WO2018147264A1 - 磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置及び漏洩磁束検出方法 - Google Patents

磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置及び漏洩磁束検出方法 Download PDF

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magnetic sensor
leakage
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佑太 星野
浩史 森平
恒弘 新谷
修美 松村
行正 塩道
博史 藤井
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Toyo Kohan Co Ltd
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Toyo Kohan Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/83—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws by investigating stray magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for detecting leakage magnetic flux caused by internal inclusions, scratches, air gaps, etc. of a magnetic body using a magnetic sensor.
  • an inspection apparatus using a magnetic sensor detects magnetic characteristics such as leakage magnetic flux, but the inspection target includes a magnetic material or a non-magnetic material having magnetism.
  • magnetic sensors there are known magnetic sensors using Hall elements, TMR (Tunneling Magneto Resistance) elements, and other elements.
  • Patent Document 1 describes detecting a magnetic pattern printed with magnetic ink on paper sheets such as banknotes and securities, which are nonmagnetic materials, using a magnetic line sensor.
  • the magnetic line sensor has a configuration in which a large number of magnetic sensor elements whose longitudinal direction is a magnetic sensing direction with respect to a magnetic material are arranged on a surface side of a circuit board at a narrow pitch perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element.
  • a permanent magnet for applying a bias magnetic field to each magnetic sensor element is disposed on the back side of the circuit board.
  • Patent Document 1 provides a magnetic line sensor that can be applied not only to detect the presence of a magnetic pattern but also to detect a magnetic pattern by increasing the resolution.
  • the sensor is formed by arranging a large number of magnetic sensors using magnetic sensor elements in which the magnetic sensing direction of the magnetic material is the longitudinal direction at a narrow pitch substantially perpendicular to the longitudinal direction of the magnetic sensor elements.
  • This magnetic line sensor is used by being arranged so that the conveyance direction of the detected medium provided with the magnetic pattern coincides with the longitudinal direction of the magnetic sensor element.
  • Patent Document 2 discloses an invention relating to a leakage magnetic flux flaw detection method in which a magnetic field is detected using a magnetic sensor in detecting defects on the surface and inside of a thin steel plate that is a magnetic material.
  • the present invention includes a magnetizer for magnetizing a specimen, a magnetic detection unit that detects a magnetic field generated due to a defect, and a probe for magnetic testing including a light emitting element corresponding to the magnetic detection unit,
  • the present invention provides a magnetic field visualization sensor having a function of determining lighting of the light emitting element based on a calculation result of an output signal from a magnetic detection unit, and a magnetic flaw detection probe including the magnetic field visualization sensor.
  • the present invention has a function of discriminating between a magnetic flux leaking from a magnetizer to a magnetic sensor and a magnetic flux leaking out of a specimen due to a defect in the specimen, and further allowing the defect to be visually recognized on the spot.
  • the magnetic line sensor of Patent Document 1 is intended to detect a magnetic pattern printed with magnetic ink on a paper sheet that is a non-magnetic material. None is described about the inspection for the foreign substances inherent in the production of the (steel plate).
  • the magnetic line sensor of Patent Document 1 is applied to inspection of internal inclusions, scratches, air gaps, etc. of magnetic bodies, the positional relationship between the magnetic body and the sensor and the elements so as to be accurately adapted to such inspections It is necessary to ingenuate the configuration and magnetic field application means. Further, in order to apply the leakage magnetic flux flaw detection method described in Patent Document 2 to inspection of internal inclusions, scratches, air gaps, etc. of magnetic materials, further ingenuity is required in substrate design, element configuration, magnetic field application means, etc. is necessary.
  • the invention is described using a TMR magnetic sensor.
  • the magnetic sensor used is not limited to this (see Paragraph 0028 of Patent Document 1).
  • the invention is described using a Hall element.
  • the magnetic sensor is not limited to a Hall element (see Paragraph 0014 of Patent Document 2).
  • the Hall element has a good linearity sensitivity as a magnetic sensor, but has a disadvantage that the sensitivity is low and it is easily influenced by the ambient temperature.
  • the TMR magnetic sensor has high sensitivity and excellent temperature characteristics.
  • the present invention has been made under such circumstances, and a magnetic leakage flux detecting device having improved characteristics by using a TMR magnetic sensor as a magnetic sensor with high sensitivity, and leakage magnetic flux detection using the detecting device.
  • a method is provided.
  • One aspect of the magnetic flux leakage detection device of the present invention is a magnetizer for exciting a magnetic material, and a magnetic flux leaking due to internal inclusions, scratches, air gaps, etc. of the magnetic material disposed opposite to the magnetic material.
  • a magnetic sensor module having a TMR magnetic sensor to be detected, and bias applying means for applying a bias magnetic field in the magnetic sensing direction of the TMR magnetic sensor are provided.
  • the bias applying unit preferably serves as the magnetizer, but may include a bias applying auxiliary unit such as a permanent magnet in addition to the magnetizer.
  • the magnetic sensor module includes a wiring board on which the plurality of TMR magnetic sensors are mounted. In order to reduce the distance between the magnetic body and a sensor chip constituting the TMR magnetic sensor, the sensor chip is attached to the magnetic body.
  • a plurality of them may be arranged along the end portion of the wiring board facing the surface of the wiring board.
  • the TMR adjacent to the low-sensitivity region in the vicinity of 0 Oe (hereinafter sometimes referred to as “Oersted”) is applied to the TMR magnetic sensor by the bias applying unit so that the magnetic sensor module can be used with high sensitivity.
  • the magnetic sensor may be applied so that the sensitivity of the magnetic sensor is in a high sensitivity region that is a linear region.
  • the plurality of TMR magnetic sensors may be arranged in a direction perpendicular to the moving direction of the magnetic body and excited in the moving direction. .
  • the magnetic sensor module may be disposed at a position appropriately separated from the center position between the N pole and the S pole of the magnetizer. good.
  • One aspect of the magnetic flux leakage detection method of the present invention is a method for detecting a leakage flux of the magnetic material using the leakage magnetic flux detection device configured as described above, wherein the magnetic material is magnetized by the magnetizer.
