JP3645093B2 - Magneto-impedance effect eddy current sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、渦電流センサに係り、特に、パルス励磁方式の磁気インピーダンス効果形渦電流センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の渦電流センサは、ヘッドを小型化するために主として空心コイルを用い、これに交流電流を通電して金属面からの渦電流反磁界による空心コイルの磁束変化の減少をコイル電圧の減少として検出し、金属の近接検出や金属面の電磁気特性および欠陥等の検出に使用するようにしていた。
【0003】
この場合、コイルに高透磁率磁性体を磁心として設置し、感度を高めることができるが、磁性体内部のコイル軸方向の反磁界を軽減するために磁性体の長さを確保する必要があり、金属細管内部にセンサを設置する時など空間的制約がある場合は、ヘッドの小型化や薄型化が困難であり、やはり空心コイルヘッドが主体となっている。
【0004】
しかし、近年の非破壊検査の高度化の要求は厳しくなり、金属表面の微細な傷や不純物を検出するために、ヘッドの寸法を1mm以下のマイクロ寸法にしたり、金属の浅い表面の非破壊検査をするために表皮効果を顕著にする高周波技術が要求されるなど、従来のコイル法では解決できない場合が増えてきている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の渦電流センサは、空心コイルを交流励磁し、対象金属表面の渦電流による反磁界によって、コイルのインダクタンスが減少するのを検出する方法が一般的である。しかしながら、この方法では、
(1)金属表面からコイル端面までの距離(リフトオフ)の2倍以上のコイル直径が必要である。例えば、2mmのリフトオフでは4mm以上のコイルが必要であり、ヘッドの小型化が困難である。また、金属表面のピンポイント検出が困難である。
【0006】
(2)リフトオフを高くするためには、コイル磁界をコイル端面から遠方に発生させ、金属面からの反磁界を強めることが必要になり、そのためコイルの軸方向長さを長くすることになる。このためヘッドの小型化が困難となる。
(3)検出感度を上げ、信号対雑音比を上げるためには、コイルの巻数を多くする必要があり、ヘッドの小型化が困難である。
【0007】
(4)原子炉用ウランペレット管など表面が平滑仕上げされたサンプルの浅い表面の微細ひびなどを検出する場合、金属の表皮深さを浅くするために周波数を高くする必要がある(例えば、20MHz以上)が、コイルの浮遊容量による変位電流のため、検出回路(リード線)が不安定になりやすく、検出精度が得られない。
【0008】
などの問題が表面化しているが、これらの問題は現在未解決の状態である。
このように、従来の渦電流センサは、主に空心コイルを用い、これに交流電流を流し、金属面からの渦電流反磁界により発生する空心コイルにおける磁束変化の減少として検出し、金属の近接検出や金属面の電磁気特性及び欠陥等の検出に使用されている。
【0009】
さらに検出感度を高めるためには、コイルの磁心に高透磁率磁性体を使用することができるが、磁性体内部のコイル軸方向の反磁界を軽減するために磁性体の長さを確保する必要があり、ヘッドの小型化や薄膜化には困難であるため、空心コイルを用いたヘッドが一般的であった。
また、最近では、金属の浅い表面の非破壊検査のために表皮効果を顕著にする高周波技術が要求されているが、従来のコイル法では、浮遊容量の問題解決が難しく検出精度の向上は難しいものがある。
【0010】
そこで、本発明は、上記従来のコイル型渦電流センサのヘッドを改善し、本願発明者が先に見出した磁性線の磁気インピーダンス効果を利用することにより、著しくヘッドを小型化して、金属浅表面のピンポイント領域の電磁気特性の検出を実現し、ヘッドの励磁をパルス電流で行うことにより、安定で高速応答の渦電流センサを提案したものである。これは、工業的に渦電流センサが使用されている全ての技術分野に属しているものであり、顕著に高度化することができる。
【0011】
すなわち、本発明は、上記問題点を除去し、渦電流センサのヘッドの小型化、リフトオフの確保、高周波化を図ることができる磁気インピーダンス効果形渦電流センサを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕磁気インピーダンス効果形渦電流センサであって、磁性細線に表皮効果による磁気インピーダンス効果を発生させる鋭いパルス電流を印加するパルス電圧発生回路と、前記パルス電流に応じて磁性細線の長さ方向にパルス磁界を誘起する手段と、前記パルス磁界によって近接金属表面に誘起された渦電流による反磁界で減少する前記磁性細線両端間誘起パルス電圧を直流電圧に変換し増幅して出力電圧を得る回路とを具備するようにしたものである。
【0013】
〔2〕上記〔1〕記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記磁性細線として、アモルファス磁性細線を用いるようにしたものである。
〔3〕上記〔1〕記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記パルス電圧発生回路として、C−MOSインバータによるマルチバイブレータ回路と、微分回路およびパルス波形整形増幅用C−MOSインバータより成る発振回路を用いるようにしたものである。
【0014】
〔4〕上記〔1〕記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記磁性細線の長さ方向にパルス磁界を発生させる手段として、磁性細線の周回に被覆導線コイルを設置するようにしたものである。
〔5〕上記〔1〕記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記磁性細線両端間誘起パルス電圧を直流電圧に変換する回路として、ショットキーバリアダイオードとピークホールド回路より成る回路を用いるようにしたものである。
【0015】
〔6〕上記〔1〕記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記磁性細線を1対用い、それぞれの磁性細線の誘起パルス電圧を直流電圧に変換した後、その電圧の差を出力とするようにしたものである。
