CN104407047A - 一种基于tmr磁场传感器阵列的涡流检测探头及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头及其检测方法，属于电磁检测装置领域。本发明包括矩形双层印刷电路板、平面直角螺旋线圈Ⅰ、平面直角螺旋线圈Ⅱ、平面直角螺旋线圈Ⅲ、平面直角螺旋线圈Ⅳ、TMR磁场传感器组Ⅰ、TMR磁场传感器组Ⅱ、TMR磁场传感器组Ⅲ、TMR磁场传感器组Ⅳ、一维线形传感器阵列、跳线Ⅰ、跳线Ⅱ、跳线Ⅲ。本发明解决了常规线圈式探头在检测深层缺陷时灵敏度与空间分辨率无法兼得的问题；本发明通过使用逻辑开关电路实现不同的检测方式，可以达到多种检测目的；克服了常规线圈式探头对缺陷方向的依赖性；大大提高了检测效率；克服了常规线圈式探头对缺陷方向的依赖性；探头样式简洁且方便组装。

Description

一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头及其检测方法，属于电磁检测装置领域。

背景技术

电涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的一种常规无损检测方法。电涡流检测的原理是：当导体处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，电流的流通路径往往犹如水中的漩涡，因此称为涡电流或者电涡流，简称涡流。涡流的大小、相位及分布受试件的影响，反作用于线圈，使检测线圈阻抗发生变化，通过测定检测线圈阻抗变化，就可以获得被测试件的内部结构、材质分布、是否存在缺陷以及试件与线圈的耦合情况等信息。若保持系统的若干参数不变，就可以对另外一些参数做出评估。常规涡流检测一般使用线圈式检测探头，线圈式探头适合检测导体材料中深度较浅、尺寸较大的缺陷，缺点是低频性能较差，降低激励频率会导致探头灵敏度大幅减弱，这意味着线圈式探头不适合检测深层微小缺陷。另外，在常规涡流检测中，线圈式探头一般在沿着能明显切断涡流流通路径的方向上扫描时才可以有效检出缺陷，而且通常只使用单个探头进行检测，这些因素都不同程度地制约了涡流检测系统效率的提高。

本发明选用最新一代磁场传感器——隧穿磁阻（Tunneling Magnetoresistance, TMR）传感器作为检测探头阵列单元。TMR磁场传感器与巨磁电阻（Giant Magneto Resistance, GMR）传感器相比，在更微弱的磁场下就能获得显著的电阻改变，可以利用其研制和开发更多适用于各种场合的高性能新式探头。

发明内容

针对上述现有技术，为解决探头不适合检测深层微小缺陷、传统的单一涡流检测探头检测效率较低、常规线圈式探头在检测深层缺陷时灵敏度与空间分辨率无法兼得、常规线圈式探头对缺陷方向的依赖性的问题，本发明提供了一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头及其检测方法。

本发明的技术方案是：一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头，包括矩形双层印刷电路板1、平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9、一维线形传感器阵列10、跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13；

所述矩形双层印刷电路板1为检测探头的基底，利用其上、下两层的外表面和两层间的接合面布置检测探头的部件；

所述矩形双层印刷电路板1上层外表面：使用印刷电路板制作工艺，按照四象限的分布形式将平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5等间隔地印刷在矩形双层印刷电路板1上层外表面；其中，平面直角螺旋线圈每匝导线线宽相等，相邻平面直角螺旋线圈间距相同，相邻两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相反，对角两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相同，4个平面直角螺旋线圈的内外端点各有一个焊点，分别为a、b，c、d，e、f，g、h，并引出抽头；

所述矩形双层印刷电路板1下层外表面：矩形双层印刷电路板1下层外表面在对应基底上层外表面4个平面直角螺旋线圈各自中心位置分别放置TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9；其中，每组TMR磁场传感器包含3枚两两相互垂直且感应轴方向与激励磁场方向垂直的TMR磁场传感器，共需12枚TMR磁场传感器；在中心轴上放置一组5枚TMR磁场传感器组成的一维线形传感器阵列10；其中，5枚TMR磁场传感器间距相等，感应轴方向相同且垂直于线圈对称轴，几何中心成一条直线且与线圈对称轴重合，中间一枚位于基底几何中心；

所述矩形双层印刷电路板1两层接合面上层：设置跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13，分别连接焊点a和h、d和e、g和f；

每个平面直角螺旋线圈的内外端点处的焊点，分别引出抽头，并行连接到逻辑开关电路，再与激励信号源相连；4个平面直角螺旋线圈中心位置对应的4组TMR磁场传感器组输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；组成一维线形阵列的5枚TMR磁场传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；检测探头各部件的连接线全部集成在矩形双层印刷电路板1上；TMR磁场传感器电源引脚Vcc与3V稳压直流电源相连，接地引脚GND与检测系统公共接地端相连。

