基于自旋閥GMR傳感器的金屬磁記憶檢測

(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

當處于地磁場中的鐵磁性工件受工作載荷作用時，工件的磁性能在應力和變形集中區(qū)內會產生不可逆轉的重新取向，在工件表面產生漏磁場，并在應力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場Hp(y)變化。金屬磁記憶檢測技術即通過檢測漏磁場來無損、準確地確定鐵磁性金屬構件上的應力集中區(qū)，進而對鐵磁性構件的應力集中與疲勞損傷進行早期診斷[1-2]。

近年來，磁記憶檢測技術在無損檢測領域蓬勃發(fā)展，在制造業(yè)、石油化工和航空等工程實踐中有著廣泛的應用，并取得了巨大的經濟效益。然而，目前常用的傳感器多為自制的線圈、磁阻傳感器或霍爾傳感器等，在檢測精度上有一定的不足。1988年，Baibieh發(fā)現磁有序材料在一定的結構和外磁場下，其電阻會隨著外磁場的改變而發(fā)生巨大變化，稱其為巨磁電阻(giant magneto resistance, GMR)效應[3]。自旋閥GMR傳感器是一種新型的基于GMR效應的磁場檢測傳感器，其檢測靈敏度要比常規(guī)磁阻傳感器高1～2個數量級，并且在工作過程中具有良好的線性和溫度穩(wěn)定性[4-5]。

為提高磁記憶檢測的精確度，引入一種自旋閥GMR傳感器SAS010。該傳感器能夠更有效地檢測出鐵磁性零件應力集中區(qū)的磁記憶信號法向分量Hp(y)。

1 系統(tǒng)組成

基于自旋閥GMR傳感器的磁記憶檢測裝置總體結構如圖1所示。

圖1 檢測裝置總體結構框圖

系統(tǒng)主要包括電源模塊、信號調理與轉換模塊、處理器控制模塊、通信模塊等，其中信號調理與轉換模塊包括檢測探頭、信號調理電路、A/D轉換模塊等。

磁記憶信號Hp(y)通過檢測探頭被轉化成電壓信號，然后經信號調理電路放大、濾波處理之后，由A/D轉換器將其轉換成數字信號，最后通過處理器芯片讀取Hp(y)，并對其進行數字平滑操作。數據采集完成之后，通過串行口將數字Hp(y)信號傳輸給上位機PC。

2 硬件設計

2.1 電源模塊

電源模塊采用220 V交流電壓供電，通過開關電源電路獲得模擬電源(±5.0 V)和數字電源(±5.0 V、3.3 V、24.0 V、2.5 V)。模擬電源供給電路中的模擬電路部分；數字電源供給電路中的數字電路部分，其中，±5.0 V和3.3 V供給數據采集單元中的集成塊使用，2.5 V供給A/D轉換器作為參考電壓，24.0 V供給步進電機繞組。

2.2 檢測探頭

檢測探頭采用SAS010自旋閥巨磁電阻(GMR)傳感器，其電路如圖2所示。

圖2 檢測探頭與信號調理電路

圖2中，AD0為輸出的電壓信號，由二極管D1、D2進行限壓，防止過壓脈沖對數模轉換電路產生影響；AD1為差分放大器AD620。由圖2可以看出，傳感器由4個阻值均為R的巨磁電阻構成惠斯通電橋，其中R1、R4可感應到外部磁場變化，R2、R3用屏蔽層隔離[6]。電橋通電后，傳感器靠近待檢測工件表面，沿敏感軸方向水平移動，傳感器內巨磁電阻R1、R4的阻值隨著工件表面漏磁場信號Hp(y)的變化而產生巨大變化，導致電橋輸出端的電壓產生相應的變化。傳感器由此將磁場強度轉換成差分電壓輸出。