なお、〔1〕の鋭いパルス電流の代わりに、表皮効果を発生させる高周波電流を用いても良いことは、磁気インピーダンス(MI)効果の観点から当然のことである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は本発明にかかる磁気インピーダンス効果形渦電流センサの構成図である。
この図において、1はC−MOS・IC(74AC04)であり、2個のインバータ2,3(Q1 ,Q2 )と抵抗4(R1 :20kΩ),コンデンサ5(C1 :100pF)でマルチバイブレータを構成するとともに、波形を整形・増幅する他のインバータ6,7,8,9を有する。
【0017】
また、10は抵抗(R2 :1Ω)、11は零磁歪アモルファスワイヤ、12はショットキーバリアダイオード(SBD)、13はコンデンサ(C2 :1000pF)、14は抵抗(R3 :520kΩ)、15は抵抗(R5 :10kΩ)、16は抵抗(R7 :100kΩ)、17は可変抵抗(VR1 :3kΩ)、18は抵抗(R4 :10kΩ)、19は第1の差動増幅器(OP1 :LF356)、20は抵抗(R6 :100kΩ)、21は抵抗(R8 :10kΩ)、22は抵抗(R10:10kΩ)、23は第2の差動増幅器(OP2 :LF356)、24は抵抗(R9 :1MΩ)である。
【0018】
図1に示す本発明の渦電流センサ回路の基本構成は、C−MOS・IC1内の2個のインバータ2,3のマルチバイブレータで方形波発振させ、その電源ラインに流れるパルス電流を、長さ1mm、30μm径の零磁歪アモルファスワイヤ11に通電し、零磁歪アモルファスワイヤ11に設置した30ターンのコイルに鎖交したパルス磁束を対象金属(図示なし)に印加し、金属表面の渦電流反磁界で変化したアモルファスワイヤ両端間電圧をショットキーバリアダイオード12(SBD)で検波し、ピークホールド回路で直流電圧に変換する。
【0019】
上記した直流電圧が、第1,第2の差動増幅器19,23に印加され、ヘッドが対象から十分離れた場合に、センサ出力電圧Eout が零に設定される。
ヘッド両端間のパルス電圧の代わりに、コイル両端間の電圧を検出電圧にすることもできる。
ヘッド通電のパルス電流の立ち上がり時間は2〜3nsであり、アモルファスワイヤの表皮効果による磁気インピーダンス(MI)効果の発生に関して最も高感度になる100〜200MHzの交流電流の通電と等価である。
【0020】
図2は本発明の第1実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサ回路図(その1)であり、図1を発展させて、マルチバイブレータの方形波電圧を微分回路で微分し、インバータ37で増幅整形した後、零磁歪アモルファスワイヤ38にパルス通電している。
図3はその磁気インピーダンス効果形渦電流センサによる実験結果を示す図(その1)、図4はその渦電流センサのアモルファスワイヤの両端間電圧及びコイルの両端間電圧を示す図である。
【0021】
図2において、31,32はインバータ、33は抵抗(51kΩ)、34はコンデンサ(100pF)であり、これらによってマルチバイブレータを構成している。35はコンデンサ(100pF)、36は抵抗(200Ω)、37はインバータ、38はセンサヘッド(零磁歪アモルファスワイヤ)、39はショットキーバリアダイオード(SBD)、40はコンデンサ(1000pF)、41は抵抗(51kΩ)、42は可変抵抗(VR1 :200Ω)、43は差動増幅器(OP:AD524 100倍)、44はアルミ板(60×100×1mm)である。
【0022】
この実施例では、図2に示すように、両端を半田付けで形成された電極間1mmの30μm径アモルファスワイヤを、30ターンコイルを巻回した内径1mmのボビンに設置したセンサヘッド38を、十分広い厚さ1mmのアルミ板44に平行に距離xで近接させるようにした。
このような場合のセンサ出力電圧V out と距離xの関係を図3に示す。
【0023】
図3において、曲線aはアモルファスワイヤとコイルの中心軸とのなす角θc が10°、曲線bはそれが5°、曲線cはそれが0°、曲線dはコイルなしの場合である。
この図3に示すように、約4mmまでV out の変化が現れている。ノイズ電圧は20mVであり、距離検出分解能は約15μmである。
【0024】
アモルファスワイヤとコイル軸のなす角度θc を0°,5°,10°とした場合、距離xに対するVout の変化幅は上記角度θc が10°の場合(曲線a)が最大であった。これは、アモルファスワイヤの通電電流に対する磁束変化がワイヤ円周方向であるため、コイルの導線と磁束変化方向が角度を持たなければ鎖交磁束変化が現れないためである。
【0025】
なお、コイルを施さない場合(曲線d)は、Vout の変化幅はコイルを施した場合の1/3〜1/4であり小さいが、その変化は安定に測定できる大きさである。これは、アモルファスワイヤに電極形成時にひねり応力が入り、僅かなスパイラル磁化によりワイヤ長さにパルス磁界が発生して、金属板に僅かな磁束が侵入するためと考えられる。
【0026】
コイルの両端は短絡したが、開放の場合とほぼ同じ特性であった。これは、ワイヤパルス電流波形が急峻で、励磁周波数が100〜200MHzの高周波に相当するので、コイルの鎖交磁束変化の高周波に対して、コイル内の浮遊容量のインピーダンスが低く、コイル内でLC閉路を形成しているためと考えられる。
そして、その渦電流センサのアモルファスワイヤの両端間電圧は、図4(a)〔上段〕に、そのコイルの両端間電圧は、図4(b)〔下段〕に示すようになる。図4において、一目盛りは10nsである。
【0027】
図5は本発明の第1実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサ回路図(その2)、図6はその磁気インピーダンス効果形渦電流センサによる実験結果を示す図(その2)であり、コイルのインダクタンスと浮遊容量によるLC振動波形が観測される。