所述信号采集装置包括低通滤波器、功率放大器、数据采集卡三部分，三者依次连接，数据采集卡的输出端与上位机连接，激励信号源、逻辑开关电路、数据采集卡、上位机分别与控制器相连。

一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头的检测方法，

根据被测对象的实际情况和检测要求确定检测方式分别为单象限循环单传感器组方式、四象限全时四传感器组方式、四象限全时线形阵列方式：

如果为单象限循环单传感器组方式：按照平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5的循环顺序，控制激励信号源给相应的平面直角螺旋线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对被测对象进行扫描且涡流检测探头中的对应被激励线圈中心位置的一组TMR磁场传感器对扰动磁场的幅值进行测量后输出对应TMR磁场传感器组的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，得到被测对象缺陷的相关参数，实现缺陷的定量化评估。这种方式能对以检测探头为中心区域内的缺陷进行精细检测准确给出缺陷的相关参数，以便对被测对象进行定量化评估，同时可根据需要实时改变加载的激励信号的平面直角螺旋线圈，对相应区域进行重点检测，使用方便灵活。

如果为四象限全时四传感器组方式：3条跳线Ⅰ11、跳线Ⅲ13、跳线Ⅱ12连接平面直角螺旋线圈的内外端点a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅱ3的顺序连接相邻两个平面直角螺旋线圈中前一个线圈的内端点与后一个线圈的外端点，不连接平面直角螺旋线圈Ⅰ2的外端点b和平面直角螺旋线圈Ⅱ3的内端点c，于是4个平面直角螺旋线圈由3条跳线首尾连接构成统一的激励线圈，控制激励信号源在b和c两点给激励线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对被测对象进行扫描且涡流检测探头中的四组TMR磁场传感器同时对扰动磁场的幅值进行测量后输出四组TMR磁场传感器的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，得到被测对象缺陷的相关参数。这种检测方式可同时对4个线圈对应的范围进行全面检测，相对位置分布较合适的4组TMR磁场传感器可以对扰动磁场进行全面地测量，因此适合应用于对试件进行快速大面积扫查，并给出缺陷范围和相关参数；在高频激励下可以较准确的得到被测材料表面的平整度和检测探头提离等信息，抑制了被测对象形状不规则或内部物理特性变化不均匀引起的信号差异，适合对焊接区进行检测。

如果为四象限全时线形阵列方式：3条跳线Ⅰ11、跳线Ⅲ13、跳线Ⅱ12连接平面直角螺旋线圈的内外端点a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅱ3的顺序连接相邻两个平面直角螺旋线圈中前一个线圈的内端点与后一个线圈的外端点，不连接平面直角螺旋线圈Ⅰ2的外端点b和平面直角螺旋线圈Ⅱ3的内端点c，于是4个平面直角螺旋线圈由3条跳线首尾连接构成统一的激励线圈，控制激励信号源在b和c两点给激励线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对被测对象进行扫描且涡流检测探头中的一维线形传感器阵列5枚TMR磁场传感器同时对扰动磁场的幅值进行测量后输出一维线形传感器阵列5枚TMR磁场传感器的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，得到被测对象缺陷的相关参数。这种检测方式适合对较大范围进行快速扫描，例如对大面积板状或大直径管状的被测材料如板材、机翼等进行快速检测。

其中，扰动磁场为激励线圈产生的初级磁场和被测对象中的涡流产生的次级磁场合成的磁场。

当3条跳线将焊点a和h、d和e、g和f断开后，则可分别对任何一个平面直角螺旋线圈加载激励型号，此时相当于探头包含4个激励线圈；当3条跳线将焊点a和h、d和e、g和f连接后，4个平面直角螺旋线圈可构成一个统一激励线圈。所谓统一激励线圈，就是当激励线圈通入交变激励信号时，激励线圈可产生统一的时变磁场。当激励信号源在b和c两焊点给激励线圈加载激励信号时，激励信号流经全部4个平面直角螺旋线圈，产生一个统一的时变激励磁场。

本发明的工作原理是：

选用多维科技生产的MMLH45F型TMR磁场传感器作为阵列探头检测单元，其芯片引脚如图8所示，使用3V稳压直流电源供电，单片MMLH45F的尺寸为6mm×5mm×1.7mm，采用SOP8封装形式；MMLH45F型TMR磁场传感器中封装了4枚非屏蔽磁敏感元件，构成推挽式惠斯通电桥，当外加磁场沿平行于磁敏感元件方向变化时，惠斯通电桥有差分电压输出。