  • the bias applying means applies a bias magnetic field so that the sensitivity of the TMR magnetic sensor exceeds the low sensitivity region near 0 Oersted in the magnetic sensing direction of the TMR magnetic sensor and becomes a high sensitivity region in which the sensitivity of the TMR magnetic sensor is a linear region. It is characterized by applying.
  • the magnetic leakage flux detecting device of the present invention can improve the characteristics by using the TMR magnetic sensor as a magnetic sensor in a highly sensitive state, and can reliably detect the leakage flux of the magnetic material. According to the leakage flux detection method, the leakage flux of the magnetic material can be detected with high sensitivity using this leakage flux detection device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic flux leakage detecting device according to a first embodiment. Sectional drawing explaining the excitation to a magnetic body and leakage flux detection by the leakage flux detection apparatus of FIG.
  • the top view of the magnetic sensor module which comprises the magnetic flux leakage detection apparatus shown in FIG.
  • the top view which expands and shows the TMR magnetic sensor and magnetic line sensor which are the sensor chips which comprise the magnetic sensor module shown in FIG.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of the magnetic sensor module shown in FIG. 3 and an image device connected to the magnetic sensor module.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a magnetic sensor module according to a second embodiment and an image device connected to the magnetic sensor module.
  • FIG. 3 is an output characteristic diagram of the magnetic sensor module according to Example 1 (applied magnetic field ⁇ 40 Oe to 40 Oe).
  • FIG. 3 is an output characteristic diagram of the magnetic sensor module according to Example 1 (applied magnetic field—0.5 Oe to 0.5 Oe).
  • FIG. 3 is an output characteristic diagram of the magnetic sensor module according to Example 1 (applied magnetic field: 9.5 Oe to 10.5 Oe).
  • FIG. 6 is a characteristic diagram illustrating an output voltage at the time of air gap detection in each sensitivity region of the magnetic sensor module according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a waveform diagram of a detection signal when the magnetic line sensor that constitutes the magnetic sensor module according to the first embodiment detects a gap in the magnetic body.
  • FIG. 6 is a distribution diagram of a bias magnetic field applied to a magnetic line sensor by a bias applying unit and a relationship diagram between an excitation yoke position and a magnetic flux density.
  • Sectional drawing of the leakage magnetic flux detection apparatus which shows another Example of a magnetic body.
  • the top view of the magnetic sensor module which shows a magnetic body as a cross section similarly to FIG.
  • the present invention uses a TMR magnetic sensor (referred to as a “magnetic line sensor”) arranged in a line to detect leakage magnetic flux caused by internal inclusions, scratches, air gaps, etc. of a magnetic material such as a thin steel plate.
  • a magnetic line sensor arranged in a line to detect leakage magnetic flux caused by internal inclusions, scratches, air gaps, etc. of a magnetic material such as a thin steel plate.
  • the present invention relates to a method of detecting leakage magnetic flux of a magnetic material with high sensitivity by effectively utilizing the characteristics of the TMR magnetic sensor.
  • the leakage magnetic flux detection device in this embodiment uses a magnetizer 21 that excites a thin steel plate 30 that is a magnetic material, and leakage magnetic flux caused by internal inclusions, scratches, air gaps, and the like of the thin steel plate 30.
  • a magnetic sensor module 20 (see FIG. 3) in which a magnetic line sensor 10 in which a plurality of TMR magnetic sensors 1 to be detected (see FIG. 4) are arranged in a line is mounted on the wiring board 5 and the magnetic sensing direction of the TMR magnetic sensor 1 are arranged.
  • Bias applying means for applying a bias magnetic field The magnetizer 21 also serves as the bias applying means.
  • the magnetic sensor module 20 is shown in FIG. Formed on one side of the wiring board 5 is a magnetic line sensor 10 composed of a number of TMR magnetic sensors 1 arranged close to the edge. Since each TMR magnetic sensor 1 is configured as a sensor chip, it may be referred to as a sensor chip 1 below.
  • the thin steel plate 30 as an object is arranged close to one side where the magnetic line sensor 10 including the plurality of TMR magnetic sensors 1 of the wiring board 5 is formed.
  • the wiring substrate 5 is formed with an amplifying unit 11 made of an amplifier IC or an amplifier chip.
  • the position of the amplifying unit 11 is not particularly limited, but is preferably close to the magnetic line sensor 10.
  • a terminal portion 7 is provided on the other side of the wiring board 5.
  • the side on which the terminal portion 7 is provided is not limited, but in this embodiment, the magnetic line sensor 10 is provided on the opposite side of the side formed in proximity.
  • a lead 18 extends from the terminal portion 7 to the outside of the magnetic sensor module 20, and a signal obtained by the magnetic line sensor 10 is transferred from the terminal portion 7 to the lead 18 via wiring inside the wiring board 5. Reportedly. FIG.
  • FIG. 4 shows an enlarged plan view of a part of the wiring board 5 on which the magnetic line sensor 10 composed of the arranged TMR magnetic sensors 1 is formed.
  • the leakage magnetic flux detection device needs to be brought close to the thin steel plate 30 to be conveyed, which is an object, at the time of measurement.
  • the end of each TMR magnetic sensor 1 is located on the edge of the wiring board 5, which is a component of the magnetic sensor module 20. Need to be close.
  • the distance from the edge to the end is set to 0.05 mm.
  • the magnetic line sensor 10 is formed by arranging a large number of TMR magnetic sensors 1 having the same configuration on the main surface of the wiring board 5 on a straight line at a narrow pitch.
  • Each TMR magnetic sensor 1 is composed of a fixed resistor or a low-sensitivity TMR element 2 and a high-sensitivity TMR element 3 having the same configuration, and between both elements 2 and 3 in which output terminals OUT common to both elements 2 and 3 are connected in series.
  • the power supply terminal VDD is connected to the high-sensitivity TMR element 3 and disposed at the one end side in the longitudinal direction
  • the ground terminal GND is disposed at the low-sensitivity TMR element 2 is connected to the one end side (see FIG. 5).
