CN101140263B

CN101140263B - 基于巨磁电阻的电涡流检测传感器及其方法

Info

Publication number: CN101140263B
Application number: CN2007101562097A
Authority: CN
Inventors: 范孟豹; 黄平捷; 侯迪波; 张光新; 龚翔; 贺光琳; 叶波; 周泽魁
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-09-30
Filing date: 2007-09-30
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2027-09-30
Also published as: CN101140263A

Abstract

本发明公开了一种基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器及其检测方法。采用激励线圈产生交变的磁场，激励线圈放置于被检测物体上方，激励线圈与被检测物体之间放置磁敏感方向两两正交的巨磁电阻I、巨磁电阻II、巨磁电阻III，巨磁电阻I与放大电路I相连，巨磁电阻II与放大电路II相连，巨磁电阻III与放大电路III相连，放大电路I、放大电路II、放大电路III的输出为与巨磁电阻I、巨磁电阻II、巨磁电阻III处磁场对应的电压信号，该电压信号包含被检测物体中的电涡流分布信息。基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器，不仅对深层或多层缺陷检测有很高的灵敏度和空间分辨率，而且有利于缺陷的定量分析。

Description

基于巨磁电阻的电涡流检测传感器及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器及其检测方法。

背景技术

涡流检测的基本原理是：当载有交变电流的激励线圈靠近被检导电物体时，根据法拉第电磁感应定律可知，被检导电物体中会产生电流，即涡流。电涡流的大小、相位和流动形式都会受到被检物体导电性能、形状等因素的影响，而电涡流产生的电磁场包含电涡流的大小、相位等信息。因此，可以通过检测磁场来分析被检物体的厚度、电导率等属性以及被检物体中有无缺陷。

基于电涡流的无损检测技术发展至今，已经在单层导电金属的表层缺陷的检测上取得了很大的成功，并开始广泛应用在军事、工业、交通等领域中。但是针对导电材料的深层缺陷检测或多层导电结构的缺陷检测，现有的线圈式电涡流检测传感器是无法适应的。而在某些场合，对多层或深层导电材料的缺陷检测是必需的，如：对飞机机翼的安全状况评估，涉及到多层导电材料的缺陷检测；对厚的金属铸件的安全状况评估，涉及到深层导电材料的缺陷检测。此外，现有的基于电涡流的无损检测技术一直无法实现对缺陷的定量化检测，往往出现发现了缺陷但无法评估其危害大小的情况，这严重影响了基于电涡流的无损检测技术的应用范围。因此，找到一种检测方法，能应用于多层或深层导电材料的缺陷检测，并能得到有利于定量的检测结果，是很有意义的。

常规电涡流检测装置是以导线线圈作为传感部件的，它能够解决一些表层的缺陷检测、厚度测量和电导率测量等问题，但是对于深层或多层的缺陷检测问题，导线线圈式的传感器就无能为力了。其主要原因是导线线圈传感器在理论上受制于电涡流的趋肤深度。电涡流检测中激励信号频率与电磁场渗透深度成反比，而导线线圈式的传感器对低频信号响应时分微弱，这样导线线圈式的传感器对多层或深层导电材料的缺陷很不敏感。为了检测多层或深层缺陷，导线线圈式的传感器需采取降低检测系统的激励频率、加大检测线圈的直径等措施，但是这样做会导致传感器灵敏度、分辨率降低，局部检测信号畸变增大，小于检测线圈直径的缺陷漏检等问题。而基于巨磁电阻(GMR)的电涡流传感器，直接测量的是磁场，就可以很好地解决上述难题。同时，在直接测量磁场的敏感元件中，巨磁电阻(GMR)拥有体积小、灵敏度高、温度稳定性好、价格低廉等优势。