实际使用本发明涡流检测探头进行缺陷检测之前，按照如图7所示连接方法将本发明与相关涡流检测系统进行连接。涡流检测探头通过逻辑开关电路与激励信号源和信号采集装置进行连接，具体连接方法是：4个平面直角螺旋线圈的8个焊点a~h分别引出抽头，并行连接到逻辑开关电路，然后将逻辑开关电路与激励信号源输出端相连；4个平面直角螺旋线圈中心位置对应的4组TMR磁场传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，然后将逻辑开关电路与信号采集装置的低通滤波器相连；组成一维线形阵列的5枚TMR磁场传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，然后将逻辑开关电路与信号采集装置的低通滤波器相连。涡流检测探头与3V稳压直流电源输出端直接相连，即将3V稳压直流电源输出端直接连接到TMR磁场传感器的电源引脚Vcc。TMR磁场传感器的接地引脚GND与涡流检测系统的公共接地端连接。激励信号源通过逻辑开关电路连接涡流检测探头的平面直角螺旋线圈，后者加载激励信号产生空间激励磁场。信号采集装置包括低通滤波器、功率放大器、数据采集卡三部分，三者依次连接，数据采集卡的输出端与上位机连接，信号采集装置采集TMR磁场传感器输出信号并输送给上位机，上位机对采集到的输出信号进行分析得到检测结果。控制器分别与激励信号源、逻辑开关电路、数据采集卡、上位机相连，控制、协调检测系统中各个部分的运行与通讯。

使用一定占空比的脉冲方波作为激励信号，可以使用数字频率合成（DDS）电路作为脉冲激励信号源；脉冲涡流检测技术可对被测试件大面积不同深度缺陷进行扫描检测，操作简单，可以大大提高检测速度和效率。为实现不同的“激励—检测”方式，逻辑开关电路在控制器控制下导通或断开某些支路，给相应的平面直角螺旋线圈加载激励信号、采集加载激励信号的平面直角螺旋线圈对应的TMR磁场传感器输出信号。默认情况下，逻辑开关电路均为断开状态，需要产生特定的激励磁场时对应的平面直角螺旋线圈才会被选中并通入激励信号，不参与测量磁场的TMR磁场传感器不会将输出信号传输给信号采集装置。逻辑开关电路使用高速模拟开关芯片ADG1414搭建，ADG1414是一组独立八通道单刀单掷(SPST)开关，通过一个三线式串行接口进行控制，能够以最高50MHz的时钟速率工作，与DSP接口标准兼容。数据以8位形式写入ADG1414，每一位对应一个通道，利用移位寄存器的输出，可以将若干ADG1414以菊花链形式相连扩展。

由于输出信号幅值较弱且含有噪声，通常先将输出信号经低通滤波和信号放大处理后再由数据采集卡进行采集，所以信号采集装置包括低通滤波器、功率放大器和数据采集卡三部分。数据采集卡可以使用NI的PCIe-6343型数据采集卡，它提供32路模拟量输入和4路模拟量输出，使用PCI Express总线与PC上位机交换数据。数据采集卡将采集到的输出信号经过A/D转换后输送给上位机，上位机对输出信号进行分析，得到检测结果。其中，低通滤波器使用MAX275有源滤波器芯片搭建；功率放大器采用甲乙类推挽放大电路；上位机对信号采集装置采集的TMR磁场传感器信号进行分析处理，得到检测结果并由显示器显示。可以使用Labview软件编写的涡流检测程序，先通过对TMR磁场传感器的信号进行处理和计算得到涡流信号的幅值、相位等信息，再由涡流检测程序进一步分析涡流信号得到被测对象中缺陷的相关参数等信息。

控制器用于控制、协调检测系统中各个部分的运行与通讯，可以使用单片机或FPGA。具体作用包括：控制激励信号源产生脉冲激励信号；控制通断逻辑开关电路及其通断频率；选择对应加载脉冲激励信号的平面直角螺旋线圈的焊点（抽头）；控制数据采集卡采集对应TMR芯片的输出信号；控制数据采集卡的采样率。

本发明的有益效果是：

1、本发明选用最新一代磁场传感器TMR作为检测探头阵列单元，与前几代磁场传感器相比，TMR具有更宽的线性范围、更低的功耗和更好的温度稳定性。TMR磁场传感器的电阻变化率最大可达200%以上，保证了使用TMR磁场传感器的检测探头具有非常高的灵敏度和空间分辨率。

2、本发明使用TMR磁场传感器代替常规线圈式探头，具有较好的低频性能，在低频激励时能有效检出深层缺陷，解决了常规线圈式探头在检测深层缺陷时灵敏度与空间分辨率无法兼得的问题。

