CN101210905A - 具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头。激励线圈与数控移相器、数控幅值调节器、减法器相连接，激励线圈与相位差测量电路、单片机、调零触发电路相连接，巨磁电阻与相位差测量电路、单片机相连接，巨磁电阻与幅值测量电路、单片机相连接，巨磁电阻与减法器相连接，单片机与数控移相器、数控幅值调节器相连接。本发明采用巨磁电阻作为检测元件，且采用单个巨磁电阻就能实现自调零，提高了探头的灵敏度和调零精度。本发明可用于航空航天等重要领域的多层导电结构里层和深层缺陷的无损检测与评估。

Description

具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头

技术领域

本发明涉及一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头。

背景技术

电涡流检测技术成本低、检测速度快，是一种检测导电材料表层及隐藏缺陷的有效方法，在航空航天、核工业、运输等领域已经被广泛用于关键部件在役检测及故障诊断。

航空航天、核工业等行业对安全性要求极高，为了减少事故发生，必须及时检测关键系统、关键零部件的疲劳裂纹，尤其是隐藏在多层导电结构深层的以及位于零部件、铆钉孔边缘的疲劳裂纹和腐蚀等。因趋附效应限制，缺陷越深，检测系统工作频率越低，导致探头输出信号的变化率也越小；缺陷越靠近边缘和铆钉孔，边缘效应对探头信号影响越大。然而快速准确的识别及定量化检测多层或者较厚导电结构深层缺陷、导电结构边缘以及铆钉孔边缘缺陷是航空航天、核电等领域的关键部件检测中经常需要解决的问题。因此，电涡流检测技术在深层缺陷及边缘缺陷检测方面的应用仍然是一项挑战性课题。

为了解决深层缺陷和边缘缺陷检测的难题，需要研制高灵敏度的电涡流探头。要检测深层缺陷，必须降低工作频率以增加渗透深度；然而常规式电涡流探头采用线圈作为磁场传感器，其灵敏度与磁场的变化率成正比，因此降低工作频率也就降低了线圈式探头的灵敏度。近几年，基于巨磁电阻效应(巨磁电阻效应是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)原理制作的磁场传感器---巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，GMR)，因其灵敏度高、尺寸小，在电涡流无损检测技术领域日益得到重视。与线圈式电涡流探头不同的是，巨磁电阻电涡流探头采用灵敏度很高的巨磁电阻作为磁场传感器，它直接测量磁场大小，灵敏度与磁场的交变频率无关，在很宽的频率范围(DC-几MHz)内具有很高的灵敏度，且灵敏度几乎不变，因此巨磁电阻电涡流探头特别适用于多层导电结构深层缺陷检测。

要解决多层导电结构深层缺陷和边缘缺陷检测的难题，不仅需要高灵敏度的巨磁电阻电涡流探头，还需要提高巨磁电阻电涡流探头输出信号的动态范围(即探头调零)。因为多层导电结构以及边缘本身产生的信号往往很大，足以淹没缺陷信号。常规的电涡流探头一般采用双传感器以差动连接方式实现探头调零。这种调零方式方法简单、有效，从而使得差动调零式探头得到了广泛应用。然而，双传感器差动式调零方法的主要缺陷是：(1)需要参数非常一致的两个传感器，对加工制作要求很高；(2)双传感器差动式调零探头在检测过程中需要参考件，不方便用于检测大型装备、零部件和需要小尺寸探头的场合。

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头。本发明不仅灵敏度高，而且具有自调零功能，可用于航空航天等重要领域的多层导电结构里层和深层缺陷的无损检测与评估。

具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头硬件组成部分及连接关系为：激励线圈与数控移相器、数控幅值调节器、减法器相连接，激励线圈与相位差测量电路、单片机、调零触发电路相连接，巨磁电阻与相位差测量电路、单片机相连接，巨磁电阻与幅值测量电路、单片机相连接，巨磁电阻与减法器相连接，单片机与数控移相器、数控幅值调节器相连接。

