基于GMR傳感器的無損探測系統(tǒng)的設(shè)計

劉建文 ，錢正洪，白 茹，朱禮堯

(杭州電子科技大學(xué)磁電子中心，浙江杭州 310018)

1 基本原理

1．1 渦流檢測基本原理

渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的一種無損探測方法，適用于導(dǎo)電材料。把一塊導(dǎo)體置于交變磁場之中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理可知導(dǎo)體中就有感應(yīng)電流存在，即產(chǎn)生渦流。由于導(dǎo)體自身各種因素(如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀、尺寸和缺陷等)的變化，會導(dǎo)致感應(yīng)電流的變化，利用這種現(xiàn)象判斷導(dǎo)體性質(zhì)、狀態(tài)的檢測方法，即渦流檢測方法[3]。

電渦流檢測中，阻抗分析法是應(yīng)用最廣泛的一種渦流分析方法。檢測過程中的許多檢測參數(shù)，如試件的厚度、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、缺陷尺寸、提離等，都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。

在阻抗分析方法中，把激勵線圈置于被測金屬導(dǎo)體上方時的相互作用模型等效為變壓器中原邊線圈和次邊線圈的關(guān)系，如圖1所示。其中，探頭激勵線圈被看成變壓器初級線圈，被測導(dǎo)體中電渦流環(huán)被看成次級線圈，激勵線圈的模型是帶有交流激勵的電阻和電感串聯(lián)的形式，被檢測導(dǎo)體的模型是閉合的電阻與電感串聯(lián)的形式。

圖1 渦流探測模型

圖1中R1和L1表示激勵線圈的等效電阻與電感；R2與L2表示被檢測體的等效電阻與電感；I1代表原邊線圈中的電流；I2代表次邊線圈中的電流。根據(jù)基爾霍夫電壓定理得：

I1R1+jwL1-I2jwM=U

(1)

-I1jωM+I2R2+I2jωL2=0

(2)

由式(1)、式(2)可得：

(3)

當變量R2從∞逐步減至0，或者L2從0增大到∞時，可得到一條阻抗平面線，如圖2所示。對應(yīng)曲線中的每一點，可得到相應(yīng)的副邊線圈的參數(shù)，也就是表征在電渦流檢測中被測物體的缺陷參數(shù)。

圖2 阻抗平面圖

1．2 GMR傳感器特性

GMR傳感器是用4個巨磁電阻(GMR)構(gòu)成的惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)可以有效地減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，并可以增加傳感器靈敏度。 由于R1、R2、R3、R44個電阻都采用相同的GMR材料，使得在溫度變化時，4個電阻條的電阻變化率相同，可以互相抵消由溫度變化產(chǎn)生的壓降，這樣就可以有效抑制溫漂。

設(shè)計采用課題組自主研發(fā)的二維自旋閥GMR傳感器SAS022作為磁敏感元件。SAS022的輸出曲線如圖3所示，在-10～+10 Oe(1 Oe=79.578 A/m )范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度為3．67mV/(V-1Oe-1)。從圖中可以看出，在一定的范圍內(nèi)，SAS022具有良好的線性度，適合作為檢測探頭。

圖3 SAS022傳感器在 -10 Oe～+10 Oe的響應(yīng)曲線

2 基于GMR傳感器的無損探測系統(tǒng)設(shè)計

在常規(guī)的渦流檢測中，當檢測探頭檢測到缺陷數(shù)據(jù)時，需要人工對照到阻抗平面圖中查找相互的缺陷參數(shù)，再經(jīng)過計算得出相應(yīng)的結(jié)論。為了減少常規(guī)渦流檢測中的人工干預(yù)程度，提高自動化檢測程度，設(shè)計了一款新型的無損檢測系統(tǒng)。