  • the number of TMR magnetic sensors 1 in the magnetic line sensor 10 is 154
  • the pitch in the width direction of the TMR magnetic sensor elements 2 and 3 in the magnetic line sensor 10 is 0.5 mm.
  • the other end side opposite to the one end in the longitudinal direction of the TMR magnetic sensor 1 coincides with the side where the wiring board 5 faces the thin steel plate 30.
  • Each TMR magnetic sensor 1 is arranged in a line along a side facing the thin steel plate 30 of the wiring board 5 to constitute the magnetic line sensor 10.
  • the leakage magnetic flux detection device in the present embodiment amplifies the leakage magnetic flux information of the thin steel plate 30 obtained by the TMR magnetic sensor 1 and sends it from the terminal section 7 to the image processing device, and the leakage magnetic flux information sent by this image processing device. Can be imaged.
  • each TMR magnetic sensor 1 in the magnetic line sensor 10 is referred to as a channel (hereinafter sometimes referred to as “ch”), and is arranged from the channel 1 to the channel 154 from the top to the bottom in FIG. Then, this is expressed as 1ch, 2ch, 3ch, ..., 154ch.
  • an analog signal from the magnetic line sensor 10 is input from the output terminal OUT (see FIG. 4) of each TMR magnetic sensor 1 to each amplifier constituting the amplifying unit 11.
  • the output of each amplifier is input to each A / D converter of the A / D converter 12 of the image processing apparatus and is digitally converted.
  • the digital signal digitally converted by the A / D conversion unit 12 is input to the image processing unit 13 to generate an image, and the generated image is displayed on the image display unit 17.
  • the image processing unit 13 normalizes the digitized TMR magnetic sensor output so as to eliminate variations among the channels 1 to 154, and quantizes the normalized digital signal between the maximum value and the minimum value.
  • a gradation data generation unit 15 that generates gradation data by converting the image data
  • an image generation unit 16 that generates an image based on the gradation data in each of the channels 1 to 154.
  • FIG. 1 a thin steel plate 30 as an object travels on a roll 31.
  • the magnetizer 21 is disposed close to the thin steel plate 30 on the roll 31.
  • the magnetic line sensor 10 is disposed between the excitation yoke N pole 22 and S pole 23 of the magnetizer 21.
  • a magnetic body magnetic flux that is, a magnetic field is formed inside the thin steel plate 30 by the excitation yokes 22 and 23.
  • FIG. 2 if there is a non-magnetic inclusion 32 inside the thin steel plate 30, leakage magnetic flux is generated from that portion and is detected by the magnetic line sensor 10.
  • the magnetizer 21 also serves as a bias applying means for applying a bias magnetic field in the magnetic sensing direction of the TMR magnetic sensor 1 as shown in FIGS.
  • the bias applying means may use another magnetizing device instead of the magnetizer 21, or a permanent magnet may be added as a bias applying auxiliary means in addition to the magnetizer 21.
  • the thin steel plate 30 is magnetized by the magnetizer 21, and the low sensitivity region near 0 Oersted in the magnetic sensing direction of the TMR magnetic sensor 1 by the magnetizer 21 also serving as the bias applying means.
  • the bias magnetic field (spatial magnetic flux) is applied so that the sensitivity of the TMR magnetic sensor 1 is in a high sensitivity region that is a linear region.
  • FIG. 7 shows output characteristics of the magnetic sensor module 20 on which the TMR magnetic sensor 1 is mounted.
  • the horizontal axis represents the magnetic field (Oe) applied to the TMR magnetic sensor 1 of the magnetic sensor module 20, and the vertical axis represents the output voltage (V) from the output terminal OUT (see FIG. 4) that reacts to the applied magnetic field.
  • the power supply voltage is 5 V, and the value obtained by multiplying the output of the TMR magnetic sensor 10 times by the amplifying unit 11 is described as the output voltage.
  • FIG. 7 shows the sensitivity characteristics in the region of the applied magnetic field ⁇ 40 to 40 Oe.
  • a region of ⁇ 2 to 2 Oe is a low sensitivity region, and the characteristic diagram of FIG. 8 is included in the region.
  • the region of 2 to 13 Oe is the high sensitivity region, and the characteristic diagram of FIG. 9 is included in the region.
  • the TMR magnetic sensor 1 is used in this high sensitivity region.
  • FIG. 10 shows the relationship between the output (vertical axis: output voltage) and the magnetomotive force (horizontal axis) at the time of air gap detection in each sensitivity region of the TMR magnetic sensor 1 of the magnetic sensor module 20.
  • a region showing high sensitivity is a region indicated by ⁇ , and the TMR magnetic sensor 1 is used in this high sensitivity region as described above.
  • FIG. 11 illustrates the state of the detection signal.
  • FIG. 12A is a distribution diagram of a bias magnetic field applied to the magnetic line sensor 10 in which the magnetizer 21 has the sensor chip 1 arranged
  • FIG. 12B is a relationship diagram between the positions of the excitation yokes 22 and 23 and the magnetic flux density. is there.
  • the magnetic field sensor 10 of the magnetic sensor module 20 has a high sensitivity where the sensitivity of the TMR magnetic sensor 1 adjacent to the low sensitivity region near 0 Oersted is in the linear region so that the magnetic line sensor 10 can be used with high sensitivity. It is applied so as to be a sensitivity region.
  • the plurality of TMR magnetic sensors 1 constituting the magnetic line sensor 10 are perpendicular to the width direction of the thin steel plate 30, in other words, the moving direction of the thin steel plate 30. Is excited in the direction perpendicular to the width direction, in other words, the moving direction.
  • the magnetic sensor module 20 is located at a position slightly away from the center position between the N pole 22 and the S pole 23 of the magnetizer 21 (near the bias magnetic field 7Oe).
  • the magnetic line sensor 10 is preferably arranged.
  • the thin steel plate 30 in the method of detecting the leakage magnetic flux of the thin steel plate 30, the thin steel plate 30 is magnetized by the magnetizer 21, and the magnetism 21 near the 0 Oersted in the magnetic sensitive direction of the TMR magnetic sensor 1.
