基于隧道磁電阻傳感器的脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)

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(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，航空航天領(lǐng)域技術(shù)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，大量非鐵磁性金屬材料應(yīng)用于此。以鋁合金為代表，“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭和“神舟”系列飛船推進(jìn)艙的燃料艙、逃逸艙、軌道艙以及天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的資源艙和實(shí)驗(yàn)艙等都大量應(yīng)用了鋁合金材料。

而由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需求和航空材料科學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件愈加趨于量輕化，從而使得現(xiàn)有飛機(jī)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度更小，結(jié)構(gòu)材料缺陷對(duì)飛機(jī)安全飛行有著相較以往更為重要的影響[1]。

因此，隨著航空航天等高端工業(yè)的可靠性需求和安全需要，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要性愈顯突出。無(wú)損檢測(cè)(Non Destructive Testing)是一種在不損害或不損傷被測(cè)對(duì)象的使用性能，不破壞被測(cè)對(duì)象的外部及內(nèi)部組織的前提條件下，利用被測(cè)對(duì)象材料缺陷所產(chǎn)生的熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化，以物理或化學(xué)方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法[2]。

1 基本原理

1.1 渦流無(wú)損檢測(cè)

渦流無(wú)損檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)損檢測(cè)手段，當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流，即為電渦流。由于導(dǎo)體本身參數(shù)(如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)的變化，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體產(chǎn)生的感生電流的變化，利用該變化可判斷導(dǎo)體的內(nèi)部材質(zhì)是否有缺陷，這就是渦流無(wú)損檢測(cè)的基本原理[3]，如圖1所示。

激勵(lì)線圈兩端接入交變電流后，由于交變電流的影響線圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)Φ0，引起長(zhǎng)方體被測(cè)試件中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)感應(yīng)出電渦流，感應(yīng)電渦流受被測(cè)試件的磁導(dǎo)性和電導(dǎo)性(若其中出現(xiàn)缺陷則會(huì)影響被測(cè)試件的導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性)等特性影響，感應(yīng)電渦流產(chǎn)生反作用磁場(chǎng)Φ1，檢測(cè)Φ1即可推導(dǎo)出該被測(cè)試件導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性的變化，以及被測(cè)試件中是否有缺陷。圖1中h為檢測(cè)探頭與被測(cè)試件的距離，即提離距離；i為激勵(lì)電流；Φ0為激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)；Φ1為被測(cè)試件感應(yīng)出的反作用級(jí)磁場(chǎng)，方向與激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反。

圖1 渦流無(wú)損檢測(cè)原理圖

1.2 脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)

脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)原理與傳統(tǒng)渦流無(wú)損檢測(cè)相似，傳統(tǒng)渦流檢測(cè)對(duì)象主要是單層結(jié)構(gòu)體且缺陷集中于表面，與之不同，脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)與實(shí)際使用價(jià)值，適用于多層結(jié)構(gòu)和深層缺陷的檢測(cè)領(lǐng)域，其主要原因是：

1)脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)相比傳統(tǒng)正弦波有著更寬的頻譜，感應(yīng)的二次磁場(chǎng)更易檢測(cè)，檢測(cè)到的感應(yīng)電壓信號(hào)包含缺陷信息更豐富等優(yōu)點(diǎn)，可以提高檢測(cè)深度及缺陷的空間分辨率[4-7]。

2)無(wú)接觸測(cè)量，更利于實(shí)際應(yīng)用，檢測(cè)速度快效率高?？芍谱麝嚵刑筋^配合固定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行掃描測(cè)量，適用于大面積快速檢測(cè)[8-13]。

1.3 TMR傳感器

目前脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)多采用檢測(cè)線圈或巨磁阻(Giant Magnetoresistance, GMR)傳感器。檢測(cè)線圈通過(guò)感應(yīng)被測(cè)試件渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)的變化率實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，無(wú)法直接測(cè)量感應(yīng)磁場(chǎng)大小，靈敏度低，檢測(cè)帶寬窄。GMR傳感器靈敏度相對(duì)較低，磁滯相對(duì)較大，影響了細(xì)小缺陷的測(cè)量效果。

為此本文采用隧道磁電阻(tunnel magnetoresistance， TMR)傳感器作為檢測(cè)傳感器。該傳感器采用了一個(gè)獨(dú)特的推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含四個(gè)非屏蔽高靈敏度TMR傳感器元件。當(dāng)外加磁場(chǎng)沿平行于傳感器敏感方向變化時(shí)，惠斯通全橋提供差分電壓輸出，并且該輸出具有良好的溫度穩(wěn)定性。該傳感器具有超高靈敏度、超低噪聲、線性輸出等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于檢測(cè)線圈和GMR傳感器更適合于脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)。

2 基于TMR傳感器的渦流檢測(cè)系統(tǒng)