基于单个传感器的传统电涡流检测装置还有的不足之处在于，很难对检测到的缺陷进行定量化，尤其是在针对深层或多层的缺陷的时候。例如单个导线线圈的传感器得到的信号可以认为是导线线圈内部的磁场变化量在导线线圈对称轴方向积分的结果。由于积分作用和单一的磁场方向，得到的检测数据包含的信息较少，很难得到缺陷大小和检测信号大小的对应关系，同时也需要更多的时间来计算检测结果。而采用三巨磁电阻，可同时检测三方向的电涡流分布，可显著提高缺陷的检出性，大大提高扫描检测速度，对于实现大型被检对象的快速扫查，具有重要的理论和应用价值。此外，基于使用三巨磁电阻(GMR)的电涡流传感器，由于能检测空间上三个方向的磁场大小，即得到了更多的已知量，这样就可以确定更多的方程来计算缺陷的长度、深度等未知量，所以这样的设计有利于解决缺陷定量化的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器及其方法。

基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器具有激励线圈、巨磁电阻I、巨磁电阻II、巨磁电阻III、放大电路I、放大电路II、放大电路III，巨磁电阻I、巨磁电阻II、巨磁电阻III以磁敏方向两两正交的方式放置，巨磁电阻I与放大电路I相连接，巨磁电阻II与放大电路II相连接，巨磁电阻III与放大电路III相连接，放大电路采用AD620放大芯片，且其数量与巨磁电阻个数相等。

所述的激励线圈使用正弦交流电压激励，信号频率为0～1MHz。巨磁电阻I、巨磁电阻II、巨磁电阻III，这三个以磁敏方向两两正交的方式放置的巨磁电阻的位置在激励线圈与被检测物体之间。

巨磁电阻I采用芯片SS501AI，巨磁电阻II采用芯片SS501AII，巨磁电阻III采用芯片SS501AIII，放大电路I采用AD620I，放大电路II采用AD620II，放大电路III采用AD620III，SS501AI的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AI的第2脚与AD620I的第3脚连接，SS501AI的第3脚接模拟地，SS501AI的第4脚与AD620I的第2脚连接，SS501AII的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AII的第2脚与AD620II的第3脚连接，SS501AII的第3脚接模拟地，SS501AII的第4脚与AD620II的第2脚连接，SS501AIII的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AIII的第2脚与AD620III的第3脚连接，SS501AIII的第3脚接模拟地，SS501AIII的第4脚与AD620III的第2脚连接。

AD620I的第1脚通过第一电阻(R1)与AD620I的第8脚连接，AD620I的第4脚接负12v直流电源，AD620I的第2脚与SS501AI的第4脚连接，AD620I的第3脚与SS501AI的第2脚连接，AD620I的第7脚接正12v直流电源，AD620I的第5脚接模拟地，AD620I的第6脚为输出脚VI，AD620II的第1脚通过第一电阻(R2)与AD620II的第8脚连接，AD620II的第4脚接负12v直流电源，AD620II的第2脚与SS501AII的第3脚连接，AD620II的第3脚与SS501AII的第2脚连接，AD620II的第7脚接正12v直流电源，AD620II的第5脚接模拟地，AD620II的第6脚为输出脚VII，AD620III的第1脚通过第一电阻(R3)与AD620III的第8脚连接，AD620III的第4脚接负12v直流电源，AD620III的第2脚与SS501AIII的第4脚连接，AD620III的第3脚与SS501AIII的第2脚连接，AD620III的第7脚接正12v直流电源，AD620III的第5脚接模拟地，AD620III的第6脚为输出脚VIII，模拟信号地为输出信号GND。

基于三巨磁电阻的电涡流检测方法，采用激励线圈产生交变的磁场，激励线圈放置于被检测物体上方，激励线圈与被检测物体之间放置磁敏感方向两两正交的巨磁电阻I、巨磁电阻II、巨磁电阻III，巨磁电阻I与放大电路I相连接，巨磁电阻II与放大电路II相连接，巨磁电阻III与放大电路III相连接，放大电路I、放大电路II、放大电路III输出为与巨磁电阻I、巨磁电阻II、巨磁电阻III处磁场对应的电压信号，该电压信号包含被检测物体中的电涡流分布信息。