  • a bias magnetic field is applied beyond the low sensitivity region so that the sensitivity of the TMR magnetic sensor 1 is a high sensitivity region that is a linear region. Thereby, the maximum sensitivity of the magnetic line sensor 10 can be extracted.
  • the magnetic body in a present Example is not limited to the above-mentioned thin steel plate 30,
  • the processed goods of the thin steel plate 30 are also included.
  • a steel plate processed product 33 such as a can or a case formed from the thin steel plate 30 into a cylindrical shape or a bottomed cylindrical shape is also a target.
  • the steel plate processed product 33 is supported on the rotary head 35 of the rotating device 34 so that the cylindrical axis coincides with the rotation axis, and the outer periphery of the magnetic line sensor 10 and the magnetizer 21 and the steel plate processed product 33 facing the magnetic line sensor 10.
  • the planes are set so as to have the same arrangement relationship as in FIG. As shown in FIG.
  • the magnetic line sensor 10 arranged in the rotation axis direction that is a direction perpendicular to the moving direction causes the surface of the steel plate processed product 33 to Scan to detect leakage flux. Similar to FIGS. 1 and 2, if there is a non-magnetic inclusion 32 in the steel plate processed product 33, this inclusion 32 can be detected. Similarly to FIGS. 10 and 11, the steel plate If there is a gap inside the processed product 33, this gap can be detected. Furthermore, it goes without saying that the present invention can be applied to magnetic bodies other than steel plates.
  • Embodiment 2 will be described with reference to FIG.
  • the magnetic line sensor 10 two different types of TMR elements constitute one channel (indicated as ch in FIG. 6), and two output terminals OUT (see FIG. 4) are respectively connected to the same amplifier of the amplifier 42. Connected to two input terminals.
  • each of the channels 1 to 154 has a bridge structure, and the number of TMR magnetic sensors 1 in this embodiment is 154 ch ⁇ 2, that is, twice as many as 308 in comparison with the first embodiment.
  • the analog signal from the magnetic line sensor 10 is input from the output terminal OUT (see FIG. 4) of each TMR magnetic sensor 1 to each amplifier constituting the amplifying unit 42.
  • the output of each amplifier is input to each A / D converter of the A / D converter 43 of the image processing apparatus and is digitally converted.
  • the digital signal digitally converted by the A / D conversion unit 43 is input to the image processing unit 44 to generate an image, and the generated image is displayed on the image display unit 48.
  • the image processing unit 44 normalizes the digitized TMR magnetic sensor output so as to eliminate variations among the channels 1 to 154, and quantizes the normalized digital signal between the maximum value and the minimum value.
