對(duì)基于GMR的電磁無損檢測分析

付 彬

在早期的電磁檢測領(lǐng)域當(dāng)中，就已經(jīng)出現(xiàn)過一種傳統(tǒng)的無損檢測方法，這種方法在當(dāng)時(shí)確實(shí)改善了檢測損傷的問題，但是現(xiàn)代視角下，傳統(tǒng)無損檢測方法具有功能單一、電路復(fù)雜、穩(wěn)定性不足、空間分辨率不足等缺陷，而GMR電磁無損檢測，是在后期經(jīng)某研究者提出的一種新式的電磁無損檢測方法，其借用了巨磁電阻的高穩(wěn)定性，圍繞傳統(tǒng)電磁無損檢測方法的弊端進(jìn)行設(shè)計(jì)，改善了傳統(tǒng)檢測方法的缺陷。

1 GMR電磁無損檢測器件分析

當(dāng)GMR與磁場電阻值接觸之后，GMR會(huì)發(fā)生巨大的變化，因此其才會(huì)被稱為巨磁電阻，一般情況下，GMR的變化程度要高出其他各項(xiàng)磁阻15%左右。在GMR當(dāng)中線圈是主要器件之一，線圈的主要功能在于感應(yīng)電壓，依照法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電壓如公式（1）所示。

式中dB代表線圈的正弦變化的磁場，磁場表達(dá)式如公式（2）。

根據(jù)公式（1）、（2），可以得到線圈的輸出表達(dá)式，如公式（3）所示。

通過公式（3）可以看到，線圈的靈敏度與頻率相互之間保持了正比關(guān)系，所以說明GMR檢測方法不適用于低頻檢測當(dāng)中，因?yàn)楫?dāng)這種方法與低頻接觸，就會(huì)受到集膚效應(yīng)的限制，導(dǎo)致工作頻率降低，這種方式雖然能夠增加GMR在低頻當(dāng)中的滲透度，但也會(huì)導(dǎo)致線圈的靈敏度大幅度降低。另外，除線圈以外GMR還包括了其他器件，例如，單極性、雙極性器件，這兩種器件不會(huì)被同時(shí)采用，只會(huì)單獨(dú)應(yīng)用在規(guī)格不同的GMR檢測當(dāng)中，一般來說單極性、雙極性器件的功能都在于保障檢測的高靈敏度以及滲透深度，但要實(shí)現(xiàn)此目的，兩者的直流電磁必須達(dá)到1MHz以上，而作為兩種不同的器件，兩者必然還存在巨大的不同，具體如下文所示。

單極性、雙極性器件不同點(diǎn)：

（1）單極性的飽和磁場為6～16，雙極性的飽和磁場為0～250 ；

（2）單極性的線性范圍為0.6～3.0、1.5～10.5、1.0～16，雙極性的線性范圍為10～175、5～40、-1.3～1.3、-8～8 ；

（3）單極性的靈敏度為3.0～4.2、3.0～4.1、11.0～18.0，雙極性的靈敏度為0.02～0.03、0.06～0.12、1.3～1.6、0.7～1.0 ；

（4）單極性的電阻為5k～5.5k，雙極性的電阻為2.5、1.2、1.3k；

（5）單極性的磁滯為4、15、3.0，雙極性的磁滯為0、4、15；

（6）單極性的非線性度為2、4、1.5，雙極性的非線性度為0、2、4。

2 GMR探頭激勵(lì)分析

2.1 時(shí)諧激勵(lì)

時(shí)諧激勵(lì)是一種常見的GMR電磁無損檢測方法之一，其主要依靠點(diǎn)物流電磁來濕陷檢測目的。為了保障研究的針對(duì)性，本文將在單極性器件（NVEGMR檢測器件）的基礎(chǔ)上，對(duì)時(shí)諧激勵(lì)的GMR檢測進(jìn)行分析。根據(jù)本文的單極性器件輸出曲線，單極性器件輸出曲線的輸出體現(xiàn)出了非線性，在以往的使用當(dāng)中，有研究者將時(shí)諧激勵(lì)電源流與線圈相互連接，以此時(shí)諧激勵(lì)電源流就可以給線圈提供激勵(lì)電流，而當(dāng)GMR線圈檢測到缺陷磁場之后，會(huì)將檢測信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡可以與PC端相互連接，此時(shí)人工可以通過PC端的顯示功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，得出檢測缺陷的具體屬性，這種檢測方法能夠有效的了解GMR檢測磁場的強(qiáng)度信息，而此信息也是一般檢測的要求，但如果涉及一些要求較多的檢測，時(shí)諧激勵(lì)就無法反映出更多的信息，以此說明時(shí)諧激勵(lì)的針對(duì)性很強(qiáng)，但應(yīng)用存在局限性。

2.2 脈沖激勵(lì)

在本質(zhì)上，脈沖激勵(lì)存在一個(gè)缺陷，即無法使GMR期間的工作點(diǎn)偏移到輸出區(qū)間當(dāng)中，但這一缺陷在一系列研究之下已經(jīng)得到了改善，即先設(shè)定恒定磁場，再應(yīng)用脈沖激勵(lì)方法即可。在脈沖激勵(lì)下的GMR應(yīng)用當(dāng)中可以看到，通過脈沖激勵(lì)可以使GMR的信號(hào)輸出頻率更加豐富，因此，脈沖激勵(lì)時(shí)?？梢员挥糜谝恍┮筝^為復(fù)雜的檢測當(dāng)中，例如，早期就有研究人員將脈沖激勵(lì)GMR檢測法應(yīng)用在飛機(jī)鉚釘結(jié)構(gòu)周圍缺陷檢測當(dāng)中。