3、本发明通过使用逻辑开关电路实现不同的检测方式，可以达到多种检测目的。

4、本发明中，PCB基底下层外表面，在对应基底上层外表面平面直角螺旋线圈中心位置放置了4组TMR磁场传感器，每组TMR磁场传感器包含3枚两两相互垂直且感应轴方向与激励磁场方向垂直的TMR磁场传感器，这种磁场传感器的布置方式克服了常规线圈式探头对缺陷方向的依赖性。

5、本发明中，PCB基底下层外表面，在关于线圈Ⅰ、Ⅳ和线圈Ⅱ、Ⅲ的对称轴上放置一组5枚TMR磁场传感器组成一维线形传感器阵列，使用这种一维线形检测元件阵列在同样的扫描情况下能获得远多于单个常规线圈式探头检测时获得的信息，大大提高了检测效率。

6、本发明检测探头各部件的连接线全部集成在PCB基底上，使探头样式简洁且方便组装。

附图说明

图1是本发明涡流检测探头的上层外表面结构图；

图2是本发明涡流检测探头的下层外表面结构图；

图3是本发明平面直角螺旋线圈绕行方向示意图；

图4是本发明一组对应平面直角螺旋线圈中心位置TMR磁场传感器布置示意图俯视图；

图5是本发明一组对应平面直角螺旋线圈中心位置TMR磁场传感器布置示意图透视图；

图6是本发明一维线形TMR磁场传感器阵列布置示意图；

图7是本发明涡流检测探头及相关检测系统的连接框图；

图8是本发明选用的MMLH45型TMR磁场传感器芯片引脚图；

图9为一组关于平面直角螺旋线圈参数的有效参考数值；

图中各标号：1为矩形双层印刷电路板、2为平面直角螺旋线圈Ⅰ、3为平面直角螺旋线圈Ⅱ、4为平面直角螺旋线圈Ⅲ、5为平面直角螺旋线圈Ⅳ、6为TMR磁场传感器组Ⅰ、7为TMR磁场传感器组Ⅱ、8为TMR磁场传感器组Ⅲ、9为TMR磁场传感器组Ⅳ、10为一维线形传感器阵列、11为跳线Ⅰ、12为跳线Ⅱ、13为跳线Ⅲ。

具体实施方式

实施例1：如图1-9所示，一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头，包括矩形双层印刷电路板1、平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9、一维线形传感器阵列10、跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13；

所述矩形双层印刷电路板1为检测探头的基底，利用其上、下两层的外表面和两层间的接合面布置检测探头的部件；

所述矩形双层印刷电路板1上层外表面：使用印刷电路板制作工艺，按照四象限的分布形式将平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5等间隔地印刷在矩形双层印刷电路板1上层外表面；其中，平面直角螺旋线圈每匝导线线宽相等，相邻平面直角螺旋线圈间距相同，相邻两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相反，对角两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相同，4个平面直角螺旋线圈的内外端点各有一个焊点，分别为a、b，c、d，e、f，g、h，并引出抽头；

所述矩形双层印刷电路板1下层外表面：矩形双层印刷电路板1下层外表面在对应基底上层外表面4个平面直角螺旋线圈各自中心位置分别放置TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9；其中，每组TMR磁场传感器包含3枚两两相互垂直且感应轴方向与激励磁场方向垂直的TMR磁场传感器，共需12枚TMR磁场传感器；在中心轴上放置一组5枚TMR磁场传感器组成的一维线形传感器阵列10；其中，5枚TMR磁场传感器间距相等，感应轴方向相同且垂直于线圈对称轴，几何中心成一条直线且与线圈对称轴重合，中间一枚位于基底几何中心；

所述矩形双层印刷电路板1两层接合面上层：设置跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13，分别连接焊点a和h、d和e、g和f；

每个平面直角螺旋线圈的内外端点处的焊点，分别引出抽头，并行连接到逻辑开关电路，再与激励信号源相连；4个平面直角螺旋线圈中心位置对应的4组TMR磁场传感器组输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；组成一维线形阵列的5枚TMR磁场传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；检测探头各部件的连接线全部集成在矩形双层印刷电路板1上；TMR磁场传感器电源引脚Vcc与3V稳压直流电源相连，接地引脚GND与检测系统公共接地端相连。

所述信号采集装置包括低通滤波器、功率放大器、数据采集卡三部分，三者依次连接，数据采集卡的输出端与上位机连接，激励信号源、逻辑开关电路、数据采集卡、上位机分别与控制器相连。