  • a gradation data generation unit 46 that generates gradation data by converting the image data into a grayscale data, and an image generation unit 47 that generates an image based on the gradation data in each of the channels 1 to 154.
  • a full-bridge structure has been described, but this structure can be operated differentially.
  • the detection of the leakage magnetic flux due to inclusions, scratches, air gaps and the like inherent in the magnetic material such as the thin steel plate is reliably and efficiently performed. Can be done.

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Abstract

【課題】　ＴＭＲ磁気センサを磁気センサとして高感度で用いることによって特性を向上させた磁性体の漏洩磁束検出装置及び漏洩磁束検出方法を提供する。 【解決手段】　漏洩磁束検出装置は、磁性体３０を励磁する磁化器２１、磁性体３０の内部介在物・キズ・空隙等に起因した漏洩磁束を検出する複数のＴＭＲ磁気センサをライン状に配列してなる磁気ラインセンサ１０を有する磁気センサモジュール２０と、前記磁気ラインセンサ１０の感磁方向にバイアス磁界を印加するバイアス付与手段とを有し、バイアス付与手段によってＴＭＲ磁気センサの感磁方向に０エルステッド付近の低感度領域を超えて、ＴＭＲ磁気センサの感度が線形領域の範囲である高感度領域となるようにバイアス磁界を印加する。

Description

磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置及び漏洩磁束検出方法
　本発明は、磁気センサを用いた磁性体の内部介在物・キズ・空隙などに起因した漏洩磁束を検出する装置及び方法に関するものである。
　従来、磁気センサを用いる検査装置は、漏洩磁束などの磁気特性を検出するものであるが、検査の対象としては磁性を有する磁性体或いは非磁性体がある。また、磁気センサとしては、ホール素子やＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子、その他の素子を用いた磁気センサが知られている。特許文献１には、磁気ラインセンサを用いて、非磁性体である紙幣や有価証券等の紙葉類に磁気インクで印刷された磁気パターンを検出することが記載されている。前記磁気ラインセンサは、回路基板の表面側に、磁性体に対する感磁方向が長手方向である磁気センサ素子が、センサ素子長手方向に対して垂直に狭ピッチで多数配置されて構成される。また、前記回路基板の裏面側には、各磁気センサ素子にバイアス磁界を加える永久磁石が配置されている。
　特許文献１に記載された発明は、分解能を高めて、磁気パターンをその存在を検出するだけではなく、磁気画像としての検出にも適用できる磁気ラインセンサを提供するものであって、当該磁気ラインセンサは、磁性体の感磁方向が長手方向である磁気センサ素子を用いた磁気センサを磁気センサ素子の長手方向に対してほぼ垂直に狭ピッチで多数配置してなるものである。この磁気ラインセンサは、磁気パターンを設けた被検出媒体の搬送方向と磁気センサ素子の長手方向が一致するように配置して使用する。
　また、特許文献２には、磁性体である薄鋼板の表面や内部の欠陥検出において、磁気センサを用いて磁場を検出する漏洩磁束探傷法に係る発明が開示されている。この発明は、試験体を磁化する磁化器と、欠陥に起因して発生した磁場を検出する磁気検出部と、前記磁気検出部に対応した発光素子を備えた磁気探傷用プローブを有し、前記磁気検出部からの出力信号の演算結果により、前記発光素子の点灯を判定する機能を備えた磁場可視化センサ及び当該磁場可視化センサを備えた磁気探傷用プローブを提供するものである。この発明は、磁化器から磁気センサに漏洩する磁束と試験体内の欠陥に起因して試験体外に漏洩する磁束を識別し、さらに欠陥をその場で視認できる機能を有する。
特開２０１６－５７１２５号公報
特開２０１４－１０６１６５号公報
　特許文献１の磁気ラインセンサは、非磁性体である紙葉類に磁気インクで印刷された磁気パターンを検出することを目的とするものであって、特許文献１には、磁性体（例えば薄鋼板）の製造時に内在する異物に対する検査については何も記載されていない。特許文献１の磁気ラインセンサを磁性体の内部介在物・キズ・空隙などの検査に適用した場合には、このような検査に精度よく適合するように、磁性体とセンサとの位置関係、素子構成、磁界印加手段などについて創意工夫をする必要がある。また、特許文献２に記載された漏洩磁束探傷法を磁性体の内部介在物・キズ・空隙などの検査に適用するためには、基板デザイン、素子構成、磁界印加手段等において更なる創意工夫が必要である。
　また、特許文献１に開示された発明では、ＴＭＲ磁気センサを用いて発明を説明しているが、使用される磁気センサは、これに限るものではないとしている（特許文献１の段落００２８参照）。また、特許文献２に開示された発明では、ホール素子を用いて発明を説明しているが、磁気センサは、ホール素子に限るものではないとしている（特許文献２の段落００１４参照）。ホール素子は、磁気センサとして、良好な直線性感度を有しているが、感度が低く、周辺温度の影響を受け易いという短所がある。これに対して、前記ＴＭＲ磁気センサは、高感度であり、温度特性に優れている。
　本発明は、このような事情によりなされたものであり、ＴＭＲ磁気センサを磁気センサとして高感度で用いることによって特性を向上させた磁性体の漏洩磁束検出装置及びこの検出装置を使用した漏洩磁束検出方法を提供するものである。
