高靈敏隧道磁阻傳感器在鋁合金材料檢測(cè)中的應(yīng)用

王 維,徐大誠(chéng)

(蘇州大學(xué)微納傳感技術(shù)研究中心,江蘇蘇州 215006)

0 引言

鋁合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域[1]。通常采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[2],如射線、超聲、滲透、渦流、磁粉等方法。渦流檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電材料材質(zhì)檢驗(yàn)[3]、厚度測(cè)量[4]以及裂紋檢測(cè)[5]等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的渦流傳感器由激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈組成,但線圈匝數(shù)較多、功耗較大,因此減小尺寸和降低功耗具有重要的意義。

有關(guān)渦流檢測(cè)方面,文獻(xiàn)[6]提出利用渦流分選技術(shù)對(duì)有色金屬進(jìn)行分選,但分選不同型號(hào)鋁合金的準(zhǔn)確率低于90%。文獻(xiàn)[7]提出基于單頻渦流同時(shí)測(cè)量金屬電導(dǎo)率和厚度的方法,但激勵(lì)線圈匝數(shù)較多、功耗較大。隧道磁阻(tunnel magneto-resistance,TMR)傳感器具有靈敏度高、尺寸小、功耗低等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種以TMR傳感器為傳感單元的渦流陣列傳感器監(jiān)測(cè)地下裂紋。文獻(xiàn)[9]采用TMR傳感器陣列檢測(cè)并定位生產(chǎn)線上直徑為1 mm的金屬顆粒。文獻(xiàn)[10]提出基于TMR傳感器的微細(xì)裂紋漏磁檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)不同直徑軸承滾子的高速、高精度自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)。

本文設(shè)計(jì)了一種用高靈敏TMR傳感器替代渦流傳感器中敏感線圈的渦流檢測(cè)裝置,能有效降低激勵(lì)線圈的體積和功耗,并采用正交鎖相放大器低噪聲信號(hào)處理電路,實(shí)現(xiàn)了高靈敏鋁合金材料性能檢測(cè)。

1 金屬識(shí)別原理

金屬塊置于交變磁場(chǎng)中會(huì)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的感應(yīng)渦流,并產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)影響原磁場(chǎng),影響程度受金屬自身因素(如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀、尺寸和缺陷等)限制。不同金屬具有不同的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率,可以通過(guò)測(cè)量不同金屬對(duì)線圈的影響程度識(shí)別金屬。

圖1 渦流檢測(cè)原理圖

圖2 等效電路

圖2中2個(gè)回路的電壓方程為:

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)解得受金屬影響后線圈的等效阻抗:

(3)

由式(3)可知,當(dāng)電源頻率、被測(cè)金屬尺寸等參數(shù)一定時(shí),線圈的等效阻抗只與被測(cè)金屬的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)。由畢奧薩伐爾定律可知,感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度與線圈的電流成正比:

(4)

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率,N/A2;I為線圈電流,A;r為電流源點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離,mm。

因此,當(dāng)被測(cè)金屬的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率不同時(shí),線圈的等效阻抗會(huì)發(fā)生變化,所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)也會(huì)隨之變化。首先使用TMR傳感器將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),再利用正交鎖相放大器測(cè)量電壓信號(hào)的幅值,可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同金屬的識(shí)別。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置由激勵(lì)線圈、TMR2102傳感器、被測(cè)金屬和固定板組成,如圖3所示。激勵(lì)線圈匝數(shù)為10匝,激勵(lì)線圈、TMR2102傳感器和被測(cè)金屬的中心在同一軸線上。表1為檢測(cè)裝置尺寸參數(shù)。

表1 檢測(cè)裝置尺寸參數(shù) mm

圖3 檢測(cè)裝置示意圖

2.2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

2.2.1 前置電路設(shè)計(jì)

前置電路包含TMR2102傳感器、緩沖器與無(wú)源調(diào)零電路,如圖4所示。TMR2102傳感器可等效成圖4中的4個(gè)磁阻(R1～R4)。實(shí)際的隧道磁阻的阻值是圍繞標(biāo)準(zhǔn)值波動(dòng)的,因此構(gòu)成TMR傳感器的橋臂值在空載下是不同的,可通過(guò)無(wú)源調(diào)零電路進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償原理如下,當(dāng)TMR傳感器空載時(shí),其差分輸出信號(hào)表達(dá)式為:

圖4 前置電路

(5)

由于R1～R4是圍繞標(biāo)準(zhǔn)值波動(dòng)的,因此V+≠V-,通過(guò)無(wú)源調(diào)零電路進(jìn)行調(diào)整,設(shè)分壓值分別為K1和K2,使得:

K1V+=K2V-

(6)

當(dāng)TMR傳感器感應(yīng)到磁場(chǎng)后,TMR傳感器橋臂的變化量是等值反向的,設(shè)變化量為V0,差分輸出信號(hào)可以表示為

=K1(V++V0)-K2(V--V0)=(K1+K2)V0

(7)

由式(7)可以看出,經(jīng)過(guò)調(diào)零電路補(bǔ)償?shù)腡MR傳感器差分輸出信號(hào)只與磁場(chǎng)的變化有關(guān),與初始橋臂值無(wú)關(guān)。

2.2.2 正交鎖相放大器設(shè)計(jì)

正交鎖相放大器由信號(hào)通道、參考通道、相關(guān)器組成,結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。信號(hào)通道對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、濾波來(lái)提高信噪比。參考通道對(duì)參考信號(hào)移相和整形,產(chǎn)生2個(gè)相位正交且占空比為50%的方波,作為相敏檢波器的開關(guān)信號(hào)。相關(guān)器對(duì)處理后的輸入信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算,經(jīng)低通濾波器輸出1個(gè)與輸入信號(hào)成正比的直流信號(hào)。