図5において、51,52はインバータ、53は抵抗(51kΩ)、54はコンデンサ(100pF)であり、これらによってマルチバイブレータを構成している。55はコンデンサ(100pF)、56は抵抗(200Ω)、57はインバータ、58はセンサヘッド(零磁歪アモルファスワイヤ)、59はショットキーバリアダイオード(SBD)、60はコンデンサ(1000pF)、61は抵抗(51kΩ)、62は可変抵抗(VR1 :1kΩ)、63は抵抗(760Ω)、64は差動増幅器(OP:AD524 100倍)である。
【0028】
図6は零磁歪アモルファスワイヤ58のコイルを開放した場合(曲線a)とワイヤ電流をコイルに直列に通電した場合(曲線b)のV out −x特性を示す図である。
後者では、0.5mmで変化は終了し、その変化幅は前者の1/4程度である。これは、前者でのコイルは弱結合のトランスの2次側コイルとしてほぼ自由なLC振動であって、金属板の渦電流反磁界の反作用を受けやすく、後者ではコイル電流がワイヤ電流と同一で固定されていることによると考えられる。
【0029】
次に、本発明の第2実施例について説明する。
図7は本発明の第2実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサ回路図であり、図1に示した単一ヘッド型センサ回路を2個対称型に組み合わせて差動形にしたツインヘッド形渦電流センサ回路図である。
図7において、2個のインバータ71,72(Q1 ,Q2 )と抵抗73(R1 :5.1kΩ),コンデンサ74(C1 :100pF)でマルチバイブレータを構成すると共に、コンデンサ75(C2 :100pF)、抵抗76(R2 :200Ω)を設け、波形を整形・増幅する他のインバータ77,78(Q3 ,Q4 )を有する。また、79は可変抵抗(VR1 :200Ω)、80はツインヘッド、81はその第1のコイル、82はその第2のコイル、83,84はショットキーバリアダイオード(SBD)、85,86はコンデンサ(C3 ,C4 :1000pF)、87,88は抵抗(R3 ,R4 :510kΩ)、89は差動増幅器(OP:AD524 1000倍)である。
【0030】
この第2実施例による渦電流センサによれば、以下のような利点がある。
ツインヘッド80を対象金属(図示なし)表面から等距離に設定すると、金属表面の2つの微小領域の電磁気特性の差が、金属表面からの距離に依存せず検出されるので、金属表面の微細な傷や介在物の非破壊検出に適している。
また、このヘッドのインピーダンスは、金属表面の渦電流反磁界以外の地磁気などの外乱磁界によっても変化するので、このツインヘッドによって、外乱磁界の影響を相殺することができる。
【0031】
第1実施例(図1)及び第2実施例(図7)のセンサ回路では、数ns幅のパルス電流による消費電力だけであり、増幅器もC−MOSアンプで構成すれば、センサの消費電力は10mW以下であって、微小消費電力型の携帯容易な小型軽量センサとして構成することができる。
図8は本発明の第2実施例を示すツインヘッド形渦電流センサによる、アルミ板の表面100μm径ピンホールの検出波形図であり、図8(a)はリフトオフ0.2mm、図8(b)はリフトオフ0.5mmの場合である。
【0032】
ここでは、直径30μmで長さ1mmのアモルファスワイヤ2本を2mm間隔で平行に、かつ、対象アルミ板表面にもリフトオフ1mmで平行に設定した。ピンホール近傍の渦電流がピンホールで乱され、2個のアモルファスワイヤにかかる反磁界の大きさに差を生じ、ヘッドをアルミ板上で掃引させるとパルス電圧が検出されることがわかる。
【0033】
上記したように、本発明では、渦電流センサのヘッドの小型化、リフトオフの確保、高周波化などの従来のセンサ技術では解決できない課題を、零磁歪アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果(MI効果)形のヘッドと、パルス電子回路技術によって解決することができた。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、アモルファスワイヤにコイルを施すことなく、リード線で励磁して磁気インピーダンス(MI)効果を利用する方法など、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0034】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、渦電流センサのヘッドの小型化、リフトオフの確保、高周波化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる磁気インピーダンス効果形渦電流センサの構成図である。
【図2】本発明の第1実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサ回路図(その1)である。
【図3】本発明の第1実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサによる実験結果を示す図(その1)である。
【図4】本発明の第1実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサのアモルファスワイヤの両端間電圧及びコイルの両端間電圧を示す図である。
【図5】本発明の第1実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサ回路図(その2)である。
【図6】本発明の第1実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサによる実験結果を示す図(その2)である。
【図7】本発明の第2実施例を示す磁気インピーダンス効果形渦電流センサ回路図である。
【図8】本発明の第2実施例を示すツインヘッド形渦電流センサによるアルミ板の表面100μm径ピンホールの検出波形図である。
【符号の説明】
1 C−MOS・IC(74AC04)
2,3,6,7,8,9,31,32,37,51,52,57,71,72,77,78 インバータ
4,10,14,15,16,18,20,21,22,24,33,36,41,53,56,61,63,73,76,87,88 抵抗
5,13,34,35,40,54,55,60,74,75,85,86 コンデンサ
11 零磁歪アモルファスワイヤ(磁性細線)
12,39,59,83,84 ショットキーバリアダイオード(SBD)
17,42,62,79 可変抵抗(VR1
19 第1の差動増幅器
23 第2の差動増幅器