图9给出了一组关于平面直角螺旋线圈参数的有效参考数值，经过仿真验证具有该参数值的直角螺旋线圈可以产生理想的空间时变磁场。

一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头的检测方法，

当需要对被测对象含有的缺陷、损伤进行精细检测并且得出缺陷、损伤的准确的量化参数，例如裂纹准确的长度、走向、深度等参数，或者需要检测被测对象的电导率、磁导率，以及板材厚度、漆层厚度等参数时，此时应选择“单象限循环单传感器组方式”检测方式。这种检测方式可根据需要实时改变加载的激励信号的平面直角螺旋线圈，对相应区域进行重点检测，使用方便灵活。

以对机翼损伤进行精细检测为例。按照平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5的循环顺序，控制激励信号源给相应的平面直角螺旋线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对机翼存在损伤的区域进行重点扫描，同时涡流检测探头中的对应被激励线圈中心位置的一组TMR磁场传感器对扰动磁场的幅值进行测量后输出对应TMR磁场传感器组的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，得到以检测探头为中心区域内机翼损伤的精细检测结果，得到机翼损伤——如裂纹的准确长度、走向、深度等参数，以便检测人员对机翼损伤情况进行定量化评估。

实施例2：如图1-9所示，一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头，包括矩形双层印刷电路板1、平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9、一维线形传感器阵列10、跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13；

所述矩形双层印刷电路板1为检测探头的基底，利用其上、下两层的外表面和两层间的接合面布置检测探头的部件；

所述矩形双层印刷电路板1上层外表面：使用印刷电路板制作工艺，按照四象限的分布形式将平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5等间隔地印刷在矩形双层印刷电路板1上层外表面；其中，平面直角螺旋线圈每匝导线线宽相等，相邻平面直角螺旋线圈间距相同，相邻两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相反，对角两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相同，4个平面直角螺旋线圈的内外端点各有一个焊点，分别为a、b，c、d，e、f，g、h，并引出抽头；

所述矩形双层印刷电路板1下层外表面：矩形双层印刷电路板1下层外表面在对应基底上层外表面4个平面直角螺旋线圈各自中心位置分别放置TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9；其中，每组TMR磁场传感器包含3枚两两相互垂直且感应轴方向与激励磁场方向垂直的TMR磁场传感器，共需12枚TMR磁场传感器；在中心轴上放置一组5枚TMR磁场传感器组成的一维线形传感器阵列10；其中，5枚TMR磁场传感器间距相等，感应轴方向相同且垂直于线圈对称轴，几何中心成一条直线且与线圈对称轴重合，中间一枚位于基底几何中心；

所述矩形双层印刷电路板1两层接合面上层：设置跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13，分别连接焊点a和h、d和e、g和f；

每个平面直角螺旋线圈的内外端点处的焊点，分别引出抽头，并行连接到逻辑开关电路，再与激励信号源相连；4个平面直角螺旋线圈中心位置对应的4组TMR磁场传感器组输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；组成一维线形阵列的5枚TMR磁场传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；检测探头各部件的连接线全部集成在矩形双层印刷电路板1上；TMR磁场传感器电源引脚Vcc与3V稳压直流电源相连，接地引脚GND与检测系统公共接地端相连。

所述信号采集装置包括低通滤波器、功率放大器、数据采集卡三部分，三者依次连接，数据采集卡的输出端与上位机连接，激励信号源、逻辑开关电路、数据采集卡、上位机分别与控制器相连。

图9给出了一组关于平面直角螺旋线圈参数的有效参考数值，经过仿真验证具有该参数值的直角螺旋线圈可以产生理想的空间时变磁场。

一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头的检测方法，

当被测对象为外表面较不平整或形状较不规则的导体材料时，例如对金属毛坯、机械零件这些大型材料、部件进行缺陷检测，或者对焊接区进行检测时，此时应选择“四象限全时四传感器组方式”检测方式。这种检测方式可对4个线圈对应的范围进行重点检测，检测出被测对象含有的裂纹、杂质、材质不匀等非连续性缺陷，同时给出缺陷的范围、走向、深度等大致描述。由于使用的4组TMR磁场传感器相对位置分布较合适——相对距离合理且成正方形（封闭中心对称图形）分布，这4组共12枚TMR磁场传感器可以对扰动磁场进行全面测量；另外，结合对激励信号频率的控制，当采用高频激励信号时，由于集肤效应，被测对象产生的涡流将趋于材料表面，由此可以较准确的得到被测材料表面的平整度和检测探头提离等信息，抑制了被测对象形状不规则或内部物理特性变化不均匀引起的信号差异。由于焊接区具有外部形状不规则、内部物理特性变化不均匀的特点，因此这种检测方式在高频激励下尤其适合对焊接区进行检测。

