Вихретоковый датчик для неразрушающих испытаний и способ его изготовления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских Социалистических

Республик

<1>987508 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 050880 (21) 2951901/25-28 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Р М К з

6 01 И 27/90

G;01 В 7/06

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 07.01.83. Бюллетень ¹ 1 (%3) УДК 620 ° 179. .142.5.6 (088.8) Дата опубликования описания 070133 (72) Авторы изобретения

В В СУхоРУков В Ч Аннапольский В Г Герасимов

N.N. Живаев, Л.Е. Минят, Д.Б. Соломахин и Ю.N. Улитин

"i - ".. з ! с

I.

Московский ордена Ленина и ордена О тябрьокой

Революции энергетический институт 1 с ! (71) Заявитель (54) BHXPETQKOBLIA ДАТЧИК ДЛЯ НЕРАЗРУМАЮЩИХ

ИС ЫТАНИЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к средствам, нераэрущающих испытаний и может использоваться при контроле качества электропроводящего покрытия в отверстиях печатных плат.

Известны вихретоковые внутренние проходные датчики для неразрушающего контроля качества внутренней поверхности полых электропроводящих объектов, представляющие собой цилиндрический каркас с охватывающими его коаксиально одной или несколькими обмотками, размещаемый внутри отверстия исследуемого объекта (1 ).

Недостатки данных датчиков состоят в резкой зависимости его сигналов от размеров и формы контактных площадок печатных плат.

Наиболее близким по технической ,сущности к-изобретению является вихретоковый датчик для неразрушающих испытаний качества электропроводяцнх покрытий в отверстиях печатных плат, содержащий цилиндрический сердечник и размев,енные на нем обмотки, рабочие участки проводников которых параллельны оси сердечника. Известный датчик вводят в испытуемое отверстие так, чтобы стержень с обмотками был соосен отверстин . Длины обмоток по крайней мере в 1,2 раза больше толщины печатной платы. Этот датчик изготовлен намоткой изолированным проводом (2 1.

Недостатки известного датчика заключаются в трудности выполнения намотки под микроскопом и в низкой повторяемости электрических параметров датчиков из-за невозможности получения необходимой точности размещения проводников обмоток датчиков на каркасе.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления вихретокового датчика, заключающийся в том, что обмотки 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 малыми

987508 размерами, в значительной мере определяются недостатками его конструкции.

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, 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 образуют на боковой поверхности сердечника спираль.

A также тем, что датчик снабжен эластичной диэлектрической подложкой, закрепленной на сердечнике в 20 один слой, а обмотка размещена на одной из сторон подложки.

Секции обмотки могут быть размещены также и на второй стороне подложки, а контактные площадки секций 25 одной стороны смещены относительно контактных площадок секций второи стороны вдоль оси сердечника.

Кроме того, вихретоковый датчик может быть снабжен по крайней мере 30 одной эластичной диэлектрической подложкой, закрепленной на сердечнике в несколько слоев, а секции обмоток расположены с одной или с двух сторон подложки. 35

Кроме того, с целью упрощения технологии изготовления проходных датчиков, обмотку формируют на эластичной диэлектрической подложке, габариты которой соответствуют габаритам 40 сердечника, после чего закрепляют подложку на сердечнике.

При этом в подложке выполняют от"i верстия, затем ее металлизируют, секции обмоток формируют с обеих сто-45 рон подложки так, чтобы начало и конец пары секций обмотки на внутренней по отношению к стержню стороне подложки соединялись с металлизированным слоем соответствующих отверстий, а на другой ее стороне формируют контактные площадки, каждую из которых соединяют с металлизированным слоем соответствующего отверстия.

На фиг. 1 представлен вихретоковый датчик в испытуемом отверстии печатной платы; на фиг. 2 — датчик с многослойной обмоткой, выполненной на одной эластичной диэлектрической подложке, поперечное сечение; на фиг. 3 - плоская подложка из элас- .60 тичного диэлектрика с расположенными на обеих ее сторонах обмотками; на фиг. 4 — разрез A-A на фиг. 3.

Вихретоковый датчик 1 (фиг. 1) для неразрушающих испытаний качест- 65 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 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 секций 12, 13 и 14, 15 соответственно расположенных симметрично относительно одной из продольных плоскостей симметрии X o z öèëè íäðè÷åñêoão сердечника 5. B 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 Y0Z . 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 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 б 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 8 и 10, 9 и 11 абмоток б и 7 соответственно целесообразно располагать друг против друга на противоположных сторонах подложки 16.

Если датчик содержит одну обмотку б, то она размещается на внешней по отношению 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 к

987508 сердечнику 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 смещены относительно друг друга вдоль оси Z сердечника так, чтобы они не накладывались одна на другую. Для этого обмотка 6 на внешней стороне подложки 16 короче обмоток 7 на внутренней стороне подложки. То хе относится к контактным площадкам и длинам обмоток секций 13 и 15. При этом 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, размещенными 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, закреплена подложка 16 с расположенными на ней проводниками 9, 10 обмоток..Соединения обмоток, расположенных в слоях, осуществляются через металлизированные отверстия в подложке 16 (фиг. 1).