38,58 センサヘッド(零磁歪アモルファスワイヤ)
43,64,89 差動増幅器
44 アルミ板
80 ツインヘッド
81 ツインヘッドの第1のコイル
82 ツインヘッドの第2のコイル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an eddy current sensor, and more particularly to a pulse excitation type magnetic impedance effect eddy current sensor.
[0002]
[Prior art]
The conventional eddy current sensor mainly uses an air core coil to reduce the size of the head, and an alternating current is applied to the head to reduce the change in the magnetic flux of the air core coil due to the eddy current demagnetizing field from the metal surface. It is used for detection of proximity of metal, detection of electromagnetic characteristics and defects of metal surface, and the like.
[0003]
In this case, a high-permeability magnetic body can be installed as a magnetic core in the coil to increase sensitivity, but it is necessary to secure the length of the magnetic body in order to reduce the demagnetizing field in the coil axis direction inside the magnetic body. When there is a spatial restriction such as when a sensor is installed inside a thin metal tube, it is difficult to reduce the size and thickness of the head, and an air-core coil head is mainly used.
[0004]
However, the demand for advanced non-destructive inspection in recent years has become strict, and in order to detect fine scratches and impurities on the metal surface, the head size can be reduced to 1 mm or less, or the non-destructive inspection of a shallow metal surface. For example, there is an increasing number of cases where the conventional coil method cannot solve the problem, for example, a high-frequency technique that makes the skin effect remarkable is required.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional eddy current sensor generally employs a method in which the air-core coil is AC-excited and a decrease in the coil inductance is detected by the demagnetizing field due to the eddy current on the surface of the target metal. However, with this method,
(1) A coil diameter that is at least twice the distance from the metal surface to the coil end face (lift-off) is required. For example, a 2 mm lift-off requires a coil of 4 mm or more, and it is difficult to reduce the size of the head. Also, pinpoint detection on the metal surface is difficult.
[0006]
(2) In order to increase the lift-off, it is necessary to generate a coil magnetic field far from the end face of the coil and to increase the demagnetizing field from the metal surface, and thus the axial length of the coil is increased. This makes it difficult to reduce the size of the head.
(3) In order to increase the detection sensitivity and the signal-to-noise ratio, it is necessary to increase the number of turns of the coil, and it is difficult to reduce the size of the head.