本发明的优点：

1、采用了基于三巨磁电阻(GMR)的磁场检测方法，由于磁场检测的特点，极大提高了传感器检测深层或多层缺陷时的灵敏度和空间分辨率。相比较传统的线圈式和HALL等磁场传感器，巨磁电阻的磁场检测方法具有以下优点：巨磁电阻传感器体积小，缺陷存在而导致的检测信号畸变也非常小；巨磁电阻传感器直接检测磁场强度大小，而不受激励频率的影响，在低频下仍有相对非常高的灵敏度；巨磁电阻传感器温度稳定性好，从而使得测量结果受温度影响小，可适应温度变化大的工作条件；巨磁电阻传感与众多磁场传感器(FLUXGATE、SQUID、AMR、HALL)相比，有成本低、可测量磁场范围宽、信噪比高、功耗低的优点，所以它的性价比最高。

2、采用三个磁敏方向两两正交的巨磁电阻(GMR)作为感应元件，可同时检测三方向的电涡流分布，可显著提高缺陷的检出性，大大提高扫描检测速度，对于实现大型被检对象的快速扫查，具有重要的理论和应用价值。同时，由于得到了三个方向上的磁场大小和相位信息，即得到了更多的已知量，有利于分析缺陷的形状和大小。相对于已有的涡流检测的改进方法，使用以巨磁电阻(GMR)作为感应元件来检测同一区域不同方向磁场的检测方法为涡流检测技术提供了一条新思路。

附图说明

图1是基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器结构示意图；

图2是本发明的巨磁电阻连接电路图；

图3是本发明的放大电路图。

具体实施方式

现在，有很多种测量磁场的传感元件，例如：基于超导量子干涉(SQUID)原理的磁场传感器，其灵敏度非常高，但是其结构复杂、体积庞大且价格昂贵，目前多用于医疗及材料磁性研究领域；线圈式的磁场传感器，其制作简单、成本低，但在静态或者低频磁场测量方面能力不足；基于磁通门原理的磁场传感器，它具有较高的分辨率和良好的鲁棒性，但体积大、价格昂贵、频率响应差；各向异性磁阻传感器(AMR)，特点是灵敏度比较高，响应快，但AMR磁场传感器可测量磁场范围小，抗干扰能力差；霍尔传感器，它成本低，现已应用非常广泛，但霍尔传感器的灵敏度比较低、偏移大、温度稳定性低；巨磁电阻(GMR)，它的特点是灵敏度高(260mV mT.sup.-1)、温度稳定性好，而且成本也比较低，抗干扰能力强，可测量磁场范围大。不同类型的磁场传感器性能比较对照表如表1和表2所示。

	GMR	HALL	AMR
	GMR	HALL	AMR	尺寸	小	小	大
信号水平	大	小	中	尺寸	小	小	大
信号水平	大	小	中	灵敏度	高	低	高

	GMR	HALL	AMR
	GMR	HALL	AMR	温度稳定性	高	低	中
功耗	低	低	高	温度稳定性	高	低	中
功耗	低	低	高	成本	低	低	高

表1不同类型磁场传感器的比较

表2不同磁场传感器可探测磁场范围及市场价格

采用了基于巨磁电阻(GMR)的磁场检测方法，由于磁场检测的特点，极大提高了传感器检测深层或多层缺陷时的灵敏度和空间分辨率。相比较传统的线圈式和HALL等磁场传感器，巨磁电阻(GMR)的磁场检测方法具有以下优点：(1)、传感器体积小，缺陷存在而导致的检测信号畸变也非常小；(2)、巨磁电阻(GMR)直接检测磁场强度大小，而不受激励频率的影响，在低频下仍有相对非常高的灵敏度；(3)、温度稳定性好，从而使得测量结果受温度影响小，可适应温度变化大的工作条件；(4)与众多磁场传感器(FLUXGATE、SQUID、AMR、HALL)相比，巨磁电阻(GMR)成本低、可测量磁场范围宽、信噪比高、功耗低，从而性价比最高。

三个巨磁电阻(GMR)采用磁敏感方向两两正交的方式放置，可以得到被检测物体附近三个方向上的磁场信号。在使用正弦电压信号激励的情况下，这三个巨磁电阻(GMR)会得到各敏感点磁场的大小和相位共六项数据，而普通的线圈式传感器只可以得到线圈内部磁场的大小和相位共两项数据。有了更多的数据，就可以在方程中求得更多的关于缺陷长度、深度的信息，从而有利于解决缺陷定量化的问题。此外，采用可同时检测三方向的电涡流分布的检测传感器，可显著提高缺陷的检出性，大大提高扫描检测速度，对于实现大型被检对象的快速扫查，具有重要的理论和应用价值。

