CN203616286U - 一种无损探伤装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公布了一种无损探伤装置，其特征在于：其包括多个磁场敏感方向相同的传感单元、励磁以及控制单元；所述多个传感单元分别包括感应部分和相应的电路，所述感应部分由巨磁电阻元件或磁性隧道结元件组成，用以检测待测物的不同位置的涡流场或漏磁场；所述励磁为永磁体或电磁铁，用以提供激励磁场使待测物产生涡流场或漏磁场；所述控制单元用以供电和处理传感单元的信号。本实用新型的无损探伤装置通过设置多个以巨磁电阻元件（磁性隧道结元件）为传感元件的传感单元检测待测物的涡流场或漏磁场分布，通过处理得到一个高分辨率的待测物的磁信号组，从而达到高精度无损探伤的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及磁性传感器领域，尤其是一种采用磁性传感器的涡流无损探伤装置。
背景技术
无损探伤检测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小、位置、性质以及数量等信息。目前广泛使用的无损探伤方法有X光射线探伤、γ射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤以及涡流探伤等物理式方法。
用射线探伤的方法可直接观察图像，具有高灵敏度，但是检查时间长，成本非常高且需要建造一个专门的曝光室，占用体积很大，不适用于工业生产；超声波探伤法对人工要求很高，需要待测物品表面平滑，缺陷定性及定量困难，检测结果受人的主观影响较大；磁粉探伤法具有显示直观的优势，但是不适用于非导磁材料的检测，其无法探测待测物内部的缺陷，且对待测物的表面光洁度具有较高的要求，与磁力线平行的缺陷也不易检测出；渗透探伤适用于非导磁材料的表面开性缺陷的检测，但是表面不开口的以及近表面的缺陷无法检出，而且清洗着色时容易造成污染，其测量结果受操作程序以及清洗效果的影响；用现有的电感式涡流探伤法可高速检测，不需接触，但是其不适用于形状复杂的零件，只能检测材料的表面和近表面缺陷。
我们不难看出，现有的无损探伤装置不能满足现代工业的高精度、高灵敏度、使用便利的要求。
实用新型内容
本实用新型目的在于针对现有技术的缺陷提供一种高精度、高灵敏度、高分辨率、动态范围宽、渗透深度深、使用便捷的无损探伤装置。
本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种无损探伤装置，其特征在于：其包括多个传感单元、励磁以及控制单元；
所述多个传感单元分别包括感应部分和相应的电路，所述感应部分由巨磁电阻元件或磁性隧道结元件组成，用以检测待测物的涡流场或漏磁场分布；
所述励磁为永磁体或电磁铁，用以提供激励磁场使待测物产生涡流场或漏磁场；
所述控制单元用以供电和接收传感单元的数据。
其进一步特征在于：所述电磁铁提供的激励磁场为方波脉冲。
所述多个传感单元排成一列或组成阵列，每个传感单元的磁场敏感方向相同。
上述传感单元固定在硬质骨架上，便于扫描待测物，或者固定在软性材料上，用于贴附在待测物上检测。
上述传感单元的感应部分为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个巨磁电阻元件或磁性隧道结元件并联和/或串联组成。
上述传感单元的感应部分也可以为梯度半桥或梯度全桥结构，所述梯度半桥或梯度全桥的桥臂由一个或多个巨磁电阻元件或磁性隧道结元件并联和/或串联组成。
以上所述的巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件包含自由层、非磁性层以及钉扎层三个纳米级薄膜层。
本实用新型无损探伤装置通过多个传感单元检测待测物的涡流场或漏磁场分布，通过处理得到一个高分辨率的待测物的磁信号组，从而达到高精度无损探伤的目的。
附图说明
图1是条形扫描式无损探伤装置的截面结构示意图。
图2是条形扫描式无损探伤装置的侧视结构示意图。
图3是环形扫描式无损探伤装置的截面结构示意图。
图4是阵列式无损探伤装置的结构示意图。
图5是巨磁电阻元件和磁性隧道结元件的结构示意简图。
图6是磁电阻元件的输出曲线示意图。
图7是是半桥式传感单元的电连接示意图。
图8是半桥式传感单元的输出曲线示意图。
图9是全桥式传感单元的电连接示意图。
图10是全桥式传感单元的输出曲线示意图。
图11是梯度全桥式传感单元的磁电阻的物理位置图。
图12是多个传感单元的感应部分的电连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型的实用新型内容作进一步的描述。
实施例1：扫描式无损探伤装置。
如图1所示，本实施例包括多个传感单元（11a、11b、11c……11n）、励磁12以及控制单元13。多个传感单元位于硬质非磁性材料的骨架上，排成一列直线型如图2所示，或者排成圈形如图3所示，或者根据所测量的材料设置为矩形或其他形状，使待测物穿过闭合的传感单元组以便于扫描，每个传感单元的磁场敏感方向1相同。使用时，探伤装置沿方向2扫过待测物21，励磁12向待测物21施加激励磁场脉冲31，同时待测物21产生电涡流，而在电涡流附近则形成涡流场32，每个传感单元11则测量其附近的涡流场32和脉冲场31的叠加场沿其磁场敏感方向1的分量，每个传感单元的输出信号传递至控制单元13，由于传感单元11测得的磁场分布是脉冲场31和涡流场32的叠加场，因此在后期处理数据的时候需要将脉冲场31的信号除去，将原始信号差分，即可得到待测物21的涡流场32的信号。该信号和待测物的材质以及平整度相关，不同的材质具有其标准谱线，若待测物表面平整，而其表面、近表面以及内部有缺陷，则会影响涡流场32的分布，从而导致信号的变化，进而达到探伤的目的。