正交鎖相放大器檢測(cè)原理如下:

設(shè)待測(cè)信號(hào)為

x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)

(8)

式中:s(t)為待測(cè)信號(hào)中的有效信號(hào);Vs為s(t)的幅值;ω0為s(t)的角頻率;θ為s(t)的初始相位;n(t)為噪聲。

2個(gè)相位正交的參考信號(hào)分別為:

(9)

(10)

將輸入信號(hào)與參考信號(hào)接入相敏檢波器,再經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量和噪聲分量后,得到兩路直流輸出:

(11)

(12)

通過(guò)式(11)、式(12)可計(jì)算有效信號(hào)的幅值。

正交鎖相放大器的原理圖如圖6所示。前置放大器采用兩級(jí)放大,第一級(jí)為采用儀表放大器INA849設(shè)計(jì)的放大器,增益為67,第二級(jí)為采用OPA1611高精度低噪聲運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的增益為10的反相比例放大器,前置放大器總增益為670。

圖6 正交鎖相放大器原理圖

設(shè)計(jì)了四階巴特沃斯帶通濾波器用于濾除待測(cè)信號(hào)中的部分高頻噪聲,其增益為1,中心頻率為90 Hz,帶寬為20 Hz。

選定ADG1434芯片作為相敏檢波器,ADG1434芯片內(nèi)置4個(gè)獨(dú)立可選的單刀雙擲開關(guān),參考信號(hào)僅作為其開關(guān)信號(hào),使正交鎖相放大器的輸出不受參考信號(hào)的幅值所影響,提高了系統(tǒng)分辨率。

低通濾波器設(shè)計(jì)為二階巴特沃斯低通濾波器,其增益為1,截止頻率為3.6 Hz。

2.2.3 電路輸入輸出動(dòng)態(tài)范圍

如圖7所示,將TMR2102傳感器置于亥姆霍茲線圈中心,感應(yīng)亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。設(shè)定幅值為0～62 μT的90 Hz交變磁場(chǎng),改變磁場(chǎng)大小測(cè)量相應(yīng)的系統(tǒng)直流輸出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,電路輸入輸出動(dòng)態(tài)范圍如表2所示。

表2 電路輸入輸出動(dòng)態(tài)范圍

圖7 亥姆霍茲線圈

圖8 基于TMR的正交鎖相放大器測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)TMR2102傳感器的工作電壓為3 V時(shí),系統(tǒng)分辨率為68 nT,且系統(tǒng)直流輸出與磁場(chǎng)大小呈線性正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)高于0.999 7,表明該檢測(cè)電路能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)微弱磁場(chǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖9所示,選定3種電導(dǎo)率差值小于0.4×107S/m的鋁合金材料為被測(cè)金屬以驗(yàn)證該系統(tǒng)的正確性。表3為3種鋁合金材料的電導(dǎo)率。

表3 3種鋁合金材料的電導(dǎo)率 107 S/m

(a)Al2024 T4

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示,信號(hào)發(fā)生器CH1端的輸出模式為50 Ω輸出,產(chǎn)生幅值為2 V,頻率為90 Hz的激勵(lì)電壓賦予激勵(lì)線圈,經(jīng)計(jì)算和測(cè)試得出激勵(lì)電流幅值約為0.038 A,激勵(lì)磁場(chǎng)幅值約為40 μT。信號(hào)發(fā)生器的CH2端連接正交鎖相放大器的參考信號(hào)輸入端,產(chǎn)生幅值為1 V、頻率為90 Hz的正弦信號(hào)。直流電源向TMR2102傳感器和正交鎖相放大器分別提供3 V、±5 V驅(qū)動(dòng)電源。通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)采集并記錄正交鎖相放大器的直流輸出。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 鋁合金材料型號(hào)識(shí)別實(shí)驗(yàn)

從3種尺寸均為50 mm×50 mm×4 mm的鋁合金材料中各取20塊樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)未放置鋁合金材料時(shí),系統(tǒng)直流輸出為2.527 9 V。測(cè)量放置不同型號(hào)鋁合金材料時(shí)系統(tǒng)直流輸出變化ΔV并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)變化ΔB,各樣品對(duì)應(yīng)的ΔV如圖11所示,ΔV和ΔB的范圍由表4給出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)直流輸出可以區(qū)分出鋁合金材料的型號(hào)。

表4 3種鋁合金材料的ΔV及對(duì)應(yīng)ΔB

圖11 3種鋁合金材料型號(hào)測(cè)試結(jié)果

3.2 鋁合金材料厚度區(qū)分實(shí)驗(yàn)

從厚度差為1 mm的鋁合金Al6061 T6中各取20塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)量放置不同厚度鋁合金材料時(shí)系統(tǒng)直流輸出變化ΔV并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)變化ΔB,各樣品對(duì)應(yīng)的ΔV如圖12所示,ΔV和ΔB的范圍由表5給出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)直流輸出可以準(zhǔn)確的區(qū)分出鋁合金材料的厚度。

圖12 鋁合金Al6061 T6厚度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鋁合金材料型號(hào)和厚度的區(qū)分問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于TMR傳感器的渦流檢測(cè)裝置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明:正交鎖相放大器的分辨率為10 μV,增加TMR2102傳感器后,當(dāng)其工作電壓為3 V時(shí),系統(tǒng)的磁場(chǎng)分辨率達(dá)68 nT。測(cè)量系統(tǒng)直流輸出能區(qū)分電導(dǎo)率差值小于0.4×107S/m,厚度差為1 mm的鋁合金材料。本設(shè)計(jì)具有體積小、靈敏度高等特點(diǎn),為鋁合金材料型號(hào)和厚度的區(qū)分提供了有價(jià)值的參考。