通過上述飛機(jī)鉚釘結(jié)構(gòu)周圍缺陷檢測過程以及結(jié)果來看，研究人員主要采用了時(shí)域、頻域2種方法來分析脈沖激勵(lì)所產(chǎn)生的信號(hào)，首先在時(shí)域方面，利用A掃描來實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)成形，之后通過此信號(hào)來檢測鉚釘周圍是否存在缺陷；采用C掃描的二維圖像來檢測鉚釘周圍的深層缺陷。其次在頻域方面，主要以磁場能量為特征量，在此基礎(chǔ)上通過信號(hào)反饋了解鉚釘周圍的磁場能量分布，當(dāng)磁場能量分布出現(xiàn)不均與或者強(qiáng)弱差別時(shí)，則可以判定鉚釘周圍是否存在缺陷。本文依照上述方法，模擬了飛機(jī)鉚釘周邊檢測的場景，通過對(duì)場景的觀察得出了相應(yīng)的檢測結(jié)果，檢測結(jié)果顯示：脈沖激勵(lì)方法可以檢測到鉚釘周圍的缺陷，其輸出信號(hào)可以識(shí)別缺陷具體屬性，還能顯示缺陷定量。

3 GMR探頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

目前，常見的GMR探頭設(shè)計(jì)為單GMR渦流檢測探頭，下文將對(duì)這種探頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。單GMR渦流檢測探頭主要可以分為2個(gè)類型，即根據(jù)其線圈形式分別為：圓形線圈GMR渦流檢測探頭、平面均勻GMR渦流檢測探頭，下文將對(duì)這2種單GMR渦流檢測探頭進(jìn)行逐一分析。

（1）圓形線圈GMR渦流檢測探頭。圓形線圈GMR渦流檢測探頭常應(yīng)用在金屬物體厚度檢測當(dāng)中，檢測時(shí)，首先依照激勵(lì)磁場的方向，將GMR器件的敏感軸與之平行對(duì)齊。其次利用GMR的高靈敏度即可完成檢測工作，這種檢測方法通過以往的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)得知，只能用于檢測金屬物體或類金屬物體的厚度，在缺陷檢測當(dāng)中其表現(xiàn)出不敏感的問題，說明此檢測探頭具有一定的局限性。但在近代研究當(dāng)中可見，雖然圓形線圈GMR渦流檢測探頭不能直接對(duì)缺陷磁場進(jìn)行感應(yīng)，但是其能夠感應(yīng)到缺陷引起形變后的磁場，因此，在這一現(xiàn)象之下，有研究者進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)顯示圓形線圈在未來的發(fā)展當(dāng)中，可能應(yīng)用到金屬邊緣缺陷檢測當(dāng)中。

（2）平面均勻GMR渦流檢測探頭。平面均勻GMR渦流檢測探頭常用于結(jié)構(gòu)焊接缺陷檢測當(dāng)中，在此項(xiàng)檢測當(dāng)中，因?yàn)楹附庸に嚨慕槿霑?huì)導(dǎo)致檢測表面的紋理出現(xiàn)密集的提離現(xiàn)象，此時(shí)其他無損檢測方法均因?yàn)樵摤F(xiàn)象而無法進(jìn)行檢測，但隨著研究的發(fā)展，有研究者發(fā)現(xiàn)了矩形線圈探頭能夠有效避免此現(xiàn)象帶來的應(yīng)用，因而進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示矩形線圈能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)焊接無損檢測應(yīng)用，因此在進(jìn)一步的開發(fā)之下，形成了平面均勻GMR渦流檢測探頭。另一組實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，研究人員將平面均勻GMR渦流檢測探頭應(yīng)用到飛機(jī)鉚釘周邊細(xì)微裂紋的檢測當(dāng)中，通過檢測可見，平面均勻GMR渦流檢測探頭可以利用矩形線圈產(chǎn)生電流，當(dāng)電流與檢測面接觸之后，會(huì)產(chǎn)生均勻的感生電流和磁場，再結(jié)合平面掃描即可得到檢測面整體磁場分布，最終通過磁場觀測了解磁場的分布情況即可得出細(xì)微裂紋的分布情境。

4 GMR電磁無損檢測優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的無損檢測方法，GMR電磁無損檢測主要利用電磁感應(yīng)來進(jìn)行檢測，這種檢測方法在金屬材料上進(jìn)行使用，此時(shí)絕大部分的金屬物質(zhì)都具備電磁磁場，說明GMR方法的有效性，而在許多實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中可以看到，GMR無損檢測方法準(zhǔn)確率較高，據(jù)悉可以達(dá)到96%以上，這一點(diǎn)要遠(yuǎn)超傳統(tǒng)無損檢測，結(jié)合檢測準(zhǔn)確度在檢測工作當(dāng)中的權(quán)重比，可以證明GMR具有巨大的優(yōu)勢。此外，金屬的電磁磁場十分明顯，因此，GMR檢測要獲取磁場信息十分便捷，所以在簡便性上也要優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

5 結(jié)語

本文主要對(duì)基于GMR的電磁無損檢測進(jìn)行了分析，分析主要分為3個(gè)部分：GMR電磁無損檢測器件分析、GMR探頭激勵(lì)分析、GMR探頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。在GMR電磁無損檢測器件分析當(dāng)中，主要了解了GMR的常規(guī)器件線圈以及單極性、雙極性器件；在GMR探頭激勵(lì)分析當(dāng)中，主要對(duì)常見的時(shí)諧激勵(lì)、脈沖激勵(lì)進(jìn)行了分析；在GMR探頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要針對(duì)單GMR渦流檢測探頭中的圓形線圈GMR渦流檢測探頭、平面均勻GMR渦流檢測探頭進(jìn)行了分析。