实施例2：贴附式无损探伤装置。
由于在户外作业时，扫描式无损探伤装置在使用上并不便利，因此贴附式装置为此而设计。如图4所示，本实施例包括多个传感单元（11a、11b、11c……11n）、励磁12以及控制单元13（图中未标示出）。多个传感单元位于软性材料上固定，使用的时候贴附在待测物上，励磁12对待测物施以磁场脉冲，同时待测物产生电涡流，而在电涡流附近则形成涡流场32，每个传感单元11则测量其附近的涡流场32和脉冲场31的叠加场沿其磁场敏感方向1的分量。其测量机理与实施例1相同，在此不再赘述。当然，贴附式无损探伤设备也不仅限于使用阵列式，例如只是测量钢材的结合处，制成单列条状贴附在关键部位测量也是可行的。实施例1和实施例2中传感单元的个数和阵列密度是根据需求设计的。
励磁12的脉冲场31为方波，由于方波可以傅里叶展开，可以认为是全频段的，脉冲场31的渗透深度和其频率相关且成反比，因此低频段的渗透深度高，但是其涡流场密度小，而通常采用的电感线圈传感单元的灵敏度和精度都很低，无法测得低频段的涡流场，其输出信号动态范围窄且无法测量材料表面下更深处的涡流信号，因此本实用新型的传感单元11采用灵敏度和精度非常高的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。由于脉冲场31要尽可能宽地覆盖于传感单元11的测量区域，因此可以设计为一个大的线圈或者采用多个线圈组成阵列。控制单元13不仅仅用来数据处理，同时也是励磁12和传感单元11的电源。通过扫描式或阵列式无损探伤装置测量涡流场，可以得到待测物一个面的涡流场信号组，比单个传感单元测量单一部位的磁信号具有更高的精度。
如果待测物为磁性材料，则励磁12可以是永磁体，同样的，为了使激励磁场31尽可能覆盖于多个传感单元11的测量区域，也可以设计为一个大的永磁体或多个永磁体的阵列，其对待测物21施加的励磁场31为恒磁场，而待测物则被磁化，若其表面或近表面处有缺陷，就会产生漏磁场，当无损探伤装置扫描或贴附在待测物上时，会检测到漏磁场信号，从而达到探伤的目的。
常用的磁性传感元件有电感线圈、霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件。其中电感线圈是通过电磁感应测量磁场，其灵敏度和精度都非常低；霍尔元件是通过霍尔效应的原理测量磁场，其饱和场很大，测量范围宽，但是灵敏度低，精度也低，无法制成阵列式，也无法检测到待测物较深处的缺陷，且通常需要额外的聚磁环结构增加其灵敏度，因此体积也很大。我们不难看出，具有高精度、高灵敏度、低功耗、体积小、温度特性高等优势的以巨磁电阻元件和磁性隧道结元件为代表的磁电阻元件成为无损探伤装置的敏感元件的最优选择。
图5是巨磁电阻元件和磁性隧道结元件的结构示意图。如图所示，巨磁电阻元件（磁性隧道结元件）位于基底54上，由纳米级薄膜顶电极层56、自由层51、非磁性层52、钉扎层53、底电极层55构成。自由层51由磁性材料构成，也可以是铁磁层-间隔层-铁磁层的SAF结构，其磁矩61随外场变化；非磁性层52由非磁性材料构成，如果是巨磁电阻元件，则非磁性层52为金属材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道结元件，则为非金属材料，如AlOx、MgO等；钉扎层53的磁矩63不变，通常是铁磁层-反铁磁层复合式结构或SAF层-反铁磁层结构。顶电极层56和底电极层55由金属导体材料组成，实际应用中可通过顶电极层56和底电极层55将多个元件串联或并联，或串并混合连接为一个等效电阻来使用，同时顶电极层56和底电极层55还包含引导晶格生长的帽子层和种子层。当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63平行时，元件的阻值R最小，为RL；当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63反平行时，元件的阻值R最大，为RH。通过现有的技术，可以使元件的阻值R在RL和RH之间线性变化，例如在自由层51的上方或下方沉积反铁磁材料，或是在元件周围设置永磁体，或者是在元件周围设置电流线，或者是将元件设计为狭长的形状，例如矩形、椭圆形、长菱形等，利用其形状各向异性能偏置自由层磁矩以达到线性化的目的。
图6是巨磁电阻元件（磁性隧道结元件）的输出曲线示意图，其电阻值R随外场H在其饱和场-Hs和Hs之间线性变化，当施加的外场沿其敏感方向的场强的绝对值大于其饱和场的绝对值时，其阻值不变。
传感单元包括感应部分和相应的电路，其感应部分可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成，使用时都要通入稳恒电压或电流。由于单电阻结构只含有一个等效磁电阻，其输出就是其两端电压，在此不再赘述，下文将对半桥和全桥结构详细阐述。