　本発明の磁性体の漏洩磁束検出装置の一態様は、磁性体を励磁する磁化器と、前記磁性体に対向配置されて前記磁性体の内部介在物・キズ・空隙などに起因した漏洩磁束を検出するＴＭＲ磁気センサを有する磁気センサモジュールと、前記ＴＭＲ磁気センサの感磁方向にバイアス磁界を印加するバイアス付与手段とを備えたことを特徴としている。前記バイアス付与手段は、前記磁化器が兼ねると好適であるが、磁化器に加えて永久磁石などのバイアス付与補助手段を有するようにしても良い。前記磁気センサモジュールは、前記複数のＴＭＲ磁気センサを搭載する配線基板を有し、前記磁性体と前記ＴＭＲ磁気センサを構成するセンサチップとの距離を小さくするために、当該センサチップを前記磁性体の表面に対向する前記配線基板の端部に沿って複数配置するようにしても良い。前記磁気センサモジュールを高感度で使用できるように、前記バイアス付与手段によってＴＭＲ磁気センサに印加されるバイアス磁界が０Ｏｅ（以下「エルステッド」という場合もある。）付近の低感度領域に隣接する前記ＴＭＲ磁気センサの感度が線形領域の範囲である高感度領域となるように印加されるようにしても良い。前記磁性体からの垂直方向の漏洩磁束を検出するために、前記複数のＴＭＲ磁気センサは、前記磁性体の動く方向と直角の方向に配置され、前記動く方向に励磁されるようにしても良い。前記磁気センサモジュールの感度が最も高い付近にバイアス磁界を与えるために、前記磁化器のＮ極とＳ極の間の中心位置から適正に離れた位置に当該磁気センサモジュールを配置するようにしても良い。
　本発明の磁性体の漏洩磁束検出方法の一態様は、上述のように構成した漏洩磁束検出装置を用いて前記磁性体の漏洩磁束を検出する方法において、前記磁化器により前記磁性体を磁化すると共に、前記バイアス付与手段によって前記ＴＭＲ磁気センサの感磁方向に０エルステッド付近の低感度領域を超えて、前記ＴＭＲ磁気センサの感度が線形領域の範囲である高感度領域となるようにバイアス磁界を印加することを特徴としている。
　本発明の磁性体の漏洩磁束検出装置は、ＴＭＲ磁気センサを磁気センサとして高感度状態で用いることによって特性を向上させ、磁性体の漏洩磁束を確実に検出することができ、また、本発明の漏洩磁束検出方法によれば、この漏洩磁束検出装置を使用して磁性体の漏洩磁束を高感度に検出することができる。
実施例１に係る磁性体の漏洩磁束検出装置の断面図。 図１の漏洩磁束検出装置による磁性体への励磁と漏洩磁束検出を説明する断面図。 図１に示す漏洩磁束検出装置を構成する磁気センサモジュールの平面図。 図３に示す磁気センサモジュールを構成するセンサチップであるＴＭＲ磁気センサ及び磁気ラインセンサを拡大して示す平面図。 図３に示す磁気センサモジュール及び当該磁気センサモジュールに接続される画像装置の回路図。 実施例２に係る磁気センサモジュール及び当該磁気センサモジュールに接続される画像装置の回路図。 実施例１に係る磁気センサモジュールの出力特性図（印加磁界－４０Ｏｅ～４０Ｏｅ）。 実施例１に係る磁気センサモジュールの出力特性図（印加磁界－０．５Ｏｅ～０．５Ｏｅ）。 実施例１に係る磁気センサモジュールの出力特性図（印加磁界９．５Ｏｅ～１０．５Ｏｅ）。 実施例１に係る磁気センサモジュールの各感度領域における空隙検出時の出力電圧を示す特性図。 実施例１に係る磁気センサモジュールを構成する磁気ラインセンサが磁性体中に空隙を検出したときの検出信号の波形図。 バイアス付与手段が磁気ラインセンサに与えるバイアス磁界の分布図及び励磁ヨーク位置と磁束密度の関係図。 磁性体の別の実施例を示す漏洩磁束検出装置の断面図。 図１３と同じく磁性体を断面として示す磁気センサモジュールの平面図。
　本発明は、ライン状に配列されたＴＭＲ磁気センサ（「磁気ラインセンサ」という。）を用いて薄鋼板などの磁性体の内部介在物・キズ・空隙などに起因した漏洩磁束を検出する漏洩磁束検出装置に関するとともに、前記ＴＭＲ磁気センサの特性を有効に利用して磁性体の漏洩磁束を高感度に検出する方法に関するものである。
　以下、図１－図５、図７－図１２を参照して実施例１を説明する。
　この実施例における漏洩磁束検出装置は、図１に示すように、磁性体である薄鋼板３０を励磁する磁化器２１と、薄鋼板３０の内部介在物・キズ・空隙などに起因した漏洩磁束を検出する複数のＴＭＲ磁気センサ１（図４参照）をライン状に配列した磁気ラインセンサ１０を配線基板５に搭載した磁気センサモジュール２０（図３参照）と、ＴＭＲ磁気センサ１の感磁方向にバイアス磁界を印加するバイアス付与手段とを備えている。このバイアス付与手段は、前記磁化器２１が兼ねている。また、３１は図１上時計方向に回転可能なロールであり、このロール３１にガイドされて、前記薄鋼板３０は前記ロール３１を含む図示していない搬送装置により図１上右方向に搬送される。
　磁気センサモジュール２０は、図３に示されている。配線基板５の一辺には、その縁に近接して配列された多数のＴＭＲ磁気センサ１からなる磁気ラインセンサ１０が形成されている。各ＴＭＲ磁気センサ１は、センサチップとして構成されているので、以下にはセンサチップ１という場合もある。この漏洩磁束検出装置による測定時には対象物の薄鋼板３０が配線基板５の複数のＴＭＲ磁気センサ１からなる磁気ラインセンサ１０が形成された１辺に近接して配置される。また、配線基板５にはアンプＩＣもしくはアンプチップからなる増幅部１１が形成されている。増幅部１１の位置は、特に限定されないが、磁気ラインセンサ１０に近接していることが望ましい。配線基板５の他の辺には端子部７が設けられている。端子部７が設けられる辺は限定されないが、本実施例では、磁気ラインセンサ１０が近接して形成されている辺の対向辺に設けられている。端子部７からは、リード１８が前記磁気センサモジュール２０の外部に延びており、磁気ラインセンサ１０によって得られた信号は、配線基板５内部の配線を介して前記端子部７から前記リード１８に伝えられる。
　配列されたＴＭＲ磁気センサ１からなる磁気ラインセンサ１０が形成された配線基板５の一部を拡大した平面図が図４に示されている。
　図４において、漏洩磁束検出装置は、測定時、対象物である搬送される薄鋼板３０に近接させる必要がある。薄鋼板３０の磁気特性、漏洩磁束を効率良く有効に検出するには、磁気センサモジュール２０の構成要素である配線基板５の薄鋼板３０に近接対向する辺縁に各ＴＭＲ磁気センサ１の端部を近づける必要がある。図４では前記辺縁から前記端部までの距離を０．０５ｍｍにしている。
　図４に示すように、磁気ラインセンサ１０は、配線基板５の主面に同一構成のＴＭＲ磁気センサ１を多数、狭ピッチで一直線上に配置してなるものである。各ＴＭＲ磁気センサ１は、同一構成の固定抵抗又は低感度ＴＭＲ素子２と高感度ＴＭＲ素子３から構成され、両素子２，３共通の出力端子ＯＵＴが直列接続された両素子２，３間に形成されてＴＭＲ磁気センサ１の長手方向の一端に位置し、電源端子ＶＤＤが高感度ＴＭＲ素子３に接続され前記長手方向の前記一端側に位置して配置され、接地端子ＧＮＤが低感度ＴＭＲ素子２に接続されて前記一端側に接続されている（図５参照）。
　ここで、例えば、磁気ラインセンサ１０のＴＭＲ磁気センサ１数は１５４個で、磁気ラインセンサ１０における各ＴＭＲ磁気センサ素子２，３の幅方向のピッチは０．５ｍｍである。