具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头，采用线圈产生激励磁场，线圈底端固定有巨磁电阻。

所述的幅值测量电路为：第一乘法器的第1脚接第一乘法器的第8脚，第一乘法器的第2脚接地，第一乘法器的第3脚接负电源-5v，第一乘法器的第4脚与第一电阻的一端、第二电阻的一端相连接，第一乘法器的第5脚与第二电阻的另一端、第三电阻的一端相连接，第一乘法器的第6脚接正电源+5v，第一乘法器的第7脚接地，第一电阻的另一端接地，第三电阻的另一端与第一电容的一端、第四电阻的一端相连接，第四电阻的另一端与第二电容的一端、第一运放的第3脚相连接，第二电容的另一端接地，第一电容的另一端与第一运放的第2脚、第一运放的第6脚相连接。

所述的相位差测量电路为：第二乘法器的第1脚接巨磁电阻输出信号，第二乘法器的第2脚接地，第二乘法器的第3脚接负电源-5v，第二乘法器的第4脚与第五电阻的一端、第六电阻的一端相连接，第二乘法器的第5脚与第六电阻的另一端、第七电阻的一端相连接，第二乘法器的第6脚接正电源+5v，第二乘法器的第7脚接地，第二乘法器的第8脚接探头激励信号，第五电阻的另一端接地，第七电阻的另一端与第三电容的一端、第八电阻的一端相连接，第八电阻的另一端与第四电容的一端、第二运放的第3脚相连接，第四电容的另一端接地，第三电容的另一端与第二运放的第2脚、第二运放的第6脚相连接，比较器的第2、4、6脚接地，比较器的第3脚接巨磁电阻输出信号，比较器的第5脚接探头激励信号，比较器的第7脚与触发器的第3脚、第十电阻的一端相连接，比较器的第1脚与第九电阻的一端、触发器的第5脚相连接，比较器的第8脚与第九电阻的另一端、电源+5v、第十电阻的另一端相连接，触发器的第4、6脚接地，触发器的第1脚的输出信号为相位差超前滞后判断信号。

所述的数控移相器电路为：加法器与数控幅值调节器、模拟开关、反相器、模拟开关、数控幅值调节器、加法器相连接，反相器与90度移相器、模拟开关相连接，反相器与90度移相器、模拟开关相连接。

所述的数控幅值调节器电路为：数字电位器的第1脚悬空，数字电位器的第2脚接地，数字电位器的第3脚接片选信号CS，数字电位器的第4脚接单片机SPI总线的SDI信号，数字电位器的第5脚接单片机SPI总线的CLK信号，数字电位器的第6脚接正电源+5v，数字电位器的第7脚与第三运放的第6脚、第十二电阻的一端相连接，数字电位器的第8脚与第三运放的第2脚、第十一电阻的一端相连接，输入信号U_in接第十一电阻的另一端，第三运放的第3脚接地，第十二电阻的另一端与第四运放的第2脚、第十三电阻的一端相连接，第四运放的第3脚接地，第十三电阻的另一端接第四运放的第6脚。

本发明具有的有益效果：

1)本发明仅需单个巨磁电阻就可实现探头调零，避免了两个巨磁电阻参数不匹配产生的问题，提高了探头调零精度，进而增大了探头输出信号的动态范围；

2)本发明采用巨磁电阻作为检测元件，提高了探头的灵敏度和分辨率，尤其适用于低频(＜100Hz)工作范围；

3)本发明在检测前已经完成了调零工作，因此在检测过程中不再需要参考件，可方便用于检测大型装备和需要小尺寸探头的场合。

4)探头调零电路与单片机技术、集成电路技术结合，提高了巨磁电阻电涡流探头的智能化水平。

附图说明

图1是具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头结构框图；

图2是本发明的幅值测量电路图；

图3是本发明的相位差测量电路图；

图4是本发明的数控移相器电路框图；

图5是本发明的数控幅值调节器电路图。

具体实施方式

如图1所示，具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头中的激励线圈与数控移相器、数控幅值调节器、减法器相连接，激励线圈与相位差测量电路、单片机、调零触发电路相连接，巨磁电阻与相位差测量电路、单片机相连接，巨磁电阻与幅值测量电路、单片机相连接，巨磁电阻与减法器相连接，单片机与数控移相器、数控幅值调节器相连接。探头采用线圈产生激励磁场，线圈底端固定有巨磁电阻。

