanego materiału przewodzącego powoduje zmianę współczynnika sprzężenia, a poziom tego sprzężenia zależy od przewodności właściwej materiału badanego. Jeśli głębokość wnikania pola magnetycznego jest porównywalna, bądź większa od grubości materiału badanego, sprzężenie staje się również zależne od defektów występujących pod powierzchnią materiału badanego, co daje możliwość defektoskopii materiałów przewodzących. Istotą opisanego powyżej czujnika jest wzbudzanie prądów wirowych w wyniku pola magnetycznego prost opadłego do powierzchni materiału przewodzącego. Skuteczność wzbudzania wspomnianych prądów wirowych, a w konsekwencji sprzężenia, zależy zarówno od przewodności właściwej materiału badanego jak i występujących defektów.

Typowy zakres częstotliwości pracy omawianego czujnika zawiera się w przedziale od 100 kHz do 10 MHz. Górne ograniczenie częstotliwości wynika głównie z braku dostępności małostratnych rdzeni magnetycznych oraz problemów z uzyskaniem cewek zwojowych o wymaganej dobroci w zakresie UKF i wyżej. Odległość pomiędzy cewkami czujnika, która wynika z fizyki zastosowanego zjawiska i wynosi ponad 10 mm, ogranicza rozdzielczość metody.

W przypadku realizacji dużej matrycy czujników, składającej się z wielu cewek, niezbędnej do pomiaru bardzo dużych powierzchni takich, jak kadłub samolotu, stanowi wyzwanie konstrukcyjne oraz ekonomiczne. Istnieje wprawdzie możliwość integracji czujników, ale pojawiają się kolejne problemy. Przede wszystkim, matryca czujników jest nieelastyczna co utrudnia dobry docisk do mierzonej powierzchni oraz uniemożliwia jej skuteczne zastosowanie do pomiaru powierzchni zakrzywionych, które są powszechne w zastosowaniach praktycznych, np. konstrukcje samolotów, pojazdów ląd owych, czy śmigła helikopterów. Dodatkowo, należy wspomnieć o problemie z powtarzalnością wykonania nawijanych cewek, co wpływa na wiarygodność detekcji, a w konsekwencji na czułość systemu pomiarowego.

Celem wynalazku jest budowa czujnika pozbawionego tych wad.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że cewki wykonane są w postaci pasków przewodzących naniesionych na podłożu dielektrycznym, a pomiędzy cewkami jest obszar sprzężenia, będący miejscem zbliżenia tych cewek. Cewka pierwsza ma wyprowadzenie podłączone do źródła sygnału, a cewka druga ma wyprowadzenie podłączone do detektora sygnału mocy. Cewka pierwsza ma wyprowadzenie podłączone do źródła sygnału poprzez kabel doprowadzający, a cewka druga ma wyprowadzenie podłączone do detektora mocy poprzez drugi kabel doprowadzający. W yprowadzenia cewki pierwszej są wykonane po przeciwnej stronie podłoża dielektrycznego, niż wyprowadzenia cewki drugiej. Połączenie wyprowadzenia z cewką wykonane jest za pomocą przelotki.

Rozwiązanie według wynalazku charakteryzuje się łatwą kontrolą powtarzalności wykonania czujników, prostą, masową technologią zwłaszcza druku PCB - precyzja to +/- 40 pm, jest naturalna możliwość integracji matrycy czujników na jednym podłożu, skrócenie całkowitego czasu pomiaru dużych powierzchni kompozytów przewodzących, ma wyższy zakres częstotliwości pracy, możliwość charakteryzacji zakrzywionych powierzchni, a także większą rozdzielczość pomiaru.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia czujnik w rzucie perspektywicznym, fig. 2 przedstawia ten czujnik w widoku z góry, a fig. 3 - czujnik na badanym materiale przewodzącym w widoku z boku.

Czujnik ten wykonany jest na cienkim elastycznym podłożu dielektrycznym 1, powszechnie stosowanym w elektronice, np. FR4, czy PTFE. Czujnik składa się z cewki pierwszej 2 oraz cewki drugiej 3 wykonanych w postaci pasków przewodzących naniesionych na podłoże dielektryczne 1. Cewki 2, 3 mają wyprowadzenia 10, 11 na dwóch stronach podłoża dielektrycznego 1. Koniec uzwojenia cewek

PL 225 736 B1

2, 3 połączony jest z wyprowadzeniem 10 po drugiej stronie podłoża dielektrycznego 1 przez przelotki 5.

Cewka pierwsza 2 ma wyprowadzenie 10 podłączone do źródła sygnału poprzez kabel doprowadzający 6, a cewka druga 3 ma wyprowadzenie 10 podłączone do detektora sygnału mocy poprzez kabel doprowadzający 7.

Prąd płynący w cewce pierwszej 2 indukuje pole magnetyczne wokół paska przewodzącego. W obszarze sprzężenia 4, będącym miejscem zbliżenia obydwu cewek 2, 3, dochodzi do indukowania się prądu w cewce drugiej 3 w wyniku wspomnianego pola magnetycznego. W konsekwencji, detektor podłączony do wyjścia cewki drugiej 3 zarejestruje pewien poziom mocy zależny od poziomu sprzężenia pomiędzy cewkami.

Jeśli czujnik 8 zostanie zbliżony do badanego materiału przewodzącego 9, zaindukowany zostanie w nim prąd strat płynący w tym samym kierunku, co prąd płynący w cewce 2. Wspomniany prąd strat będzie miał zatem wpływ na zmianę poziomu sprzężenia pomiędzy cewkami czujnika 8. Ze względu na planarną budowę cewki, dominującą rolę w sprzężeniu pełni pole magnetyczne styczne do powierzchni podłoża dielektrycznego 1, które indukuje prąd strat. W konsekwencji, prądy wirowe, będące podstawą działania znanego czujnika nie są istotne dla działania czujnika 8.