基于脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)原理，利用TMR 2905傳感器特性，基于TMR傳感器的脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。由脈沖信號(hào)發(fā)生裝置、激勵(lì)線圈、傳感器及放大調(diào)理電路、示波器及被測(cè)試件組成。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

采用任意波形發(fā)生器AFG3252C和超快速響應(yīng)四象限雙極性電源DOS60-5作為脈沖信號(hào)發(fā)生裝置，MDO3052示波器采集被測(cè)信號(hào)并顯示，檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)如圖3所示。左側(cè)部分為檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)整體，右側(cè)部分為檢測(cè)平臺(tái)局部圖，局部圖包含探頭部分、被測(cè)試件，其中探頭部分包含激勵(lì)線圈和傳感器及放大電路。脈沖信號(hào)發(fā)生裝置生成脈沖激勵(lì)信號(hào)作用于激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈隨之生成脈沖磁場(chǎng)，探頭固定于三軸平臺(tái)上隨平臺(tái)移動(dòng)，并捕捉空間的磁場(chǎng)將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)由示波器和計(jì)算機(jī)顯示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)

2.1 脈沖信號(hào)發(fā)射裝置

脈沖信號(hào)發(fā)生裝置采用任意波形發(fā)生器AFG3252C，輸出幅度1 A、頻率1 kHz、占空比50%的脈沖方波，經(jīng)超快速響應(yīng)四象限雙極性電源DOS60-5生成實(shí)驗(yàn)所需恒流信號(hào)，作為激勵(lì)信號(hào)加載于激勵(lì)線圈上，使激勵(lì)線圈產(chǎn)生脈沖激勵(lì)磁場(chǎng)。

2.2 激勵(lì)線圈

基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，激勵(lì)線圈采用0.3 mm直徑的銅質(zhì)漆包線繞圓柱形鋅錳合金磁芯而成，匝數(shù)為60匝，內(nèi)徑為8 mm，外徑為10 mm，高度為10 mm。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用60匝線圈即可檢測(cè)到有效信號(hào)，因此將線圈匝數(shù)設(shè)置為60匝。將激勵(lì)線圈放置于TMR傳感器上方1 mm處固定，對(duì)傳感器敏感方向的磁場(chǎng)分量進(jìn)行測(cè)量。

2.3 傳感器及調(diào)理放大電路

為保證信號(hào)符合檢測(cè)條件，易于檢測(cè)。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)估被測(cè)信號(hào)大小，設(shè)計(jì)傳感器及調(diào)理放大電路接收空間磁場(chǎng)，并按線性對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值，濾除高頻分量和直流分量后輸出。

傳感器經(jīng)信號(hào)調(diào)理后設(shè)置信號(hào)放大濾波電路后輸出信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路芯片采用AD8221高性能儀表放大器，經(jīng)過(guò)2倍放大濾波調(diào)理后輸出至放大濾波電路。信號(hào)放大濾波電路共有三級(jí)，每級(jí)放大電路放大倍數(shù)為1.71，三級(jí)信號(hào)放大共放大5倍，具有2 kHz低通濾波器功能，加入電容濾除直流分量。該電路作用是在示波器接收和存儲(chǔ)前進(jìn)行信號(hào)提取與信號(hào)調(diào)理。采用電源芯片LM2940IMP提供10 V直流電源信號(hào)給各芯片供電，電源芯片REF02AU提供5 V直流信號(hào)給傳感器供電。

3 仿真建模分析

仿真建模分析的主要目的是指導(dǎo)無(wú)損檢測(cè)探頭參數(shù)的設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用于鋁合金材料上的可行性。

3.1 COMSOL Multiphysics軟件

COMSOL Multiphysics是一款通用的工程仿真軟件平臺(tái)，采用該軟件AC/DC模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行建模仿真。

仿真中建立圓柱體為激勵(lì)線圈，線圈內(nèi)徑10 mm，外徑8 mm，高10 mm，匝數(shù)為100匝。建立長(zhǎng)方體為被測(cè)鋁合金試件，長(zhǎng)寬高分別為150 mm×150 mm×10 mm，設(shè)置長(zhǎng)方體缺陷位于被測(cè)試件表面，缺陷關(guān)于y軸對(duì)稱。

COMSOL中設(shè)置激勵(lì)線圈材料為銅，電導(dǎo)率為5.998×107S/m；被測(cè)試件材料為鋁合金6063，電導(dǎo)率為3.030×107S/m。在激勵(lì)線圈上加幅值1 A，頻率1 kHz，占空比50%的脈沖電流。激勵(lì)線圈提離距離為1 mm。

在被測(cè)試件上設(shè)置100 mm×4 mm×3 mm長(zhǎng)方體缺陷。針對(duì)該缺陷仿真結(jié)果如圖4所示，圖中紅色箭頭為線圈電流方向，被測(cè)試件色塊表征磁通量密度模大小，由圖可知缺陷邊緣感生的磁通量密度模最大，磁通量密度模最大值位于線圈圓心正下方位置。