[0007]
(4) When detecting fine cracks on a shallow surface of a sample having a smooth surface such as a uranium pellet tube for a nuclear reactor, it is necessary to increase the frequency in order to reduce the depth of the skin of the metal (for example, 20 MHz) However, because of the displacement current due to the stray capacitance of the coil, the detection circuit (lead wire) tends to become unstable, and detection accuracy cannot be obtained.
[0008]
However, these problems are still unresolved.
As described above, the conventional eddy current sensor mainly uses an air-core coil, and an alternating current is supplied to the coil, which is detected as a decrease in magnetic flux change in the air-core coil generated by the eddy current demagnetizing field from the metal surface. It is used for detection and detection of electromagnetic characteristics and defects of metal surfaces.
[0009]
In order to further increase the detection sensitivity, a high permeability magnetic material can be used for the coil core, but it is necessary to ensure the length of the magnetic material in order to reduce the demagnetizing field in the coil axis direction inside the magnetic material. Therefore, since it is difficult to reduce the size and thickness of the head, a head using an air-core coil is generally used.
Recently, high-frequency technology that makes the skin effect conspicuous for non-destructive inspection of shallow metal surfaces is required. However, conventional coil methods are difficult to solve the problem of stray capacitance and it is difficult to improve detection accuracy. There is something.
[0010]
Therefore, the present invention improves the above-described conventional coil-type eddy current sensor head and uses the magneto-impedance effect of the magnetic wire previously found by the inventor of the present invention, thereby significantly reducing the size of the head and reducing the metal shallow surface. We have proposed the detection of the electromagnetic characteristics in the pinpoint region of this and the stable and fast response eddy current sensor by exciting the head with a pulse current. This belongs to all technical fields where eddy current sensors are used industrially, and can be remarkably advanced.
[0011]
That is, an object of the present invention is to provide a magneto-impedance effect type eddy current sensor that eliminates the above-mentioned problems and can achieve downsizing of the head of the eddy current sensor, ensuring lift-off, and high frequency.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] A magneto-impedance effect type eddy current sensor, a pulse voltage generation circuit for applying a sharp pulse current for generating a magnetic impedance effect due to a skin effect to a magnetic thin wire, and a length direction of the magnetic thin wire according to the pulse current Means for inducing a pulsed magnetic field, and a circuit for obtaining an output voltage by converting and amplifying the induced pulse voltage across the magnetic wire reduced by a demagnetizing field caused by an eddy current induced on the surface of a nearby metal by the pulsed magnetic field into a DC voltage It is made to comprise.
[0013]
[2] In the magneto-impedance effect type eddy current sensor according to [1], an amorphous magnetic wire is used as the magnetic wire.
[3] In the magneto-impedance effect eddy current sensor according to [1], the pulse voltage generation circuit includes a multivibrator circuit using a C-MOS inverter, a differentiation circuit, and a pulse waveform shaping amplification C-MOS inverter. A circuit is used.
[0014]
[4] In the magneto-impedance effect eddy current sensor described in [1] above, a coated conductor coil is installed around the magnetic wire as means for generating a pulse magnetic field in the length direction of the magnetic wire. is there.
[5] In the magneto-impedance effect eddy current sensor according to [1], a circuit comprising a Schottky barrier diode and a peak hold circuit is used as a circuit for converting the pulse voltage induced across the magnetic wire into a DC voltage. It is a thing.
[0015]
[6] In the magneto-impedance effect type eddy current sensor according to [1] above, a pair of the magnetic wires are used, the induced pulse voltage of each magnetic wire is converted into a DC voltage, and the difference between the voltages is output. It is what I did.
It should be noted that a high-frequency current that generates a skin effect may be used instead of the sharp pulse current of [1] from the viewpoint of the magnetic impedance (MI) effect.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a block diagram of a magneto-impedance effect type eddy current sensor according to the present invention.
In this figure, reference numeral 1 denotes a C-MOS IC (74AC04), which includes two inverters 2 and 3 (Q 1 and Q 2 ), a resistor 4 (R 1 : 20 kΩ), and a capacitor 5 (C 1 : 100 pF). It has a multivibrator and has other inverters 6, 7, 8, and 9 that shape and amplify the waveform.
[0017]
Further, 10 is a resistance (R 2 : 1Ω), 11 is a zero magnetostrictive amorphous wire, 12 is a Schottky barrier diode (SBD), 13 is a capacitor (C 2 : 1000 pF), 14 is a resistance (R 3 : 520 kΩ), 15 Is a resistor (R 5 : 10 kΩ), 16 is a resistor (R 7 : 100 kΩ), 17 is a variable resistor (VR 1 : 3 kΩ), 18 is a resistor (R 4 : 10 kΩ), and 19 is a first differential amplifier (OP 1 : LF356), 20 is a resistor (R 6 : 100 kΩ), 21 is a resistor (R 8 : 10 kΩ), 22 is a resistor (R 10 : 10 kΩ), 23 is a second differential amplifier (OP 2 : LF356), Reference numeral 24 denotes a resistor (R 9 : 1 MΩ).