Obszarem sprzężenia 4 jest niewielki obszar otaczający powierzchnię separującą obydwie cewki 2, 3. W konsekwencji, wszelkie zmiany własności materiału przewodzącego 9 zbliżonego do czujnika 8 będą miały wpływ na sprzężenie głównie wtedy, gdy zlokalizowane będą w obszarze sprzężenia 3. Daje to możliwość detekcji defektów występujących w badanym materiale przewodzącym 9. Defekty znajdujące się poza obszarem sprzężenia 4 nie mają istotnego wpływu na sprzężenie, co determinuje rozdzielczość pomiarową czujnika 8. Mogą to być zarówno defekty powierzchniowe, jak i defekty wewnętrzne. Warunkiem detekcji defektów wewnętrznych jest praca czujnika 8 na częstotliwości, dla której głębokość wnikania pola magnetycznego w badany materiał przewodzący 9 jest porównywalna z jego grubością. Występujące defekty prowadzą do zaburzenia linii prądu strat indukowanych w materiale badanym 9, co stanowi o zmianach sprzężenia pomiędzy cewkami.

Gdyby sprzężenie było głównie elektryczne, przewodność elektryczna badanego materiału 9 skutecznie ekranowałaby pole elektryczne indukowane pomiędzy cewką a badanym materiałem przewodzącym 9, uniemożliwiając detekcję defektów zagrzebanych pod powierzchnią. Z uwagi na fakt, że sprzężenie pomiędzy cewkami jest głównie magnetyczne, skuteczność penetracji badanego materiału przewodzącego jest znacznie większa.

Aby uzyskać maksymalną wrażliwość sprzężenia na defekty zagrzebane we wnętrzu badanego przewodzącego materiału kompozytowego, a jednocześnie ograniczyć wrażliwość na parametry podłoża metalowego, na którym umieszczony jest kompozyt istotne jest, aby głębokość wnikania fali była porównywalna z grubością badanego kompozytu. W przypadku kompozytów węglowych o typowej grubości h > 1 mm, których konduktywność elektryczna wynosi ponad σ = 10 000 S/m, głębokość wnikania wynosi d_p = 1 mm na częstotliwości około f = 25 MHz. W praktyce można zauważyć, że maksymalna czułość na takie rodzaje defektów, jak dziury, rozwarstwienie, czy pęknięcia, zawiera się w zakresie 10-200 MHz.

Matrycę czujników można wykonać na elastycznym laminacie np. PTFE, dzięki czemu można w łatwy sposób docisnąć matrycę do badanej powierzchni. Przykładem zastosowania jest pokrycie kompozytowe statków powietrznych, które w naturalny sposób posiada profil wypukły. Sprzężenie pomiędzy cewkami czujnika jest czułe na defekty znajdujące się dokładnie w obszarze sprzężenia 4, który obejmuje bardzo mały obszar rzędu 0.5 mm x 4 mm.

Szczególnym zastosowaniem czujnika 8 jest defektoskopia materiałów kompozytowych wykonanych z wielu warstw przeplatanych włókien węglowych utwardzonych materiałem polimerowym. W materiałach tego typu może dochodzić do takich trudno wykrywalnych uszkodzeń warstw wewnętrznych, jak pęknięcia włókien, dziury, czy rozwarstwienie. Czujnik 8 umożliwia wykrycie wspomnianych defektów. Jest to możliwe, jeśli głębokość wnikania fali elektromagnetycznej, porównywalna jest z grubością materiału. W takim przypadku, wrażliwość na defekty zagrzebane pod powierzchnią zależy od ich głębokości występowania w stosunku do głębokości wnikania fali elektromagnetycznej, która jest proporcjonalna do pierwiastka długości fali. Daje to zatem możliwość estymacji głębokości występowania defektów pod powierzchnią.

PL 225 736 B1

Zastrzeżenia patentowe

1. Czujnik elektromagnetyczny do badania stanu strukturalnego materiałów przewodzących,

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Czujnik elektromagnetyczny do badania stanu strukturalnego materiałów przewodzących, zwłaszcza kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami węglowymi, zawierający co najmniej jeden zestaw dwóch cewek sprzężonych magnetycznie, z których jedna podłączona jest do źródła sygnału, a druga podłączona jest do detektora sygnału, znamienny tym, że cewki (2, 3) wykonane są w postaci pasków przewodzących naniesionych na podłożu dielektrycznym (1) a pomiędzy cewkami (2, 3) jest obszar sprzężenia (4), będący miejscem zbliżenia tych cewek (2, 3).
2. 2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że cewka pierwsza (2) ma wyprowadzenie (10) podłączone do źródła sygnału, a cewka druga (3) ma wyprowadzenie (10) podłączone do detektora sygnału mocy.
3. 3. Czujnik według zastrz. 2, znamienny tym, że cewka pierwsza (2) ma wyprowadzenie (10) podłączone do źródła sygnału poprzez kabel doprowadzający (6), a cewka druga (3) ma wyprowadzenie (10) podłączone do detektora mocy poprzez drugi kabel doprowadzający (7).
4. 4. Czujnik według zastrz. 1 albo 2 albo zastrz. 3, znamienny tym, że cewka pierwsza (2) ma wyprowadzenia (10) wykonane po przeciwnej stronie podłoża dielektrycznego (1), niż wyprowadzenia (11) cewki drugiej (3).
5. 5. Czujnik według zastrz. 5, znamienny tym, że połączenie wyprowadzenia (10) z cewką (2, 3) wykonane jest za pomocą przelotki (5).