圖4為無損探測系統(tǒng)原理框圖。該系統(tǒng)采用AD9850直接頻率合成器和TDA2030A功放芯片搭建交變電流激勵信號發(fā)生電路。右側(cè)為探測系統(tǒng)探頭部分，上部為帶鐵芯線圈，下部為GMR磁傳感器。

圖4 系統(tǒng)原理框圖

2．1 交變電流信號發(fā)生電路

交變電流激勵電路選用AD9850集成芯片。AD9850是一款頻率和相位可通過編程控制的模擬信號發(fā)生器芯片，采用CMOS技術(shù)的直接頻率合成器，主要由可編程DDS (Direct Digital Synthesizer)系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器(DAC)和高速比較器3部分構(gòu)成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成[5]。

DDS系統(tǒng)主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器3個部分。頻率控制寄存器可以串行或并行的方式裝載并寄存用戶輸入的頻率控制碼；而相位累加器根據(jù)DDS頻率控制碼在每個時鐘周期內(nèi)進行相位累加，得到一個相位值；正弦計算器則對該相位值計算數(shù)字化正弦波幅度(芯片一般通過查表得到)。DDS芯片輸出經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)換器得到一個可用的模擬頻率信號[6]。

AD9850正弦波發(fā)生電路如圖5所示。圖中RESET引腳為復(fù)位，WCLK為時鐘信號引腳，RQ_UP為頻率更新引腳，這3個在編程中用到。IOUT為信號輸出引腳。

圖5 AD9850正弦波發(fā)生電路圖

2．2 功率放大電路

由于前一級的AD9850產(chǎn)生的信號幅值比較小，電流驅(qū)動能力較弱。要驅(qū)動線圈產(chǎn)生交變的磁場，需要加一級功放電路，以提高電路的驅(qū)動能力。

功率放大電路采用TDA2030A功放芯片。TDA2030A輸出功率比較大，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，在輸出電阻為4 Ω時，輸出功率可以達到18 W。芯片采用超小型封裝(TO-220)，也可提高組裝密度[7]。

TD2030A功放電路如圖6所示，電路中，C22、C23、C27、C28為電源濾波電容。電阻R8(2．2 kΩ)、R9(50 kΩ可調(diào)電阻)決定放大器的閉環(huán)增益，電容C29(220 nF)與電阻R7(1 Ω)對感性負載(線圈)進行相位補償來消除自激，OUT引腳輸出交變電流。

2．3 GMR磁傳感器探頭

GMR磁傳感器探頭是探測系統(tǒng)的核心部分。目前的電渦流探測系統(tǒng)主要采用線圈作為敏感元件。而GMR傳感器作為新型的磁敏傳感器，與線圈、AMR傳感器相比，具有體積小、靈敏度高、線性度好、磁場分辨率高且不需要置位/復(fù)位電路來消除磁滯等優(yōu)點[8]。

由于GMR芯片采集磁場得到的電壓信號為幾十nV或十幾mV左右，必須經(jīng)過放大處理才容易進行后續(xù)處理，所以要對采集到的信號進行放大。

圖6 功放電路圖

圖7 GMR傳感器調(diào)理電路

GMR傳感器調(diào)理電路如圖7所示，傳感器可在3～20 V之間正常工作，由于傳感器輸出頻率都比較低，所以在電源端增加一個大電容進行濾波，OUT-和OUT+兩個端口就是傳感器差分輸出的模擬量電壓，輸出到LM358放大芯片。系統(tǒng)中傳感器采用3 V電壓供電，并在電壓輸入端增加一個4．7 μF的大電容進行濾波，傳感器差分輸出信號接入到LM358放大器進行放大處理。

3 實驗結(jié)果與分析

3．1 ANSOFT軟件仿真

被測物體用一塊400 mm×400 mm×20 mm的鋁板模擬，在鋁板的正上方線圈根據(jù)實際情況建立銅漆包線的線圈模型，通以交變電流的激勵源。缺陷情況通過在鋁板的上表面人為設(shè)置一個400 mm×2 mm×2 mm的凹槽來模擬。