[0018]
The basic structure of the eddy current sensor circuit of the present invention shown in FIG. 1 is that a multiwave vibrator of two inverters 2 and 3 in the C-MOS IC 1 oscillates a square wave , and the pulse current flowing through the power line is long. A zero-magnetostrictive amorphous wire 11 having a thickness of 1 mm and a diameter of 30 μm is energized, and a pulse magnetic flux linked to a 30-turn coil installed on the zero-magnetostrictive amorphous wire 11 is applied to a target metal (not shown), and the eddy current reaction on the metal surface is counteracted. The voltage across the amorphous wire changed by the magnetic field is detected by the Schottky barrier diode 12 (SBD) and converted to a DC voltage by the peak hold circuit.
[0019]
DC voltage above, first, is applied to the second differential amplifier 19 and 23, when the head is sufficiently distant from the target, the sensor output voltage E out is set to zero.
Instead of the pulse voltage across the head, the voltage across the coil can be used as the detection voltage.
The rise time of the pulse current of the head energization is 2 to 3 ns, which is equivalent to the energization of an alternating current of 100 to 200 MHz that is most sensitive to the generation of the magnetic impedance (MI) effect due to the skin effect of the amorphous wire.
[0020]
FIG. 2 is a magneto-impedance effect type eddy current sensor circuit diagram (No. 1) showing the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is developed to differentiate the square wave voltage of the multivibrator with a differentiating circuit. After the amplification and shaping at, the zero magnetostrictive amorphous wire 38 is pulsed.
FIG. 3 is a diagram showing the experimental results of the magneto-impedance effect type eddy current sensor (No. 1), and FIG. 4 is a diagram showing the voltage across the amorphous wire and the voltage across the coil of the eddy current sensor.
[0021]
In FIG. 2, 31 and 32 are inverters, 33 is a resistor (51 kΩ), 34 is a capacitor (100 pF), and these constitute a multivibrator. 35 is a capacitor (100 pF), 36 is a resistor (200Ω), 37 is an inverter, 38 is a sensor head (zero magnetostrictive amorphous wire), 39 is a Schottky barrier diode (SBD), 40 is a capacitor (1000 pF), 41 is a resistor ( 51 kΩ), 42 is a variable resistor (VR 1 : 200Ω), 43 is a differential amplifier (OP: AD524 100 times), 44 is an aluminum plate (60 × 100 × 1 mm).
[0022]
In this embodiment, as shown in FIG. 2, a sensor head 38 in which a 30 μm diameter amorphous wire with 1 mm between electrodes formed by soldering both ends is installed on a bobbin with an inner diameter of 1 mm wound with a 30-turn coil, It was made to approach at a distance x in parallel to a wide aluminum plate 44 having a thickness of 1 mm.
FIG. 3 shows the relationship between the sensor output voltage Vout and the distance x in such a case.
[0023]
In FIG. 3, a curve a is a case where the angle θ c formed by the amorphous wire and the central axis of the coil is 10 °, a curve b is 5 °, a curve c is 0 °, and a curve d is a case without a coil.
As shown in FIG. 3, V out is about 4 mm. Changes are appearing. The noise voltage is 20 mV, and the distance detection resolution is about 15 μm.
[0024]
When the angle θ c formed between the amorphous wire and the coil axis is 0 °, 5 °, and 10 °, the change width of V out with respect to the distance x is the maximum when the angle θ c is 10 ° (curve a). . This is because the flux change with respect to the energizing current of the amorphous wire is in the wire circumferential direction, so that the flux linkage change does not appear unless the coil lead wire and the flux change direction have an angle.
[0025]
When the coil is not applied (curve d), the change width of Vout is as small as 1/3 to 1/4 of that when the coil is applied, but the change is a size that can be measured stably. This is presumably because twist stress is applied to the amorphous wire during electrode formation, a pulse magnetic field is generated in the wire length due to slight spiral magnetization, and a slight magnetic flux enters the metal plate.
[0026]
Although both ends of the coil were short-circuited, the characteristics were almost the same as in the case of opening. This is because the wire pulse current waveform is steep and the excitation frequency corresponds to a high frequency of 100 to 200 MHz. Therefore, the impedance of the stray capacitance in the coil is low with respect to the high frequency of the flux linkage change of the coil, and the LC in the coil is low. This is thought to be due to the formation of a closed circuit.
The voltage across the amorphous wire of the eddy current sensor is as shown in FIG. 4A (upper stage), and the voltage across the coil is as shown in FIG. 4B (lower stage). In FIG. 4, one scale is 10 ns.