圖4 仿真結(jié)果

接下來(lái)保持其他設(shè)置不變，控制變量分別對(duì)不同長(zhǎng)度、不同寬度、不同深度的三種缺陷進(jìn)行仿真，拾取線圈圓心下方磁通量密度模值，用以表征傳感器測(cè)量信號(hào)。通過(guò)到測(cè)量信號(hào)進(jìn)行分析即可獲得缺陷信息，分別如下所述。

3.2 關(guān)于長(zhǎng)度的仿真

在被測(cè)試件上分別設(shè)置100 mm×2 mm×1 mm、80 mm×2 mm×1 mm、60 mm×2 mm×1 mm的缺陷，圖5(a)為不同長(zhǎng)度下的缺陷產(chǎn)生的磁通量密度值Z軸分量。圖5(a)中y軸0值為平均值，圖中有3對(duì)波峰-波谷值，波峰值均約等于1，波谷值均約等于-1。其中三對(duì)波峰值橫坐標(biāo)到波谷值橫坐標(biāo)均為2 mm。對(duì)于此分析可有如下結(jié)論：

1)缺陷長(zhǎng)度對(duì)磁通量密度模的影響不大；

2)由于三個(gè)波形圖非常接近，因此缺陷長(zhǎng)度信息無(wú)法測(cè)量。

3.3 關(guān)于寬度的仿真

在被測(cè)試件上分別設(shè)置100 mm×2 mm×1 mm、100 mm×3 mm×1 mm、100 mm×4 mm×1 mm的缺陷，圖5b為不同寬度下的缺陷產(chǎn)生的磁通量密度值Z軸分量。圖5b中y軸0值為平均值，圖中有三對(duì)波峰-波谷值，波峰值均約等于1，波谷值均約等于-1。第一對(duì)波峰-波谷值橫坐標(biāo)距離為2 mm，第二對(duì)波峰-波谷值橫坐標(biāo)距離為3 mm，第三對(duì)波峰-波谷值橫坐標(biāo)為4 mm。對(duì)應(yīng)于設(shè)置的三個(gè)缺陷值，對(duì)于此圖分析可有如下結(jié)論：

1)由于三個(gè)缺陷值寬度與三對(duì)波峰-波谷值橫坐標(biāo)距離相等，因此缺陷寬度決定了磁通量密度相對(duì)值的峰峰值距離；

2)三對(duì)波峰-波谷值大小基本一致，因此缺陷寬度不影響磁通量密度相對(duì)值的峰值。

3.4 關(guān)于深度的仿真

在被測(cè)試件上分別設(shè)置100 mm×2 mm×1 mm、100 mm×2 mm×2 mm、100 mm×2 mm×3 mm的缺陷，圖5c為不同深度下的缺陷產(chǎn)生的磁通量密度值Z軸分量。圖5c中y軸0值為平均值，圖中有三對(duì)波峰-波谷值，其中第一個(gè)波峰值與波谷值之差為1.307 3，第二個(gè)波峰值與第二個(gè)波谷值之差為1.613 4，第三個(gè)波峰值與波谷值之差為1.900 0。三對(duì)波峰-波谷值橫坐標(biāo)距離均為2 mm。對(duì)應(yīng)于設(shè)置的三個(gè)缺陷值，對(duì)于此圖分析可有如下結(jié)論：

1)缺陷深度影響缺陷磁通量密度相對(duì)值的峰值，且缺陷深度越大磁通量密度相對(duì)值的峰值越大；

2)缺陷深度與磁通量密度相對(duì)值峰值呈現(xiàn)非線性關(guān)系，且擬合缺陷深度與實(shí)際值的關(guān)系需要更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5 仿真數(shù)據(jù)處理對(duì)比圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用渦流檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)鋁合金板件，渦流檢測(cè)系統(tǒng)探頭運(yùn)動(dòng)方向與仿真掃描方向設(shè)置相一致，垂直于缺陷長(zhǎng)度方向。采用三軸平臺(tái)使探頭勻速運(yùn)動(dòng)以排除運(yùn)動(dòng)速度不一致帶來(lái)的缺陷位置和峰值干擾。固定探頭位置，保持探頭距離試件高度一致，排除提離距離的影響。以下為采用控制變量法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。