巨磁电阻是基于巨磁电阻效应的磁场测量传感器。所谓巨磁电阻效应是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，巨磁电阻直接测量磁场大小，其灵敏度与磁场的交变频率无关，在很宽的频率范围(DC-几MHz)内具有很高的灵敏度，且灵敏度几乎不变。

目前测量磁场的传感器有很多。基于超导量子干涉(SQUID)原理的磁场传感器虽然灵敏度非常高，但是结构复杂、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制作简单、成本低，但在静态或者低频磁场测量方面性能较差；基于磁通门原理的磁场传感器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)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；霍尔传感器虽然成本低，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；而巨磁电阻则不仅灵敏度高、温度稳定性好，而且成本低，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。

表1不同类型磁场传感器的比较

	GMR	HALL	AMR
				尺寸	小	小	大
信号水平	大	小	中
				灵敏度	高	低	高
温度稳定性	高	低	中
				功耗	低	低	高
成本	低	低	高

表2不同磁场传感器可探测磁场范围及市场价格

较之传统的线圈式和HALL等磁场传感器式探头，巨磁电阻电涡流探头具有以下优点：(1)巨磁电阻直接检测磁场强度大小，因而灵敏度不受激励频率的影响；(2)巨磁电阻尺寸小，检测信号畸变也非常小；(3)温度稳定性好，因此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SQUID、FLUXGATE、AMR、HALL等众多磁场传感器相比，巨磁电阻成本低、可测量磁场范围宽、信噪比高、功耗低。

巨磁电阻电涡流探头的自调零过程如下：将巨磁电阻电涡流探头放置于参考件之上，由调零触发电路启动探头调零过程。由幅值测量电路和相位差测量电路分别测量巨磁电阻输出信号的幅值、巨磁电阻输出信号与探头激励信号的相位差。测量结果经单片机处理后用于确定移相电路和幅值调节电路的参数。使探头激励信号依次经过数控移相器和数控幅值调节器，从而获得与巨磁电阻输出信号的幅值和相位完全一致的信号，并作为探头调零参考信号。巨磁电阻输出信号与参考信号的差作为探头的最终输出信号，且调零过程不需要人工干预，从而实现了巨磁电阻电涡流探头的自调零。本发明在检测前已经完成了调零工作，因此在检测过程中不再需要参考件，可方便用于检测大型装备和需要小尺寸探头的场合。

如图2所示，幅值测量电路为：第一乘法器U₁的第1脚接第一乘法器U₁的第8脚，第一乘法器U₁的第2脚接地，第一乘法器U₁的第3脚接负电源-5v，第一乘法器U₁的第4脚与第一电阻R₁的一端、第二电阻R₂的一端相连接，第一乘法器U₁的第5脚与第二电阻R₂的另一端、第三电阻R₃的一端相连接，第一乘法器U₁的第6脚接正电源+5v，第一乘法器U₁的第7脚接地，第一电阻R₁的另一端接地，第三电阻R₃的另一端与第一电容C₁的一端、第四电阻R₄的一端相连接，第四电阻R₄的另一端与第二电容C₂的一端、第一运放U₂的第3脚相连接，第二电容C₂的另一端接地，第一电容C₁的另一端与第一运放U₂的第2脚、第一运放U₂的第6脚相连接。

本发明的幅值测量电路以模拟乘法器AD835和运放U₂为核心，如图2所示。因AD835的两路输入信号都来自巨磁电阻输出信号，因此幅值测量电路输出与巨磁电阻输出信号幅值关系如下式所示：