以对金属毛坯进行缺陷检测为例。使用3条跳线Ⅰ11、跳线Ⅲ13、跳线Ⅱ12连接平面直角螺旋线圈的内外端点a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅱ3的顺序连接相邻两个平面直角螺旋线圈中前一个线圈的内端点与后一个线圈的外端点，不连接平面直角螺旋线圈Ⅰ2的外端点b和平面直角螺旋线圈Ⅱ3的内端点c，于是4个平面直角螺旋线圈由3条跳线首尾连接构成统一的激励线圈。控制激励信号源在b和c两点给激励线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对金属毛坯进行扫描，同时涡流检测探头中的4组TMR磁场传感器同时对扰动磁场的幅值进行测量后输出4组TMR磁场传感器的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，检测出金属毛坯是否带有裂纹、杂质、材质不匀等缺陷。如果金属毛坯带有缺陷则给出缺陷的大致描述，比如裂纹的大概范围、长度、走向，杂质的大致位置、范围，材质不均匀的大致范围、变化趋势等。

实施例3：如图1-9所示，一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头，包括矩形双层印刷电路板1、平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9、一维线形传感器阵列10、跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13；

所述矩形双层印刷电路板1为检测探头的基底，利用其上、下两层的外表面和两层间的接合面布置检测探头的部件；

所述矩形双层印刷电路板1上层外表面：使用印刷电路板制作工艺，按照四象限的分布形式将平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5等间隔地印刷在矩形双层印刷电路板1上层外表面；其中，平面直角螺旋线圈每匝导线线宽相等，相邻平面直角螺旋线圈间距相同，相邻两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相反，对角两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相同，4个平面直角螺旋线圈的内外端点各有一个焊点，分别为a、b，c、d，e、f，g、h，并引出抽头；

所述矩形双层印刷电路板1下层外表面：矩形双层印刷电路板1下层外表面在对应基底上层外表面4个平面直角螺旋线圈各自中心位置分别放置TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9；其中，每组TMR磁场传感器包含3枚两两相互垂直且感应轴方向与激励磁场方向垂直的TMR磁场传感器，共需12枚TMR磁场传感器；在中心轴上放置一组5枚TMR磁场传感器组成的一维线形传感器阵列10；其中，5枚TMR磁场传感器间距相等，感应轴方向相同且垂直于线圈对称轴，几何中心成一条直线且与线圈对称轴重合，中间一枚位于基底几何中心；

所述矩形双层印刷电路板1两层接合面上层：设置跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13，分别连接焊点a和h、d和e、g和f；

每个平面直角螺旋线圈的内外端点处的焊点，分别引出抽头，并行连接到逻辑开关电路，再与激励信号源相连；4个平面直角螺旋线圈中心位置对应的4组TMR磁场传感器组输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；组成一维线形阵列的5枚TMR磁场传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；检测探头各部件的连接线全部集成在矩形双层印刷电路板1上；TMR磁场传感器电源引脚Vcc与3V稳压直流电源相连，接地引脚GND与检测系统公共接地端相连。

所述信号采集装置包括低通滤波器、功率放大器、数据采集卡三部分，三者依次连接，数据采集卡的输出端与上位机连接，激励信号源、逻辑开关电路、数据采集卡、上位机分别与控制器相连。

图9给出了一组关于平面直角螺旋线圈参数的有效参考数值，经过仿真验证具有该参数值的直角螺旋线圈可以产生理想的空间时变磁场。

一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头的检测方法，

当被测对象为近似大面积板状或大直径管状的导体材料时，例如对金属板材、机翼、机身这些大型材料、部件进行缺陷、损伤检测，它们具有外表面较平整且检测面积较大的特点，其检测要求为快速对较大范围进行扫描并判断被测对象是否带有缺陷、损伤，若有则同时能够大致给出其长度、深度、走向等相关描述，此时应选择“四象限全时线形阵列方式”检测方式。

以对飞机机翼进行损伤检测为例。使用3条跳线Ⅰ11、跳线Ⅲ13、跳线Ⅱ12连接平面直角螺旋线圈的内外端点a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅱ3的顺序连接相邻两个平面直角螺旋线圈中前一个线圈的内端点与后一个线圈的外端点，不连接平面直角螺旋线圈Ⅰ2的外端点b和平面直角螺旋线圈Ⅱ3的内端点c，于是4个平面直角螺旋线圈由3条跳线首尾连接构成统一的激励线圈。控制激励信号源在b和c两点给激励线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对飞机机翼进行扫描，同时涡流检测探头中的一维线形传感器阵列5枚TMR磁场传感器对扰动磁场的幅值进行测量后输出一维线形传感器阵列5枚TMR磁场传感器的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，检测出飞机机翼是否带有损伤。如果机翼带有损伤则给出损伤的大致描述，比如损伤的大概长度、深度、走向，辅助检测人员对损伤做出评估。