巨磁电阻使用芯片SS501A，它提供双极性输出信号，灵敏度为3.4～4.0。灵敏度δ＝电压变化量/(输入电压5V)*100％。使用TO92、TO92s、TO94封装，可以比较方便的改变磁敏感方向。

巨磁电阻后接放大电路，使用芯片AD620，该芯片是低功耗、高精度的仪用放大器，在放大倍数为10时，共模抑制比高达100dB。由于巨磁电阻芯片的输出电压属于毫伏级范围，使用AD620进行前级放大可以有效的减少从输入端引入的干扰。

如图1所示，基于巨磁电阻的电涡流检测传感器具有激励线圈1、巨磁电阻I2、巨磁电阻II3、巨磁电阻III4、放大电路I5、放大电路II6、放大电路III7，巨磁电阻I2、巨磁电阻II3、巨磁电阻III4以磁敏方向两两正交的方式放置，巨磁电阻I2与放大电路I5相连接，巨磁电阻II3与放大电路II6相连接，巨磁电阻III4与放大电路III7相连接，放大电路采用AD620放大芯片，且其数量与巨磁电阻个数相等。

如图2所示，巨磁电阻I2采用芯片SS501AI，巨磁电阻II3采用芯片SS501AII，巨磁电阻III4采用芯片SS501AIII，放大电路I5采用AD620I，放大电路II6采用AD620II，放大电路III7采用AD620III，SS501AI的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AI的第2脚与AD620I的第3脚连接，SS501AI的第3脚接模拟地，SS501AI的第4脚与AD620I的第2脚连接，SS501AII的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AII的第2脚与AD620II的第3脚连接，SS501AII的第3脚接模拟地，SS501AII的第4脚与AD620II的第2脚连接，SS501AIII的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AIII的第2脚与AD620III的第3脚连接，SS501AIII的第3脚接模拟地，SS501AIII的第4脚与AD620III的第2脚连接。

如图3所示，放大电路连接方式为：AD620I的第1脚通过第一电阻(R1)与AD620I的第8脚连接，AD620I的第4脚接负12v直流电源，AD620I的第2脚与SS501AI的第4脚连接，AD620I的第3脚与SS501AI的第2脚连接，AD620I的第7脚接正12v直流电源，AD620I的第5脚接模拟地，AD620I的第6脚为输出脚VI，AD620II的第1脚通过第一电阻(R2)与AD620II的第8脚连接，AD620II的第4脚接负12v直流电源，AD620II的第2脚与SS501AII的第3脚连接，AD620II的第3脚与SS501AII的第2脚连接，AD620II的第7脚接正12v直流电源，AD620II的第5脚接模拟地，AD620II的第6脚为输出脚VII，AD620III的第1脚通过第一电阻(R3)与AD620III的第8脚连接，AD620III的第4脚接负12v直流电源，AD620III的第2脚与SS501AIII的第4脚连接，AD620III的第3脚与SS501AIII的第2脚连接，AD620III的第7脚接正12v直流电源，AD620III的第5脚接模拟地，AD620III的第6脚为输出脚VIII，模拟信号地为输出信号GND。

基于巨磁电阻的电涡流检测方法采用激励线圈1产生交变的磁场，激励线圈1放置于被检测物体上方，激励线圈1与被检测物体之间放置磁敏感方向两两正交的巨磁电阻I2、巨磁电阻II3、巨磁电阻III4，巨磁电阻I2与放大电路I5相连接，巨磁电阻II3与放大电路II6相连接，巨磁电阻III4与放大电路III7相连接，放大电路I5、放大电路II6、放大电路III7输出为与巨磁电阻I2、巨磁电阻II3、巨磁电阻III4处磁场对应的电压信号，该电压信号包含被检测物体中的电涡流分布信息。