$U=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{A}^2{\cos }^2(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\mathrm{dt}=\frac{A^2}{2}---\left(1\right)$

式中U为幅值测量电路输出；T为巨磁电阻输出信号周期；A为巨磁电阻输出信号幅值；ω为巨磁电阻输出信号角频率；θ为巨磁电阻输出信号相位；t为时间积分变量。

(1)式给出了幅值测量电路的输出U与巨磁电阻输出信号幅值A的关系。幅值测量电路采用了锁相放大技术，从而提高了幅值测量精度。

如图3所示，相位差测量电路为：第二乘法器U₃的第1脚接巨磁电阻输出信号，第二乘法器U₃的第2脚接地，第二乘法器U₃的第3脚接负电源-5v，第二乘法器U₃的第4脚与第五电阻R₅的一端、第六电阻R₆的一端相连接，第二乘法器U₃的第5脚与第六电阻R₆的另一端、第七电阻R₇的一端相连接，第二乘法器U₃的第6脚接正电源+5v，第二乘法器U₃的第7脚接地，第二乘法器U₃的第8脚接探头激励信号，第五电阻R₅的另一端接地，第七电阻R₇的另一端与第三电容C₃的一端、第八电阻R₈的一端相连接，第八电阻R₈的另一端与第四电容C₄的一端、第二运放U₄的第3脚相连接，第四电容C₄的另一端接地，第三电容C₃的另一端与第二运放U₄的第2脚、第二运放U₄的第6脚相连接，比较器U₅的第2、4、6脚接地，比较器U₅的第3脚接巨磁电阻输出信号，比较器U₅的第5脚接探头激励信号，比较器U₅的第7脚与触发器U₆的第3脚、第十电阻R₁₀的一端相连接，比较器U₅的第1脚与第九电阻R₉的一端、触发器U₆的第5脚相连接，比较器U₅的第8脚与第九电阻R₉的另一端、电源+5v、第十电阻R₁₀的另一端相连接，触发器U₆的第4、6脚接地，触发器U₆的第1脚的输出信号为相位差超前滞后判断信号。

本发明的相位差测量电路也是以模拟乘法器AD835和运放U₄为核心。但与幅值测量电路不同，相位差测量电路的两路输入信号分别为巨磁电阻输出信号和探头激励信号。因此，相位差测量电路输出和巨磁电阻输出信号与探头激励信号的相位差关系如下式表示：

$U=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}A\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})*B\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{AB}}{2}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

式中U为相位差测量电路输出；T为信号周期；A为巨磁电阻输出信号幅值；ω为信号角频率；θ为巨磁电阻输出信号相位；B为探头激励信号幅值；t为时间积分变量。

(2)式给出了相位差测量电路输出U与巨磁电阻输出信号幅值A、激励信号幅值B以及巨磁电阻输出信号与激励信号相位差θ的关系。巨磁电阻输出信号幅值已由探头幅值测量电路测得，而探头激励信号幅值是已知量，所以由表达式(2)可以求得巨磁电阻输出信号与探头激励信号的相位差。相位差测量电路采用了锁相放大技术，提高了相位差测量精度。

为了判断巨磁电阻输出信号的相位是超前还是滞后于探头激励信号，相位差测量电路中包含了相位超前滞后判断电路。由比较器LM393将巨磁电阻输出信号、探头激励信号转换为方波。与巨磁电阻输出信号对应的方波信号和D触发器MC14013的第5脚数据输入端连接；与探头激励信号对应的方波信号作为D触发器MC14013的时钟信号。为了保证D触发器MC14013的复位端和置位端不影响输出，两者均接地。因此，根据MC14013真值表可得，若巨磁电阻输出信号的相位超前，则MC14013的输出端(第1脚)为1；反之，则MC14013的输出端(第1脚)为0。单片机读取MC14013的输出端(第1脚)信号，并由此判断巨磁电阻输出信号是超前于探头激励信号还是滞后于探头激励信号。