　ＴＭＲ磁気センサ１の長手方向の前記一端とは反対側である他端側は、配線基板５が薄鋼板３０に対向した辺と一致している。各ＴＭＲ磁気センサ１は、配線基板５の薄鋼板３０と対向する辺に沿って一列に配置されて磁気ラインセンサ１０を構成する。
　本実施例における漏洩磁束検出装置は、ＴＭＲ磁気センサ１により得られた薄鋼板３０の漏洩磁束情報を増幅して端子部７から画像処理装置に送り、この画像処理装置で送られた漏洩磁束情報を画像化することができる。
　次に、図５の磁気センサモジュール２０の回路配線接続図及び画像処理部と画像表示部から構成された画像処理装置のブロック図を参照して、前記磁気センサモジュール２０をさらに説明する。
　磁気ラインセンサ１０において、電源端子ＶＤＤから各高感度ＴＭＲ素子３に電源電圧が供給され、各低感度ＴＭＲ素子２には接地端子ＧＮＤが接続されている。
　磁気ラインセンサ１０における各ＴＭＲ磁気センサ１をチャンネル（以下「ｃｈ」という場合もある。）と称し、図５上、上から下に向けて、チャンネル１からチャンネル１５４まで並んでいるが、図５ではこれを１ｃｈ、２ｃｈ、３ｃｈ、・・・、１５４ｃｈと表記している。
　図５において、磁気ラインセンサ１０からのアナログ信号は、各ＴＭＲ磁気センサ１の出力端子ＯＵＴ（図４参照）から増幅部１１を構成する各増幅器に入力する。
　各増幅器の出力は、画像処理装置のＡ／Ｄ変換部１２の各Ａ／Ｄ変換器に入力されてデジタル変換される。Ａ／Ｄ変換部１２でデジタル変換されたデジタル信号は、画像処理部１３に入力して画像が生成され、生成された画像は画像表示部１７に表示される。
　画像処理部１３は、デジタル化されたＴＭＲ磁気センサ出力の各チャンネル１～１５４間のばらつきをなくすべく正規化する正規化部１４と、正規化したデジタル信号を最大値から最小値の間で量子化して階調データを生成する階調データ生成部１５と、各チャンネル１～１５４での階調データに基づいて画像を生成する画像生成部１６とからなる。
　次に、図１及び図２を参照して、上述した漏洩磁束検出装置を用いた磁性体の漏洩磁束の検出方法を説明する。　
　図１に示すように、対象物となる薄鋼板３０は、ロール３１上を走行している。磁化器２１は、ロール３１上の薄鋼板３０に近接して配置される。そして、磁化器２１の励磁ヨークＮ極２２とＳ極２３との間には、磁気ラインセンサ１０が配置されている。励磁ヨーク２２，２３によって、薄鋼板３０内部には磁性体内磁束、即ち、磁界が形成される。このとき、図２に示すように、薄鋼板３０の内部に非磁性体の介在物３２があれば、その部分から漏洩磁束が生じ、磁気ラインセンサ１０で検出される。
　次に、ＴＭＲ磁気センサ１の感磁方向にバイアス磁界を印加するバイアス付与手段は、図２，図１２に示すように、この実施例では磁化器２１が兼ねている。しかしながら、バイアス付与手段は、磁化器２１に換えて他の磁化装置を使用しても良いし、磁化器２１に加えてバイアス付与補助手段として永久磁石を付加しても良い。
　薄鋼板３０の漏洩磁束を検出する方法において、磁化器２１により薄鋼板３０を磁化すると共に、前記バイアス付与手段を兼ねる磁化器２１によってＴＭＲ磁気センサ１の感磁方向に０エルステッド付近の低感度領域を超えて、ＴＭＲ磁気センサ１の感度が線形領域の範囲である高感度領域となるようにバイアス磁界（空間磁束）を印加することを特徴とするものである。
　以下、図７乃至９を参照して、漏洩磁束検出に用いる磁気センサモジュール２０の特性を説明する。
　ＴＭＲ磁気センサ１は、印加磁界（Ｏｅ）によって出力電圧が大きく変化する。図７は、ＴＭＲ磁気センサ１を搭載した磁気センサモジュール２０の出力特性を示している。横軸は、磁気センサモジュール２０のＴＭＲ磁気センサ１に印加された磁界（Ｏｅ）、縦軸は、印加された磁界に反応する出力端子ＯＵＴ（図４参照）からの出力電圧（Ｖ）を表わしている。なお、図７、図８、図９は共に、電源電圧が５Ｖであり、ＴＭＲ磁気センサ出力を増幅部１１で１０倍した数値を出力電圧に記載している。
　図７では、印加磁界－４０～４０Ｏｅの領域の感度特性を示している。この感度特性の中で、－２～２Ｏｅの領域が低感度域であり、図８の特性図がその領域に含まれる。また、２～１３Ｏｅの領域が高感度域であり、図９の特性図がその領域に含まれる。この実施例ではこの高感度域でＴＭＲ磁気センサ１を用いる。
　次に、薄鋼板３０内の空隙（図示せず）を検出した場合の磁気センサモジュール２０の動作を説明する。図１０は、磁気センサモジュール２０のＴＭＲ磁気センサ１の各感度領域における空隙検出時の出力（縦軸：出力電圧）とその起磁力（横軸）との関係を表わしている。ここで、高い感度を示す領域は●で示す領域であり、上述したように、この高感度領域でＴＭＲ磁気センサ１を用いる。図１１は、検出信号の状態を説明するものであり、漏洩磁束検出装置を動作させ、ロール３１でガイドして薄鋼板３０を所定方向に搬送する（図１参照）と、空隙通過時に漏洩磁束が生じることで、磁気ラインセンサ１０の出力電圧が大きく変化し、空隙が検出される。
　図１２(a)は磁化器２１がセンサチップ１を配列してなる磁気ラインセンサ１０に与えるバイアス磁界の分布図で、図１２（ｂ）は励磁ヨーク２２，２３位置と磁束密度の関係図である。図１２において、磁気センサモジュール２０の磁気ラインセンサ１０を高感度で使用できるように、バイアス磁界が、０エルステッド付近の低感度領域に隣接するＴＭＲ磁気センサ１の感度が線形領域の範囲である高感度領域となるように印加される。
　薄鋼板３０からの垂直方向の漏洩磁束を検出するために、磁気ラインセンサ１０を構成する複数のＴＭＲ磁気センサ１は前記薄鋼板３０の幅方向、換言すると薄鋼板３０の動く方向とは直角の方向に配置され、前記幅方向とは直角の方向、換言すると前記動く方向に励磁される。
　磁気ラインセンサ１０の感度が最も高い付近にバイアス磁界を与えるために、磁化器２１のＮ極２２とＳ極２３の間の中心位置から少し離れた位置(バイアス磁界７Ｏｅ付近)に磁気センサモジュール２０、とりわけ磁気ラインセンサ１０を配置すると良い。
　以上、総合するとこの実施例では、薄鋼板３０の漏洩磁束を検出する方法において、磁化器２１により薄鋼板３０を磁化すると共に、磁化器２１によってＴＭＲ磁気センサ１の感磁方向に０エルステッド付近の低感度領域を超えて、ＴＭＲ磁気センサ１の感度が線形領域の範囲である高感度領域となるようにバイアス磁界を印加する。これにより、磁気ラインセンサ１０の最大感度が引き出せる。