圖8為ANSOFT軟件建立的仿真模型。左側(cè)為無缺陷時，右側(cè)用人為設(shè)置的凹槽來模擬缺陷的模型圖。

圖8 ANSOFT仿真模型

根據(jù)仿真結(jié)果可知，當線圈模型中加以200 mA的激勵電流時，在有缺陷和沒有缺陷的情況下，鋁板上方的磁場變化量可以達到0．3 mT，可以通過GMR磁傳感器來檢測。

3．2 線圈磁感應(yīng)強度與電流關(guān)系

GMR探頭結(jié)構(gòu)如圖9所示。其中，GMR傳感器選用SAS022傳感器，線圈選用半徑r=0．31 mm的漆包線繞制125匝，選用66 mm×18 mm的硅鋼片填充線圈的中心。

圖9 GMR探頭結(jié)構(gòu)

圖10為線圈中心的磁感應(yīng)強度隨電流的變化關(guān)系圖，上面為帶鐵芯線圈的曲線，下面為無鐵芯線圈的曲線。圖10中，1 Gs=10-4T.圖中的電流與磁感應(yīng)強度均為有效值。從圖中明顯可以看出，增加鐵芯后，線圈中心的磁感應(yīng)強度明顯增大，從而提高系統(tǒng)的靈敏度。

圖10 磁感應(yīng)強度隨電流變化關(guān)系圖

3．3 系統(tǒng)測試

測試裝置示意圖如圖11所示。

圖11 測試裝置示意圖

當激勵源的頻率為1．97 kHz，通過線圈的電流為59．2 mA時，探頭經(jīng)過被測金屬的邊緣處時，即從圖中A點經(jīng)過B運動到C點時，傳感器的輸出波形如圖12所示。圖中，V1=1．85 V，V2=1．14 V，輸出電壓幅值變化為704 mV.可以看出，在被測金屬的邊緣片處傳感器輸出電壓幅值會發(fā)生明顯的變化，探頭可以有效探測金屬物體的邊緣。

圖12 探頭經(jīng)過被測金屬邊緣處時輸出波形

探頭經(jīng)過被測金屬的缺陷處時，傳感器輸出波形如圖13所示。圖中上半部分為傳感器探頭從帶有缺陷的鋁板上方沿垂直于缺陷方向運動時的輸出波形圖，下半部分為輸出波形的局部放大圖，從圖中可以看出，有無缺陷處的輸出電壓幅值變化為124 mV.對比有無缺陷時的輸出曲線，可以看出，在缺陷處傳感器輸出電壓幅值會明顯增大，指示缺陷的存在。

圖13 探頭經(jīng)過被測金屬缺陷處時輸出波形圖

4 結(jié)束語

文中使用新型、高靈敏度的GMR傳感器作為磁敏感元件設(shè)計了一款新型的無損檢測系統(tǒng)。通過ANASOFT軟件仿真與實驗驗證，該系統(tǒng)可以靈敏地檢測金屬的缺陷有無及缺陷位置，同時也可以檢測金屬體的邊緣。與常規(guī)電渦流檢測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)減少了人工干預(yù)程度，便于實現(xiàn)自動化檢測。

參考文獻：

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[4] 陳亮，闕沛文，黃作英，等．一種新型磁阻式傳感器在露磁檢測中的應(yīng)用．傳感器技術(shù)，2004(10)：75-77，79.

[5] OBEID S，TRANJAN F M，DOGARU T．Eddy current testing for detecting small defects in thin films．Review of Progress in Quantitative Nondestruetive Evaluation，2007，26A and 26B.

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[7] 任吉林．渦流檢測技術(shù)近20年的發(fā)展．無損檢測，1998(5)：121-125，128.

[8] 錢正洪，白茹，黃春奎，等．先進磁電子材料和器件．儀表技術(shù)與傳感器，2009(1)：96-101．