测得巨磁电阻输出信号幅值和巨磁电阻输出信号与探头激励信号的相位差后，通过对激励信号进行移相和幅值调整，产生探头调零参考信号。

如图4所示，数控移相器电路为：加法器与数控幅值调节器、模拟开关、反相器、模拟开关、数控幅值调节器、加法器相连接，反相器与90度移相器、模拟开关相连接，反相器与90度移相器、模拟开关相连接。

本发明的移相电路采用矢量合成法实现。矢量合成法移相原理如下：

Ccos(ωt+θ)＝Acos(ωt)+Bsin(ωt)    (3)

式中：A、B、C分别为信号幅值，ω为信号角频率，t为时间，θ为相位。根据三角函数两角和公式，可知 $C=\sqrt{A^2+B^2},$ $\tan \mathrm{\θ}=\frac{B}{A}\·$

根据矢量合成法移相原理，由90°移相器及反相器分别获得与探头激励信号相差90°、180°、270°的信号，从而实现探头激励信号在0-360°范围内移相。为了简化矢量合成中的加法器，根据巨磁电阻输出信号与探头激励信号相位差，通过单片机控制两个模拟开关，一个在探头激励信号和与探头激励信号相差90°的两路信号中选择一路，另一个在探头激励信号的反相信号和与探头激励信号相差270°的两路信号中选择一路。这两路信号分别通过两路数控幅值调节器进行幅值调整，最后由加法器获得与巨磁电阻输出信号同相位的信号。

如图5所示，数控幅值调节器电路为：数字电位器U₇的第1脚悬空，数字电位器U₇的第2脚接地，数字电位器U₇的第3脚接片选信号

，数字电位器U₇的第4脚接单片机SPI总线的SDI信号，数字电位器U₇的第5脚接单片机SPI总线的CLK信号，数字电位器U₇的第6脚接正电源+5v，数字电位器U₇的第7脚与第三运放U₈的第6脚、第十二电阻R₁₂的一端相连接，数字电位器U₇的第8脚与第三运放U₈的第2脚、第十一电阻R₁₁的一端相连接，输入信号U_in接第十一电阻R₁₁的另一端，第三运放U₈的第3脚接地，第十二电阻R₁₂的另一端与第四运放U₉的第2脚、第十三电阻R₁₃的一端相连接，第四运放U₉的第3脚接地，第十三电阻R₁₃的另一端接第四运放U₉的第6脚。

为了实现探头输出调零，还需要对移相后的信号进行幅值调整。本发明装置的数控幅值调节器采用了高精度的数字电位器AD8400。单片机采用SPI总线方式控制AD8400，结合运放U₈和运放U₉实现了放大(衰减)倍数的自动控制，从而获得与巨磁电阻输出信号幅值、相位完全一致的调零参考信号。将巨磁电阻输出信号与参考信号的差作为探头输出信号，从而实现电涡流探头的调零。因调零过程无需人工干预，是自动实施的，所以本发明的巨磁电阻电涡流探头具有自调零功能。

Claims (6)

1.一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头，其特征在于，激励线圈与数控移相器、数控幅值调节器、减法器相连接，激励线圈与相位差测量电路、单片机、调零触发电路相连接，巨磁电阻与相位差测量电路、单片机相连接，巨磁电阻与幅值测量电路、单片机相连接，巨磁电阻与减法器相连接，单片机与数控移相器、数控幅值调节器相连接。

2.一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头，其特征在于，探头采用线圈产生激励磁场，线圈底端固定有巨磁电阻。