实施例4：如图1-9所示，一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头，包括矩形双层印刷电路板1、平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5、TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9、一维线形传感器阵列10、跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13；

所述矩形双层印刷电路板1为检测探头的基底，利用其上、下两层的外表面和两层间的接合面布置检测探头的部件；

所述矩形双层印刷电路板1上层外表面：使用印刷电路板制作工艺，按照四象限的分布形式将平面直角螺旋线圈Ⅰ2、平面直角螺旋线圈Ⅱ3、平面直角螺旋线圈Ⅲ4、平面直角螺旋线圈Ⅳ5等间隔地印刷在矩形双层印刷电路板1上层外表面；其中，平面直角螺旋线圈每匝导线线宽相等，相邻平面直角螺旋线圈间距相同，相邻两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相反，对角两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相同，4个平面直角螺旋线圈的内外端点各有一个焊点，分别为a、b，c、d，e、f，g、h，并引出抽头；

所述矩形双层印刷电路板1下层外表面：矩形双层印刷电路板1下层外表面在对应基底上层外表面4个平面直角螺旋线圈各自中心位置分别放置TMR磁场传感器组Ⅰ6、TMR磁场传感器组Ⅱ7、TMR磁场传感器组Ⅲ8、TMR磁场传感器组Ⅳ9；其中，每组TMR磁场传感器包含3枚两两相互垂直且感应轴方向与激励磁场方向垂直的TMR磁场传感器，共需12枚TMR磁场传感器；在中心轴上放置一组5枚TMR磁场传感器组成的一维线形传感器阵列10；其中，5枚TMR磁场传感器间距相等，感应轴方向相同且垂直于线圈对称轴，几何中心成一条直线且与线圈对称轴重合，中间一枚位于基底几何中心；

所述矩形双层印刷电路板1两层接合面上层：设置跳线Ⅰ11、跳线Ⅱ12、跳线Ⅲ13，分别连接焊点a和h、d和e、g和f；

每个平面直角螺旋线圈的内外端点处的焊点，分别引出抽头，并行连接到逻辑开关电路，再与激励信号源相连；4个平面直角螺旋线圈中心位置对应的4组TMR磁场传感器组输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；组成一维线形阵列的5枚TMR磁场传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；检测探头各部件的连接线全部集成在矩形双层印刷电路板1上；TMR磁场传感器电源引脚Vcc与3V稳压直流电源相连，接地引脚GND与检测系统公共接地端相连。

所述信号采集装置包括低通滤波器、功率放大器、数据采集卡三部分，三者依次连接，数据采集卡的输出端与上位机连接，激励信号源、逻辑开关电路、数据采集卡、上位机分别与控制器相连。

图9给出了一组关于平面直角螺旋线圈参数的有效参考数值，经过仿真验证具有该参数值的直角螺旋线圈可以产生理想的空间时变磁场。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头，其特征在于：包括矩形双层印刷电路板（1）、平面直角螺旋线圈Ⅰ（2）、平面直角螺旋线圈Ⅱ（3）、平面直角螺旋线圈Ⅲ（4）、平面直角螺旋线圈Ⅳ（5）、TMR磁场传感器组Ⅰ（6）、TMR磁场传感器组Ⅱ（7）、TMR磁场传感器组Ⅲ（8）、TMR磁场传感器组Ⅳ（9）、一维线形传感器阵列（10）、跳线Ⅰ（11）、跳线Ⅱ（12）、跳线Ⅲ（13）；

所述矩形双层印刷电路板（1）为检测探头的基底，利用其上、下两层的外表面和两层间的接合面布置检测探头的部件；

所述矩形双层印刷电路板（1）上层外表面：使用印刷电路板制作工艺，按照四象限的分布形式将平面直角螺旋线圈Ⅰ（2）、平面直角螺旋线圈Ⅱ（3）、平面直角螺旋线圈Ⅲ（4）、平面直角螺旋线圈Ⅳ（5）等间隔地印刷在矩形双层印刷电路板（1）上层外表面；其中，平面直角螺旋线圈每匝导线线宽相等，相邻平面直角螺旋线圈间距相同，相邻两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相反，对角两个平面直角螺旋线圈导线绕行方向相同，4个平面直角螺旋线圈的内外端点各有一个焊点，分别为a、b，c、d，e、f，g、h，并引出抽头；