4.1 不同長(zhǎng)度的缺陷

采用鋁合金板件上制作長(zhǎng)寬高分別為100 mm×2 mm×1 mm、80 mm×2 mm×1 mm、60 mm×2 mm×1 mm的人工缺陷，TMR探頭運(yùn)動(dòng)方向垂直于缺陷長(zhǎng)度方向。計(jì)算不同長(zhǎng)度下被測(cè)信號(hào)的相對(duì)于均值的歸一化值，其結(jié)果如圖6所示。由結(jié)果圖所知，三個(gè)缺陷信號(hào)波峰值和波谷值基本一致，且波峰與波谷橫坐標(biāo)值之差相等。長(zhǎng)度不同的缺陷得出檢測(cè)信息基本一致，以上結(jié)果與相應(yīng)的仿真建模實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，因此可知垂直于探頭運(yùn)動(dòng)方向的缺陷信息不能被測(cè)出，長(zhǎng)度方向變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。

圖6 不同長(zhǎng)度數(shù)據(jù)圖

4.2 不同寬度的缺陷

采用鋁合金板件上制作長(zhǎng)寬高分別為100 mm×2 mm×1 mm、100 mm×3 mm×1 mm、100 mm×4 mm×1 mm的人工缺陷，TMR探頭運(yùn)動(dòng)方向垂直于缺陷長(zhǎng)度方向。計(jì)算不同寬度下被測(cè)信號(hào)的相對(duì)于均值的歸一化值，其結(jié)果如圖7所示。由結(jié)果圖所知，3個(gè)缺陷信號(hào)峰值基本一致，缺陷寬度2 mm波峰與波谷橫坐標(biāo)值之差為2.0 mm，缺陷寬度3 mm波峰與波谷橫坐標(biāo)值之差為3.0 mm，缺陷4 mm波峰與波谷橫坐標(biāo)值之差為4.0 mm。被測(cè)試件上的缺陷寬度與對(duì)應(yīng)的波峰與波谷橫坐標(biāo)值之差相等，由此可知被測(cè)信號(hào)波峰與波谷橫坐標(biāo)值之差可以反映缺陷寬度值，即被測(cè)缺陷寬度值等于被測(cè)信號(hào)波峰與波谷距離。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的仿真建模實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖7 不同寬度數(shù)據(jù)圖

4.3 不同深度的缺陷

采用鋁合金板件上制作長(zhǎng)寬高分別為100 mm×2 mm×1 mm、100 mm×2 mm×1.5 mm、100 mm×2 mm×2 mm的人工缺陷，TMR探頭運(yùn)動(dòng)方向垂直于缺陷長(zhǎng)度方向。計(jì)算不同深度下被測(cè)信號(hào)的相對(duì)于均值的歸一化值，其結(jié)果如圖8所示。由結(jié)果圖所知，三個(gè)缺陷信號(hào)峰值不同。缺陷深度為1 mm的信號(hào)波峰-波谷值為1.226，缺陷深度為1.5 mm的信號(hào)波峰-波谷值為1.714，缺陷深度為2 mm的信號(hào)波峰-波谷值為1.977。缺陷深度波峰與波谷橫坐標(biāo)值之差相同。由以上結(jié)果可知，缺陷的深度信息決定了測(cè)量所得信號(hào)的峰值大小。即由缺陷信號(hào)的峰值可推測(cè)出被測(cè)試件缺陷的深度信息：缺陷深度越小，缺陷信號(hào)的峰值越小。由于仿真分析所得為磁通量密度值，而TMR測(cè)量信號(hào)為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大電路放大了電壓信號(hào)并且進(jìn)行了濾波，所以實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)于仿真結(jié)果偏大，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的仿真建模實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本趨勢(shì)相吻合。

圖8 不同深度數(shù)據(jù)圖

4.4 對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論

由仿真分析和實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被測(cè)試件無(wú)缺陷時(shí)，傳感器在無(wú)缺陷的被測(cè)試件上掃描檢測(cè)瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)基本保持不變。當(dāng)被測(cè)試件有缺陷且TMR傳感器掃描經(jīng)過(guò)缺陷上方時(shí)，檢測(cè)瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)的峰值持續(xù)變化。當(dāng)TMR傳感器由完好部位進(jìn)入缺陷邊緣時(shí)，檢測(cè)瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)峰值達(dá)到最大值，此最大值由缺陷的深度決定；當(dāng)TMR傳感器由缺陷邊緣進(jìn)入完好部位時(shí)，檢測(cè)瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)峰值達(dá)到最小值，此最小值由缺陷深度決定。由此可知，缺陷的位置信息包含于檢測(cè)到瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)峰值的最大值與最小值之間，波峰與波谷距離即為該掃描方向下缺陷寬度；而缺陷的深度信息可由瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)峰值獲知，被測(cè)缺陷深度越大，瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)峰值越大。

5 結(jié)論

本文利用TMR傳感器實(shí)現(xiàn)脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)原理，通過(guò)仿真建模分析證明了脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用于鋁合金材料的可行性，設(shè)計(jì)了脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)不同缺陷得到的檢測(cè)結(jié)果與仿真建模實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，證明了TMR無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)可行性。為下一步缺陷的定量測(cè)量奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。