3.根据权利要求1所述的一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头，其特征在于，所述的幅值测量电路为：第一乘法器(U₁)的第1脚接第一乘法器(U₁)的第8脚，第一乘法器(U₁)的第2脚接地，第一乘法器(U₁)的第3脚接负电源-5v，第一乘法器(U₁)的第4脚与第一电阻(R₁)的一端、第二电阻(R₂)的一端相连接，第一乘法器(U₁)的第5脚与第二电阻(R₂)的另一端、第三电阻(R₃)的一端相连接，第一乘法器(U₁)的第6脚接正电源+5v，第一乘法器(U₁)的第7脚接地，第一电阻(R₁)的另一端接地，第三电阻(R₃)的另一端与第一电容(C₁)的一端、第四电阻(R₄)的一端相连接，第四电阻(R₄)的另一端与第二电容(C₂)的一端、第一运放(U₂)的第3脚相连接，第二电容(C₂)的另一端接地，第一电容(C₁)的另一端与第一运放(U₂)的第2脚、第一运放(U₂)的第6脚相连接。

4.根据权利要求1所述的一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头，其特征在于，所述的相位差测量电路为：第二乘法器(U₃)的第1脚接巨磁电阻输出信号，第二乘法器(U₃)的第2脚接地，第二乘法器(U₃)的第3脚接负电源-5v，第二乘法器(U₃)的第4脚与第五电阻(R₅)的一端、第六电阻(R₆)的一端相连接，第二乘法器(U₃)的第5脚与第六电阻(R₆)的另一端、第七电阻(R₇)的一端相连接，第二乘法器(U₃)的第6脚接正电源+5v，第二乘法器(U₃)的第7脚接地，第二乘法器(U₃)的第8脚接探头激励信号，第五电阻(R₅)的另一端接地，第七电阻(R₇)的另一端与第三电容(C₃)的一端、第八电阻(R₈)的一端相连接，第八电阻(R₈)的另一端与第四电容(C₄)的一端、第二运放(U₄)的第3脚相连接，第四电容(C₄)的另一端接地，第三电容(C₃)的另一端与第二运放(U₄)的第2脚、第二运放(U₄)的第6脚相连接，比较器(U₅)的第2、4、6脚接地，比较器(U₅)的第3脚接巨磁电阻输出信号，比较器(U₅)的第5脚接探头激励信号，比较器(U₅)的第7脚与触发器(U₆)的第3脚、第十电阻(R₁₀)的一端相连接，比较器(U₅)的第1脚与第九电阻(R₉)的一端、触发器(U₆)的第5脚相连接，比较器(U₅)的第8脚与第九电阻(R₉)的另一端、电源+5v、第十电阻(R₁₀)的另一端相连接，触发器(U₆)的第4、6脚接地，触发器(U₆)的第1脚的输出信号为相位差超前滞后判断信号。

5.根据权利要求1所述的一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头，其特征在于，所述的数控移相器电路为：加法器与数控幅值调节器、模拟开关、反相器、模拟开关、数控幅值调节器、加法器相连接，反相器与90度移相器、模拟开关相连接，反相器与90度移相器、模拟开关相连接。

6.根据权利要求1所述的一种具有自调零功能的巨磁电阻电涡流探头，其特征在于，所述的数控幅值调节器电路为：数字电位器(U₇)的第1脚悬空，数字电位器(U₇)的第2脚接地，数字电位器(U₇)的第3脚接片选信号CS，数字电位器(U₇)的第4脚接单片机SPI总线的SDI信号，数字电位器(U₇)的第5脚接单片机SPI总线的CLK信号，数字电位器(U₇)的第6脚接正电源+5v，数字电位器(U₇)的第7脚与第三运放(U₈)的第6脚、第十二电阻(R₁₂)的一端相连接，数字电位器(U₇)的第8脚与第三运放(U₈)的第2脚、第十一电阻(R₁₁)的一端相连接，输入信号U_in接第十一电阻(R₁₁)的另一端，第三运放(U₈)的第3脚接地，第十二电阻(R₁₂)的另一端与第四运放(U₉)的第2脚、第十三电阻(R₁₃)的一端相连接，第四运放(U₉)的第3脚接地，第十三电阻(R₁₃)的另一端接第四运放(U₉)的第6脚。

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