　なお、本実施例における磁性体は、上述の薄鋼板３０に限定されず、薄鋼板３０の加工品も含まれる。具体的には、例えば、図１３及び図１４に示すように、薄鋼板３０から円筒状や有底円筒状に成型加工された、缶やケース等の鋼板加工品３３も対象となる。鋼板加工品３３は回転装置３４の回転ヘッド３５に、円筒軸が回転軸と一致するように支持され、磁気ラインセンサ１０及び磁化器２１と鋼板加工品３３の前記磁気ラインセンサ１０に対向する外周面が、図１と同様の配置関係となるように設定されている。図１４に示すように、回転装置３４によって鋼板加工品３３が回転されることによって、動く方向と直角の方向である回転軸方向に配置された磁気ラインセンサ１０が、鋼板加工品３３の表面を走査して漏洩磁束を検出する。図１及び図２と同様に、鋼板加工品３３の内部に非磁性体の介在物３２があれば、この介在物３２を検出することができ、また、図１０及び図１１と同様に、鋼板加工品３３の内部に空隙があれば、この空隙を検出することができる。
　さらに、鋼板以外の磁性体にも本発明を適用可能なことはもちろんである。
　次に、図６を参照して実施例２を説明する。
　実施例１を説明する図５と同様に、磁気センサモジュール４０の回路配線接続図及び画像処理部４４と画像表示部４８から構成された画像処理装置のブロック図を参照してこの実施例の磁気センサモジュール４０を説明する。
　磁気ラインセンサ１０において、種類の異なる２対のＴＭＲ素子が１つのチャンネル（図６ではｃｈと表示）を構成し、２つの出力端子ＯＵＴ（図４参照）は、それぞれ増幅部４２の同じ増幅器の２つの入力端子に接続される。一対のＴＭＲ素子は、電源端子ＶＤＤから高感度ＴＭＲ素子３ａに電源電圧が供給され、低感度ＴＭＲ素子２ａには接地端子ＧＮＤが接続されている。もう一方のＴＭＲ素子の対は、電源端子ＶＤＤから低感度ＴＭＲ素子２ｂに電源電圧が供給され、高感度ＴＭＲ素子３ｂには接地端子ＧＮＤが接続されている。つまり、各チャンネル１～１５４はブリッジ構造であり、本実施例におけるＴＭＲ磁気センサ１の数は、実施例１と比較して、１５４ｃｈ×２個、すなわち２倍の３０８個必要になる。
　磁気ラインセンサ１０からのアナログ信号は、各ＴＭＲ磁気センサ１の出力端子ＯＵＴ（図４参照）から増幅部４２を構成する各増幅器に入力する。
　各増幅器の出力は、画像処理装置のＡ／Ｄ変換部４３の各Ａ／Ｄ変換器に入力されてデジタル変換される。Ａ／Ｄ変換部４３でデジタル変換されたデジタル信号は、画像処理部４４に入力して画像が生成され、生成された画像は、画像表示部４８に表示される。画像処理部４４は、デジタル化されたＴＭＲ磁気センサ出力の各チャンネル１～１５４間のばらつきをなくすべく正規化する正規化部４５と、正規化したデジタル信号を最大値から最小値の間で量子化して階調データを生成する階調データ生成部４６と、各チャンネル１～１５４での階調データに基づいて画像を生成する画像生成部４７とからなる。
　この実施例ではフルブリッジ構造を説明したが、この構造は、差動動作させることが出来る。
　以上、これらの実施例で説明したとおり、ＴＭＲ磁気センサで構成される磁気ラインセンサにおいて、薄鋼板などの磁性体に内在する介在物・キズ・空隙などによる漏洩磁束の検出を、確実かつ効率的に行うことができる。
　１・・・ＴＭＲ磁気センサ
　２，２ａ，２ｂ・・・低感度ＴＭＲ素子
　３，３ａ，３ｂ・・・高感度ＴＭＲ素子
　５・・・配線基板
　７・・・端子部
　１０・・・磁気ラインセンサ
　１１，４２・・・増幅部
　１２，４３・・・Ａ／Ｄ変換部
　１３，４４・・・画像処理部
　１４，４５・・・正規化部
　１５，４６・・・階調データ生成部
　１６，４７・・・画像生成部
　１７，４８・・・画像表示部
　２０，４０・・・磁気センサモジュール
　２１・・・磁化器
　２２・・・励磁ヨーク（Ｎ極）
　２３・・・励磁ヨーク（Ｓ極）
　３０・・・薄鋼板
　３１・・・ロール
　３２・・・介在物
　３３・・・鋼板加工物
　３４・・・回転装置
　３５・・・回転ヘッド
 

Claims (7)

  1. 　磁性体を励磁する磁化器と、前記磁性体に対向配置されて前記磁性体の内部介在物・キズ・空隙などに起因した漏洩磁束を検出するＴＭＲ磁気センサを有する磁気センサモジュールと、前記ＴＭＲ磁気センサの感磁方向にバイアス磁界を印加するバイアス付与手段とを備えたことを特徴とする磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置。
  2. 　前記バイアス付与手段は、前記磁化器が兼ねるか、または前記磁化器に加えてバイアス付与補助手段を有してなることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置。
  3. 　前記磁気センサモジュールは、前記複数のＴＭＲ磁気センサを搭載する配線基板を有し、前記磁性体と前記ＴＭＲ磁気センサを構成するセンサチップとの距離を小さくするために、当該センサチップを前記磁性体の表面に対向する前記配線基板の端部に沿って複数配置したことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置。
  4. 　前記磁気センサモジュールを高感度で使用できるように、前記バイアス付与手段によって前記ＴＭＲ磁気センサに印加されるバイアス磁界が０エルステッド付近の低感度領域に隣接する前記ＴＭＲ磁気センサの感度が線形領域の範囲である高感度領域となるように印加されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置。
  5. 　前記磁性体を所定方向に動かして漏洩磁束を検出する装置であり、前記磁性体からの垂直方向の漏洩磁束を検出するために、前記複数のＴＭＲ磁気センサは、前記磁性体の動く方向と直角の方向に配置され、前記動く方向に励磁されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置。
  6. 　前記磁気センサモジュールの感度が最も高い付近にバイアス磁界を与えるために、前記磁化器のＮ極とＳ極の間の中心位置から適正に離れた位置に当該磁気センサモジュールを配置することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出装置。
  7. 　請求項１乃至請求項６のいずれか1項に記載の漏洩磁束検出装置を用いて前記磁性体の漏洩磁束を検出する方法において、前記磁化器により前記磁性体を磁化すると共に、前記バイアス付与手段によって前記ＴＭＲ磁気センサの感磁方向に０エルステッド付近の低感度領域を超えて、前記ＴＭＲ磁気センサの感度が線形領域の範囲である高感度領域となるようにバイアス磁界を印加することを特徴とする磁気センサを用いた磁性体の漏洩磁束検出方法。
     
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CN115791954A (zh) * 2022-11-21 2023-03-14 合肥中大检测技术有限公司 一种具有屏蔽功能的钢管漏磁检测的传感器阵列装置

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