Возможен еще один вариант датчика, в котором пары секций обглоток смецены одна относительно другой на некоторый угол вокруг оси стержня.

Такой вариант датчика удобно осуществить применением глногослойной обмотки. При этом пара секций обмотки следующего слоя повернута на некоторый угол относительно пары секций предыдуг-;его слоя. Этим достигается более равномерная чувствительность

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 гложет быть выполнен в виде стержня с несколькими, закрепленныгли одна на другой, подложками, на каждой из которых нанесены проводники обмоток. датчика по его окружности. Описанные конструкции датчика изготавливают следующим образом.

На плоской подложке 16 из эластичного диэлектрического материала, габариты которой соответствуют габаритам сердечника 5, форглируют, нагример, методом фотолитографии секции

12, 13, 14, 15 сигялетрично расположенных обмоток 6 и 7 (фиг. 3) . Mupu)0 на г подложки 16 должна быть равна длине окружности цилиндрического сердечника 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 долхна быть соответственно увеличена, а число пар .секций обглоток 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 самым упростить технологиго изготовления датчика и повысить точность разглеров обмоток. Целесообразно с помощью многоместного мультиплицированного фотошаблона формировать на одном листе подложки сразу несколько пар секций обмоток, а затем разрезать подложку B соответствии с требуемыми размерами.

З5 Дпя соединения обмоток, расположенных с внутренней по отноглению к стержню 5 стороны подложки 16, к контактным площадкам 18 на внешней стороне подложки 16 в ней вначале

40 выполняют отверстия 21, затем подложку металлизируют, например, методогл вакуумного напыления металла.

При этом глеталл, например медь, осаждается на стенках отверстий 21, образуя переходной глеталлизированйый слой 24 и на остальной поверхности подложки 16. Затеи, пригленяя 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 плоцадками 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 следукщигл образогл.

Цилиндрический стержень 5 с обмотками 6 и 7 вводится в испытуемое от65 верстие 3 печатной платы 4 и устанав987508

15

30

Формула изобретения

60

65 ливается в нем соосно отверстию так, чтобы более короткая обмотка б занимала среднее вдоль оси отверстия 3 положение. По обмотке 7 пропускается переменный ток, который создает переменное магнитное поле вокруг датчика. Это магнитное поле возбуждает вихревые токи в покрытии 2 испытуемого отверстия 3, циркулирующие вдоль оси отверстия. Частота тока в обмотке 7 выбирается такой, чтобы глубина проникновения вихревых токов в покрытие 2 отверстия была порядка его толщины, поэтому вихревые токи почти не проникают в периферийные области контактных площадок 25 и 26 отверстия 3, и возможные вариации параметров этих площадок практически не влияют на вихревые токи. В то же время вихревые токи зависят от толщины покрытия 2 отверстия 3 и от наличия в нем продольных и поперечных трещин и других дефектов. Благодаря этому магнитное поле в отверстии и ЭДС, наведенная в обмотке б, зависят от тех же факторов, и датчик 1 может бить применен для измерения толщины покрытия 2 отверстия 3 и для обнаружения в нем дефектов, Вследствие того, что длина самых коротких проводников более коротг<ой обмотки б превышает толщину испытуемой печатной платы 4 более, чем в

1,2 раза, возможные осевые смещения датчика относительно испытуемого отверстия 3 влияют незначительно насигнал датчика.

Датчик в параметрическом варианте выполнения, 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 ампли- 45 туды колебаний автогенератора,,по 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 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 высокопроизводительными методами, например методом фотолитографии на плоской подложке, которая затем закрепляется на стерх<не.

Применение метода фотолитографии позволяет получить точное расположение проводников обмоток на подложке при миниатюрных размерах обмоток и датчика.в .целом, диаметр .которого не более 1 мм.

Использование многоместных мультиплицированных фотошаблонов позовляет одновременно изготавливать обмотки групповым способом с очень 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 ме- таллизации отверстия и высокую точность измерения благодаря малой зависимости 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 электропроводящих покрытий в отверстиях печатных плат, содержащий цилиндрический сердечник и размещенные на нем обмотки, рабочие участки проводников которых параллельны оси сердечника, отличающийся 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 обра987508

10 эуют на боковой поверхности сердечника спираль.

2. Датчик по п.1, о т л и н а ю шийся 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— шийся 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 шийся тем, что он снабжен по крайней мере одной эластичной диэлектрической подложкой, закрепленной на сердечнике в несколько. слоев, а секции обмоток расположены с одной 2О 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 шийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления проходных датчиков, обмотку формируют на, эластичной диэлектрической подложке, габариты которой соответствуют габаритам сердечника, после чего закрепляют подложку на сердечнике.

6. Способ о п.5, о т л и ч а юшийся тем, что в подложке выполняют отверстия, затем ее металлиэируют, 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 соответствующих отверстий, а на другой ее стороне формируют контактные площадки, каждую из которых соединяют с металлиэированным слоем соответствующего отверстия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Справочник "Приборы для нераэрущающего контроля материалов и изделий". Кн. 2. М., "Иашиностроение", 1976, с. 94-95.

2. Авторское свидетельство СССР

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

3. Патент CLlA 9 3504276, кл. 324-37, 1970 (прототип).