使用方法，首先给激励线圈提供正弦电压激励信号，然后给巨磁电阻I2、巨磁电阻II3、巨磁电阻III4提供5～10V的直流电压激励信号，输出电压VI、VII、VIII即代表了巨磁电阻I2、巨磁电阻II3、巨磁电阻III4处敏感方向上磁场的大小。

Claims

1.一种基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器，其特征在于它具有激励线圈(1)、巨磁电阻I(2)、巨磁电阻II(3)、巨磁电阻III(4)、放大电路I(5)、放大电路II(6)、放大电路III(7)，巨磁电阻I(2)、巨磁电阻II(3)、巨磁电阻III(4)以磁敏方向两两正交的方式放置，巨磁电阻I(2)与放大电路I(5)相连接，巨磁电阻II(3)与放大电路II(6)相连接，巨磁电阻III(4)与放大电路III(7)相连接，放大电路采用AD620芯片，且其数量与巨磁电阻个数相等，所述的巨磁电阻I(2)、巨磁电阻II(3)、巨磁电阻III(4)，这三个以磁敏方向两两正交的方式放置的巨磁电阻的位置在激励线圈与被检测物体之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器，其特征在于，所述的激励线圈(1)使用正弦交流电压激励，信号频率为0～1MHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器，其特征在于，所述的巨磁电阻I(2)采用芯片SS501AI，巨磁电阻II(3)采用芯片SS501AII，巨磁电阻III(4)采用芯片SS501AIII，放大电路I(5)采用AD620I，放大电路II(6)采用AD620II，放大电路III(7)采用AD620III，SS501AI的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AI的第2脚与AD620I的第3脚连接，SS501AI的第3脚接模拟地，SS501AI的第4脚与AD620I的第2脚连接，SS501AII的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AII的第2脚与AD620II的第3脚连接，SS501AII的第3脚接模拟地，SS501AII的第4脚与AD620II的第2脚连接，SS501AIII的第1脚接5～10V直流正电源，SS501AIII的第2脚与AD620III的第3脚连接，SS501AIII的第3脚接模拟地，SS501AIII的第4脚与AD620III的第2脚连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于三巨磁电阻的电涡流检测传感器，其特征在于，所述的AD620I的第1脚通过第一电阻(R1)与AD620I的第8脚连接，AD620I的第4脚接负12v直流电源，AD620I的第2脚与SS501AI的第4脚连接，AD620I的第3脚与SS501AI的第2脚连接，AD620I的第7脚接正12v直流电源，AD620I的第5脚接模拟地，AD620I的第6脚为输出脚VI，AD620II的第1脚通过第二电阻(R2)与AD620II的第8脚连接，AD620II的第4脚接负12v直流电源，AD620II的第2脚与SS501AII的第3脚连接，AD620II的第3脚与SS501AII的第2脚连接，AD620II的第7脚接正12v直流电源，AD620II的第5脚接模拟地，AD620II的第6脚为输出脚VII，AD620III的第1脚通过第三电阻(R3)与AD620III的第8脚连接，AD620III的第4脚接负12v直流电源，AD620III的第2脚与SS501AIII的第4脚连接，AD620III的第3脚与SS501AIII的第2脚连接，AD620III的第7脚接12v直流电源，AD620III的第5脚接模拟地，AD620III的第6脚为输出脚VIII。

5.一种使用如权利要求1所述传感器的基于三巨磁电阻的电涡流检测方法，其特征在于，它采用激励线圈(1)产生交变的磁场，激励线圈(1)放置于被检测物体上方，激励线圈(1)与被检测物体之间放置磁敏感方向两两正交的巨磁电阻I(2)、巨磁电阻II(3)、巨磁电阻III(4)，巨磁电阻I(2)与放大电路I(5)相连接，巨磁电阻II(3)与放大电路II(6)相连接，巨磁电阻III(4)与放大电路III(7)相连接，放大电路I(5)、放大电路II(6)、放大电路III(7)输出分别为与巨磁电阻I(2)、巨磁电阻II(3)、巨磁电阻III(4)处磁场对应的电压信号，该电压信号包含被检测物体中的电涡流分布信息。