2.3 信號調理電路

信號調理電路對檢測探頭獲取的磁記憶信號法向分量Hp(y)進行升壓處理和低通濾波，將信號調整至0～5 V范圍內，并輸送到A/D轉換器中。

GMR磁傳感器檢測試樣時，輸出一對差分電壓信號Uo-和Uo+。Uo-和Uo+由差分放大器AD620(AD1)進行差分放大[7]，AD620的放大倍數通過一款精密的電位器R5來調節(jié)，串聯的100 Ω電阻R6用來防止差分放大器對信號過壓放大。因此，當確定所需的電壓增益后，外部的電位器的電阻RG應調節(jié)為：

(1)

式中：G為放大倍數；RG為電位器調節(jié)電阻值。

差分放大器AD620(AD1)的輸出信號經過加法電路進行電壓提升，并通過由運算器電路構成的二階有源低通濾波電路進行濾波處理。二極管D1、D2對輸出電壓AD0進行限壓防護。信號轉換電路采用16位A/D轉換器ADS8364[8]，通過CS引腳控制其啟動，CLK引腳輸入其工作時鐘頻率。在系統(tǒng)檢測試樣時，工作時鐘頻率設置為2 kHz，轉換頻率為100 Hz。

2.4 A/D轉換電路

A/D轉換電路由16位ADS8364數模轉器和外圍電路組成，其電路如圖3所示。

圖3 數模轉換電路

檢測獲取的單端模擬電壓信號AD0～AD2通過“+”極接口輸入到ADS8364芯片中，與“-”接口之間采用電容進行阻抗匹配，參考端REFIN的輸入電壓值為2.5 V。T3PWM為DSP2407產生的20 kHz的頻率波，作為ADS8364的時鐘信號。當一次數模轉換完成之后，ADS8364通過第27腳輸出ADCSOC信號給DSP2407處理器。第29腳接收處理器發(fā)送過來的讀控制信號RD，且低電平有效。三個保持信號HOLDA、HOLDB、HOLDC分別由DSP2407的IOPE3、IOPE2、IOPE1口控制，通過保持信號的高低電平來啟動指定小組(A、B、C)的通道，完成數模轉換，且低電平有效。ADS8364通過設置第55引腳接地，選擇16位數據輸出方式。DSP2407通過A2、A1、A0三個信號來控制對ADS8364轉換結果的讀取方式，讀取AD0、AD1、AD2的轉換結果時，A2A1A0依次設置為000、001、010。

2.5 處理器控制模塊

處理器控制模塊由DSP2407處理器芯片構成，外部拓展(64×16)kB的SRAM存儲器，以擴大系統(tǒng)的存儲空間和仿真器對系統(tǒng)進行仿真調試所需的存儲空間。DSP2407的T3PWM輸出A/D轉換器的工作頻率信號f1和啟動信號，信號經轉換通過外部中斷接口XINT2實現對數字信號的讀取；然后由PWM1、PWM2、PWM3、PWM4輸出步進電機的控制信號，通過處理器協(xié)調頻率f1和電機控制信號頻率，使二者呈一定的比例關系并同步工作，從而實現采集的數據和檢測探頭移動距離的精確對應關系，對暗傷部位進行精確的定位。

2.6 通信模塊

檢測系統(tǒng)與上位機PC之間的通信采用RS-232模式，傳輸速率設置為9 600 bit/s，并采用MAX3232芯片實現DSP2407的SCI模塊與RS-232的電平匹配。