所述矩形双层印刷电路板（1）下层外表面：矩形双层印刷电路板（1）下层外表面在对应基底上层外表面4个平面直角螺旋线圈各自中心位置分别放置TMR磁场传感器组Ⅰ（6）、TMR磁场传感器组Ⅱ（7）、TMR磁场传感器组Ⅲ（8）、TMR磁场传感器组Ⅳ（9）；其中，每组TMR磁场传感器包含3枚两两相互垂直且感应轴方向与激励磁场方向垂直的TMR磁场传感器，共需12枚TMR磁场传感器；在中心轴上放置一组5枚TMR磁场传感器组成的一维线形传感器阵列（10）；其中，5枚TMR磁场传感器间距相等，感应轴方向相同且垂直于线圈对称轴，几何中心成一条直线且与线圈对称轴重合，中间一枚位于基底几何中心；

所述矩形双层印刷电路板（1）两层接合面上层：设置跳线Ⅰ（11）、跳线Ⅱ（12）、跳线Ⅲ（13），分别连接焊点a和h、d和e、g和f；

每个平面直角螺旋线圈的内外端点处的焊点，分别引出抽头，并行连接到逻辑开关电路，再与激励信号源相连；4个平面直角螺旋线圈中心位置对应的4组TMR磁场传感器组输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；组成一维线形阵列的5枚TMR磁场传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置的低通滤波器相连；检测探头各部件的连接线全部集成在矩形双层印刷电路板（1）上；TMR磁场传感器电源引脚Vcc与3V稳压直流电源相连，接地引脚GND与检测系统公共接地端相连。

2.根据权利要求1所述的基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头，其特征在于：所述信号采集装置包括低通滤波器、功率放大器、数据采集卡三部分，三者依次连接，数据采集卡的输出端与上位机连接，激励信号源、逻辑开关电路、数据采集卡、上位机分别与控制器相连。

3.一种基于TMR磁场传感器阵列的涡流检测探头的检测方法，其特征在于：

根据被测对象的实际情况和检测要求确定检测方式分别为单象限循环单传感器组方式、四象限全时四传感器组方式、四象限全时线形阵列方式：

如果为单象限循环单传感器组方式：按照平面直角螺旋线圈Ⅰ（2）、平面直角螺旋线圈Ⅱ（3）、平面直角螺旋线圈Ⅲ（4）、平面直角螺旋线圈Ⅳ（5）的循环顺序，控制激励信号源给相应的平面直角螺旋线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对被测对象进行扫描且涡流检测探头中的对应被激励线圈中心位置的一组TMR磁场传感器对扰动磁场的幅值进行测量后输出对应TMR磁场传感器组的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，得到被测对象缺陷的相关参数，实现缺陷的定量化评估；

如果为四象限全时四传感器组方式：3条跳线Ⅰ（11）、跳线Ⅲ（13）、跳线Ⅱ（12）连接平面直角螺旋线圈的内外端点a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋线圈Ⅰ（2）、平面直角螺旋线圈Ⅳ（5）、平面直角螺旋线圈Ⅲ（4）、平面直角螺旋线圈Ⅱ（3）的顺序连接相邻两个平面直角螺旋线圈中前一个线圈的内端点与后一个线圈的外端点，不连接平面直角螺旋线圈Ⅰ（2）的外端点b和平面直角螺旋线圈Ⅱ（3）的内端点c，于是4个平面直角螺旋线圈由3条跳线首尾连接构成统一的激励线圈，控制激励信号源在b和c两点给激励线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对被测对象进行扫描且涡流检测探头中的四组TMR磁场传感器同时对扰动磁场的幅值进行测量后输出四组TMR磁场传感器的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，得到被测对象缺陷的相关参数；

如果为四象限全时线形阵列方式：3条跳线Ⅰ（11）、跳线Ⅲ（13）、跳线Ⅱ（12）连接平面直角螺旋线圈的内外端点a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋线圈Ⅰ（2）、平面直角螺旋线圈Ⅳ（5）、平面直角螺旋线圈Ⅲ（4）、平面直角螺旋线圈Ⅱ（3）的顺序连接相邻两个平面直角螺旋线圈中前一个线圈的内端点与后一个线圈的外端点，不连接平面直角螺旋线圈Ⅰ（2）的外端点b和平面直角螺旋线圈Ⅱ（3）的内端点c，于是4个平面直角螺旋线圈由3条跳线首尾连接构成统一的激励线圈，控制激励信号源在b和c两点给激励线圈加载激励信号，使用涡流检测探头对被测对象进行扫描且涡流检测探头中的一维线形传感器阵列5枚TMR磁场传感器同时对扰动磁场的幅值进行测量后输出一维线形传感器阵列5枚TMR磁场传感器的信号，信号采集装置采集TMR磁场传感器的输出信号发送给上位机进行分析，得到被测对象缺陷的相关参数；

其中，扰动磁场为激励线圈产生的初级磁场和被测对象中的涡流产生的次级磁场合成的磁场。