[0027]
FIG. 5 is a magneto-impedance effect type eddy current sensor circuit diagram (part 2) showing the first embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram (part 2) showing an experimental result by the magneto-impedance effect type eddy current sensor. LC vibration waveform due to coil inductance and stray capacitance is observed.
In FIG. 5, 51 and 52 are inverters, 53 is a resistor (51 kΩ), 54 is a capacitor (100 pF), and these constitute a multivibrator. 55 is a capacitor (100 pF), 56 is a resistor (200Ω), 57 is an inverter, 58 is a sensor head (zero magnetostrictive amorphous wire), 59 is a Schottky barrier diode (SBD), 60 is a capacitor (1000 pF), and 61 is a resistor ( 51 kΩ), 62 is a variable resistor (VR 1 : 1 kΩ), 63 is a resistor (760 Ω), and 64 is a differential amplifier (OP: AD524 100 times).
[0028]
FIG. 6 is a graph showing V out -x characteristics when the coil of the zero magnetostrictive amorphous wire 58 is opened (curve a) and when a wire current is passed through the coil in series (curve b).
In the latter, the change ends at 0.5 mm, and the change width is about 1/4 of the former. This is because the former coil is almost free LC vibration as a secondary coil of a weakly coupled transformer, and is susceptible to the reaction of the eddy current demagnetizing field of the metal plate. In the latter, the coil current is the same as the wire current. This is thought to be due to being fixed.
[0029]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a magneto-impedance effect type eddy current sensor circuit diagram showing a second embodiment of the present invention. A twin head which is a differential type by combining two single head type sensor circuits shown in FIG. 1 symmetrically. It is a shape eddy current sensor circuit diagram.
In FIG. 7, two inverters 71 and 72 (Q 1 , Q 2 ), a resistor 73 (R 1 : 5.1 kΩ), a capacitor 74 (C 1 : 100 pF) constitute a multivibrator, and a capacitor 75 (C 2 : 100 pF), a resistor 76 (R 2 : 200Ω), and other inverters 77 and 78 (Q 3 and Q 4 ) that shape and amplify the waveform. 79 is a variable resistance (VR 1 : 200Ω), 80 is a twin head, 81 is a first coil thereof, 82 is a second coil thereof, 83 and 84 are Schottky barrier diodes (SBD), and 85 and 86 are Capacitors (C 3 , C 4 : 1000 pF), 87 and 88 are resistors (R 3 and R 4 : 510 kΩ), and 89 is a differential amplifier (OP: AD524 1000 times).
[0030]
The eddy current sensor according to the second embodiment has the following advantages.
When the twin head 80 is set equidistant from the surface of the target metal (not shown), the difference in electromagnetic characteristics between the two minute regions on the metal surface is detected without depending on the distance from the metal surface. Suitable for non-destructive detection of scratches and inclusions.
Further, since the impedance of the head also changes due to a disturbance magnetic field such as geomagnetism other than the eddy current demagnetizing field on the metal surface, the influence of the disturbance magnetic field can be offset by this twin head.
[0031]
In the sensor circuits of the first embodiment (FIG. 1) and the second embodiment (FIG. 7), only the power consumption due to a pulse current with a width of several ns is obtained. If the amplifier is also composed of a C-MOS amplifier, the power consumption of the sensor Is 10 mW or less, and can be configured as a small and light sensor with a small power consumption and easy to carry.
FIG. 8 is a waveform diagram of detection of a 100 μm diameter pinhole on the surface of an aluminum plate by a twin head type eddy current sensor according to a second embodiment of the present invention. FIG. ) Is for lift off 0.5 mm.
[0032]
Here, two amorphous wires having a diameter of 30 μm and a length of 1 mm were set in parallel at an interval of 2 mm, and parallel to the surface of the target aluminum plate with a lift-off of 1 mm. It can be seen that the eddy current near the pinhole is disturbed by the pinhole, causing a difference in the magnitude of the demagnetizing field applied to the two amorphous wires, and the pulse voltage is detected when the head is swept on the aluminum plate.
[0033]
As described above, in the present invention, problems that cannot be solved by the conventional sensor technology such as miniaturization of the head of the eddy current sensor, securing of lift-off, and high frequency are solved by the magneto-impedance effect (MI effect) type of zero magnetostrictive amorphous wire. It could be solved by the head and pulse electronic circuit technology.
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and based on the spirit of the present invention, such as a method of using a magnetic impedance (MI) effect by exciting a lead wire without applying a coil to an amorphous wire. Various modifications are possible and are not excluded from the scope of the invention.