图7是半桥结构的电连接示意图。磁电阻71和73串联起来，由焊点Vbias和GND之间通入稳恒电压或电流。半桥可以是参考半桥、推挽半桥或梯度半桥。参考半桥的一个桥臂（磁电阻）73的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，另一个桥臂（磁电阻）71的阻值变化导致其两端输出电压VOUT变化，从而以此测量出磁场；推挽半桥则是两个桥臂71、73的磁场敏感方向相反，在受到同一个外场作用下一个阻值增大，一个阻值减小，从而导致输出电压VOUT的变化测量出磁场；梯度半桥测量的是梯度场，沿着梯度场的方向场强不同，导致两个敏感方向相同的磁电阻阻值变化不同，从而引起输出电压VOUT的变化进而测量出磁场。半桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图8所示。
图9是全桥结构的电连接示意图。磁电阻71和72串联，73和74串联，串联的两个电阻对再并联，由焊点Vbias和GND之间通入稳恒电压或电流。全桥可以是参考全桥、推挽全桥或梯度全桥。参考全桥分别位于左右半桥的两个桥臂71和74的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，桥臂73和74的磁场敏感方向相同，在同一外场作用下其阻值变化相同，从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。推挽全桥的桥臂71和74的磁场敏感方向相同，72和73的磁场敏感方向相同，71和72的磁场敏感方向相反，在同一外场的作用下，71和74阻值变大的同时72和73的阻值减小（或者71和74阻值减小的同时72和73阻值增大），从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。全桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图10所示。
降低磁电阻灵敏度的以构成参考半/全桥的桥臂可以采用但不局限于以下方式：如在磁电阻元件上沉积磁导率高的软磁材料，设置偏置场大的永磁体或沉积厚的反铁磁层等。通过以上方式可在一张晶圆上一次制备出参考全桥芯片。
图11是梯度全桥磁电阻的物理位置图，如图所示，沿着梯度磁场32的方向，磁电阻71和74的位置相同，磁电阻72和73的位置相同，在端口Vbias和GND之间输入稳恒电压。在没有外场的作用下，磁电阻71、72、73、74的阻值相同，输出端没有电势差，无输出。当外场32施加于四个磁电阻上时，由于该磁场是梯度场，沿着梯度场方向的场强大小不同，则沿着梯度方向位置相同的磁电阻71和74的电阻值变化相同，磁电阻72和73的电阻值变化相同，磁电阻71和72（73和74）的阻值变化不同，则梯度全桥的输出端V+和V-之间具有输出电压VOUT，其输出曲线可参考图10。
图12是多组传感单元的感应部分的电连接示意图。多个磁电阻组成的多个梯度全桥并联，统一由控制单元13提供稳恒电压或稳恒电流，多组输出信号传递至控制单元13进行后期的处理和分析。
传感单元11的输出信号可以直接输出到控制单元13也可以通过相应的电路（图中未标示）处理后再输出到控制单元13，例如可根据需求将模拟信号转化为方波或数字信号。
应当理解，以上借助优选实施例对本实用新型的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本实用新型说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种无损探伤装置，其特征在于：其包括多个传感单元、励磁以及控制单元；
所述多个传感单元分别包括感应部分和相应的电路，所述感应部分由巨磁电阻元件或磁性隧道结元件组成，用以检测待测物的涡流场或漏磁场分布；
所述励磁为永磁体或电磁铁，用以提供激励磁场使待测物产生涡流场或漏磁场；
所述控制单元用以供电和接收传感单元的信号。
2.根据权利要求1所述的无损探伤装置，其特征在于：所述电磁铁提供的激励磁场为方波脉冲。
3.根据权利要求1所述的无损探伤装置，其特征在于：所述多个传感单元排成一列或组成阵列，每个传感单元的磁场敏感方向相同。
4.根据权利要求1所述的无损探伤装置，其特征在于：所述传感单元固定在硬质骨架上，便于扫描待测物，或者固定在软性材料上，用于贴附在待测物上检测。
5.根据权利要求1-4任一项所述的无损探伤装置，其特征在于：所述传感单元的感应部分为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个巨磁电阻元件或磁性隧道结元件并联和/或串联组成。
6.根据权利要求1-4任一项所述的无损探伤装置，其特征在于：所述传感单元的感应部分半桥或全桥结构为梯度半桥或梯度全桥结构，所述梯度半桥或梯度全桥的桥臂由一个或多个巨磁电阻元件或磁性隧道结元件并联和/或串联组成。
7.根据权利要求1-4任一项所述的无损探伤装置，其特征在于：所述巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件包含自由层、非磁性层以及钉扎层三个纳米级薄膜层。
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