3 軟件設計

3.1 下位機程序設計

下位機程序流程主要包含系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉換器控制模塊、電機驅動模塊、信號平滑模塊、通信模塊和看門狗模塊。系統(tǒng)初始化模塊通過系統(tǒng)內的復位按鍵對主控芯片和外設的工作狀態(tài)進行初始化。系統(tǒng)獲取初始化信號之后，加載主控程序，并初始化內部的相關參數變量和關鍵字，同時初始化A/D轉換、電機的驅動參數和通信等。由處理器DSP2407的通用定時器3產生A/D轉換所需的工作頻率信號f1，并通過處理器的XINT2引腳產生中斷讀取A/D轉換結果，數據存儲在SRAM中。電機驅動模塊中，通過DSP2407的PWM信號來控制步進電機的勻速轉動。信號平滑模塊去除檢測的背景磁場值和模擬電路中的電壓提升值。通信模塊實現數據的傳輸，通過上位機PC對信號做進一步的分析處理。系統(tǒng)通過看門狗模塊防止在處理器運算時陷入死循環(huán)，維持其穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)運行流程如圖4所示。電路通電后，首先對處理器進行初始化，然后等待輸入指令，獲取復位信號時，系統(tǒng)進行初始化操作。獲取指令1時，檢測試驗所在環(huán)境的背景參數值，求其均值T；獲取指令2時，啟動數模轉換電路并啟動步進電機的控制信號，然后對試驗對象進行檢測，之后讀取檢測數據，并去除背景參數值T；獲取指令3時，啟動串行口電路，將檢測數據傳輸到上位機中。在上位機中對檢測的磁記憶信號進行數字濾波計算和梯度值計算。

圖4 系統(tǒng)運行流程圖

3.2 采集數據處理

對采集的數據進行平滑、濾波運算。在處理器中，基于LMS的64階自適應濾波器進行數字濾波運算。數字濾波算法[9]如下。

for(n=0;n

∥求輸出

e(n) =d(n)-y(n)；

∥求誤差

w(n+1) =w(n) +u×e(n)×x(n)；

∥更新濾波系數}

其中，N=64；n為自變量；x(n)為自適應濾波器的輸入矢量；y(n)為自適應濾波器的輸出矢量；d(n)為采集的數字信號；e(n)為誤差；w(k)為濾波系數值；u為收斂因子。

3.3 K值計算

下位機通過串行口將采集的數據y(n)發(fā)送到上位機PC中，然后計算出信號波形的變化率K(n)，并繪制出數據的波形圖。計算方法如下：

K(n)=|Hp(n+1)-Hp(n)|/ΔL

(2)

式中：ΔL為一個數模轉換周期內絲杠滑臺能夠移動的水平距離；Hp(n)和Hp(n+1)分別為前后兩次采集的信號電壓值。

4 檢測與結果

4.1 檢測對象

檢測試樣如圖5所示。選用某汽車車橋板材，材料為510L，板厚6 mm。按照GB/T 2975-1998標準規(guī)定，對位置、方向、狀態(tài)、方法、加工余量進行取樣；試樣的形狀按照GB/T 228-2002的要求進行制備，試樣在中心線位置加工一對對稱的U口；采用MTS810型液壓伺服疲勞試驗機對試樣進行拉伸試驗，在進行拉伸試驗之前先進行退磁處理。

圖5 檢測試樣

4.2 試驗結果

利用開發(fā)的磁記憶檢測系統(tǒng)對拉伸至屈服階段的工件進行檢測，通過步進電機帶動檢測探頭，檢測探頭采用單通道，沿工件中心線，從起始線勻速運動到終點線，獲得工件的磁記憶信號。檢測出的波形如圖6所示。

圖6 檢測波形分析

試驗表明，在檢測到試件的中心線U口時，磁記憶信號存在過零點，其梯度值K(n)出現最大值，可判定此處有疲勞損傷。因此，采用自旋閥GMR傳感器可以有效地檢測出鐵磁性物質工件的缺陷或應力集中區(qū)；采集的信號通過背景去噪和自適應濾波，可以有效地去除磁記憶信號中的噪聲，獲得精確的磁記憶信號，為進一步的信號分析與處理提供了良好基礎。

5 結束語

介紹了自旋閥GMR傳感器在金屬磁記憶檢測中的應用。通過檢測試驗發(fā)現，自旋閥GMR傳感器可以有效檢測出鐵磁性工件的應力集中區(qū)與損傷部位。巨磁阻傳感器具有體積小、靈敏度高、線性度好、線性范圍寬、溫度特性好、可靠性高等特點，隨著自旋閥巨磁阻傳感器技術的進一步發(fā)展，其將在金屬磁記憶檢測中發(fā)揮更大的作用。

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