基于GMR传感器的电涡流检测系统关键技术研究

0　引　言

电涡流检测技术[1~4]是一种基于电磁感应原理的无损检测技术。当导体置于变化的磁场中或相对于磁场运动时,导体内部会产生感应电流,这个电流被称为电涡流。导体自身各种因素(如,电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等)的变化,会导致电涡流的变化,从而可以利用导体中涡流的变化测量上述特性参数。因此,电涡流检测方法可以进行厚度、缺陷、电阻率等参数和特性的检测。由于它对被检测件不具有破坏性,甚至无需改变被检测件的工作状态,在实现质量控制、改进工艺、降低成本以提高产品市场竞争力,实现设备的在役检测以预防事故的发生,确保设备运行安全可靠,提高劳动生产率等方面具有重要意义。多层导电结构深层缺陷检测是其中一个具有重要研究价值的方向。但由于电涡流的趋肤效应,传统的线圈式探头在激励频率降低时灵敏度也会随之降低,因此,采用传统的线圈式探头很难检测出多层导电结构的深层缺陷。

本文通过引入新型GMR传感器,代替传统的电涡流检测线圈,从而为深层缺陷电涡流检测提供一种新的技术思路和方法。

1　新型GMR电涡流检测系统

巨磁电阻(giantmagneto-resistance,GMR)传感器是基于GMR效应的磁场测量装置。GMR效应是指微弱的磁场变化可以使得某些材料的电阻值发生明显变化。与线圈不同的是,GMR传感器直接测量磁场大小,其灵敏度与磁场的交变频率几乎无关,在很宽的频率范围(从DC到几兆赫兹)内具有很高的灵敏度[5, 6]。本文提出的GMR电涡流检测系统如图1所示。系统主要由信号发生电路、功率放大电路、内置GMR芯片的电涡流探头、调理电路、信号采集和上位机6个部分组成。与传统线圈式电涡流检测系统相比较,该系统具有如下主要特点:

1)引入了GMR芯片作为检测部件,并据此设计了一种新型的GMR电涡流探头;

2)GMR电涡流探头检测灵敏度不随激励频率而改变,有利于检测深层缺陷;

3)GMR芯片尺寸较小,有利于电涡流探头的集成设计。

1. 1　GMR电涡流检测系统工作原理

在激励线圈两端施加一定功率的正弦激励信号,根据电磁感应定律,交变的电流引起交变的磁场。施加在线圈上的正弦激励信号一方面在线圈的周围空间感生出交变磁场H0,如图2所示,其中,线圈感生作用于GMR的磁场为H01,另一方面,H0在试件上产生涡流,涡流又产生与H0方向相反的交变磁场H1,由于H1的反向作用,必然削弱GMR上的磁场H01,其中,作用于GMR的交变涡流磁场为H11,则GMR感应面总的交变磁场为H=H01-H11。由于GMR的磁滞和非线性,需要外加一个偏置磁场,以减少磁滞和非线性。本实验系统中施加了偏置磁场。在磁钢的偏置磁场和H的共同作用下,GMR的阻值发生变化。由于GMR输出的检测信号非常小,夹杂一些干扰信号,且输出有一定的直流量,因此,采用仪表运放AD620设计了调理电路,可以去除干扰信号和直流量,并有效放大有用信号,得到能够反映电涡流变化的检测信号。利用数据采集卡,完成对检测信号的采集和传输。在上位机上用软件编写了信号处理和图形显示程序,对检测信号进行分析和处理,得到缺陷的有用信息。