[0034]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to reduce the size of the head of the eddy current sensor, ensure the lift-off, and increase the frequency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a magneto-impedance effect type eddy current sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram (part 1) of a magneto-impedance effect type eddy current sensor showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram (part 1) showing a result of an experiment by a magneto-impedance effect type eddy current sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the voltage across the amorphous wire and the voltage across the coil of the magneto-impedance effect eddy current sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a magneto-impedance effect eddy current sensor circuit diagram (No. 2) showing the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a diagram (part 2) illustrating an experimental result of the magneto-impedance effect type eddy current sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a magneto-impedance effect eddy current sensor circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a detection waveform diagram of a 100 μm diameter pinhole on the surface of an aluminum plate by a twin head type eddy current sensor showing a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 C-MOS IC (74AC04)
2, 3, 6, 7, 8, 9, 31, 32, 37, 51, 52, 57, 71, 72, 77, 78 Inverters 4, 10, 14, 15, 16, 18, 20, 21, 22, 24, 33, 36, 41, 53, 56, 61, 63, 73, 76, 87, 88 Resistor 5, 13, 34, 35, 40, 54, 55, 60, 74, 75, 85, 86 Capacitor 11 Zero Magnetostrictive amorphous wire (magnetic wire)
12, 39, 59, 83, 84 Schottky barrier diode (SBD)
17, 42, 62, 79 Variable resistance (VR 1 )
19 First differential amplifier 23 Second differential amplifier 38, 58 Sensor head (zero magnetostrictive amorphous wire)
43, 64, 89 Differential amplifier 44 Aluminum plate 80 Twin head 81 Twin head first coil 82 Twin head second coil

Claims (6)

磁気インピーダンス効果形渦電流センサであって、
(a)磁性細線に表皮効果による磁気インピーダンス効果を発生させる鋭いパルス電流を印加するパルス電圧発生回路と、
(b)前記パルス電流に応じて磁性細線の長さ方向にパルス磁界を誘起する手段と、
(c)前記パルス磁界によって近接金属表面に誘起された渦電流による反磁界で減少する前記磁性細線両端間誘起パルス電圧を、直流電圧に変換し増幅して出力電圧を得る回路とを具備することを特徴とする磁気インピーダンス効果形渦電流センサ。
A magneto-impedance effect eddy current sensor,
(A) a pulse voltage generation circuit that applies a sharp pulse current that generates a magneto-impedance effect due to the skin effect on the magnetic wire;
(B) means for inducing a pulse magnetic field in the length direction of the magnetic wire according to the pulse current;
(C) a circuit for converting an induced pulse voltage across the magnetic wire, which is reduced by a demagnetizing field caused by an eddy current induced on the surface of a nearby metal by the pulse magnetic field, into a direct current voltage and amplifying it to obtain an output voltage. A magneto-impedance effect type eddy current sensor.
請求項1記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記磁性細線としてアモルファス磁性細線を用いることを特徴とする磁気インピーダンス効果形渦電流センサ。2. The magneto-impedance effect eddy current sensor according to claim 1, wherein an amorphous magnetic wire is used as the magnetic wire. 請求項1記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記パルス電圧発生回路としてC−MOSインバータによるマルチバイブレータ回路と微分回路およびパルス波形整形増幅用C−MOSインバータより成る発振回路を用いることを特徴とする磁気インピーダンス効果形渦電流センサ。2. The magneto-impedance effect eddy current sensor according to claim 1, wherein the pulse voltage generation circuit uses an oscillation circuit comprising a multivibrator circuit using a C-MOS inverter, a differentiating circuit, and a pulse waveform shaping amplification C-MOS inverter. Magnetic impedance effect type eddy current sensor. 請求項1記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記磁性細線の長さ方向にパルス磁界を発生させる手段として、磁性細線の周回に被覆導線コイルを設置することを特徴とする磁気インピーダンス効果形渦電流センサ。2. The magneto-impedance effect type eddy current sensor according to claim 1, wherein a coated conductor coil is installed around the magnetic wire as means for generating a pulse magnetic field in the length direction of the magnetic wire. Eddy current sensor. 請求項1記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記磁性細線両端間誘起パルス電圧を直流電圧に変換する回路として、ショットキーバリアダイオードとピークホールド回路より成る回路を用いることを特徴とする磁気インピーダンス効果形渦電流センサ。2. The magneto-impedance effect eddy current sensor according to claim 1, wherein a circuit comprising a Schottky barrier diode and a peak hold circuit is used as a circuit for converting the pulse voltage across the magnetic wire into a DC voltage. Impedance effect eddy current sensor. 請求項1記載の磁気インピーダンス効果形渦電流センサにおいて、前記磁性細線を1対用い、それぞれの磁性細線の誘起パルス電圧を直流電圧に変換した後、その電圧の差を出力とすることを特徴とする磁気インピーダンス効果形渦電流センサ。2. The magneto-impedance effect type eddy current sensor according to claim 1, wherein a pair of the magnetic thin wires are used, and an induced pulse voltage of each magnetic thin wire is converted into a DC voltage, and then a difference between the voltages is used as an output. Magnetic impedance effect type eddy current sensor.
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