基于TMR陣列的脈沖渦流海水管路腐蝕檢測技術

張 堯，楊 鋒，羅寧昭，隋 波

(1. 海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033；2. 海軍駐大連地區第三軍事代表室，遼寧 大連 116021)

0 前 言

船舶海水管路[1]主要由海底門、過濾器、海水泵、冷卻器、氣水分離箱、金屬管路、法蘭和閥件等設備和部件組成，擔負著冷卻主副機、洗消、壓載等任務，對于保障船舶航行具有重要作用。海水是一種天然電解質，含有大量可溶性鹽，并且溶有大量空氣，海洋生物還會釋放CO2等氣體，使得海水酸化，腐蝕能力加劇[2]。此外，海水流速過快沖刷海水管壁也會造成管壁減薄。船舶海水管路腐蝕可能會導致管壁破損，造成設備損壞，嚴重時甚至影響船舶的安全航行。因此，研究海水管路的腐蝕檢測技術以便采取相應的應急保護措施，對于船舶裝備的管理和使用具有重要意義。

1 海水管路無損檢測技術分析

無損檢測技術是在不損傷被測對象使用性能的前提下，利用被測試件結構異常而引起的對聲、光、電、磁等反應的變化，探測試件內部和表面缺陷，并對缺陷的類型、位置、尺寸等做出判斷和評價[3]。在金屬管道缺陷檢測中，目前比較成熟的無損檢測技術有：射線檢測[4]、超聲檢測[5]、渦流檢測[6]、漏磁檢測[7]、滲透檢測[8]等。

船舶海水管路管壁較薄，而超聲檢測適用于檢測厚度較大的試件，且操作較為復雜，需要高度熟練的操作人員對缺陷種類進行判斷，故不適用于船舶海水管路腐蝕檢測。船舶海水管路多使用抗腐蝕性能較好的銅鎳合金材料，鐵磁性較弱，不易形成漏磁場，而且船舶海水管路口徑較小，布置緊密，走向復雜，故漏磁檢測也不適用。射線檢測對于面積型缺陷檢測率較低，且放射性物質對人體有害，同樣不適用。部分船舶海水管路有包覆層，不方便使用滲透液作為檢測介質，而且滲透檢測也無法檢測內部缺陷，故滲透檢測也不適用。相比之下，渦流檢測無需添加介質，無需放射源，可在試件表面有包覆層的情況下進行檢測，而且對試件表面及近表面的缺陷有很高的靈敏度，適用于檢測船舶海水管路的腐蝕程度。

2 脈沖渦流檢測技術分析

2.1 基本原理

渦流無損探傷原理如圖1所示。將交變電流通入線圈時，線圈會感生出一個交變磁場。當線圈置于被測管壁表面時，其交變磁場會通過電磁耦合的方式，在管壁中激發渦流。所激發的渦流集中于管壁表面，并在管壁內傳播。在渦流的傳播過程中，能量密度會逐漸發生衰減。衰減的電流密度會耦合出衰減的渦流磁場，阻礙原交變磁場的變化。可以通過檢測磁場分布的變化情況，反映被測試件的缺陷。

圖1 渦流無損探傷基本原理Fig. 1 Basic principle of eddy current non-destructive testing racture morphology

脈沖渦流檢測技術是渦流檢測的一個分支，基本原理與渦流檢測相同，不同之處在于脈沖渦流檢測采用脈沖方波作為激勵信號。由于集膚效應的影響，與傳統單頻渦流檢測相比，脈沖渦流具有非常豐富的頻譜分量，能夠同時實現對金屬試件不同深度位置缺陷的檢測，檢測速度和效果均優于連續施加不同頻率正弦激勵的多頻渦流檢測。

2.2 激勵信號

脈沖渦流檢測技術的激勵電流或者電壓通常是方波，文獻[9]分別研究了斜波、半正弦波和方波作為激勵信號的檢測分辨率，并指出方波是最優選擇。文獻[10]研究了不同占空比的脈沖方波對渦流檢測的影響，即脈沖寬度調制技術（PWM），該技術可提供豐富的頻譜。激勵信號的頻率和占空比對缺陷檢測靈敏度的影響與被測試件的厚度有關，對于厚度較大的試件應適當降低激勵頻率并提高占空比[11]。吳鑫等仿真分析了脈沖渦流探頭參數對金屬測厚的影響，利用檢測線圈的感應電壓作為輸出信號，研究表明激勵線圈的電流脈沖幅值對檢測線圈輸出信號幅值影響較大，增大脈沖電流有利于提高測厚的精度；滲透深度與激勵脈沖信號頻率的平方根成反比。在實際檢測中應選取小的激勵脈沖頻率，增大滲透深度，提高脈沖渦流測厚精度[12]。

2.3 探頭結構

脈沖渦流檢測探頭一般由一個激勵線圈和一個或多個信號檢測裝置（感應線圈或者磁場傳感器）組成。

激勵線圈可產生初級磁場，傳統圓柱形線圈由于激勵磁場直接穿過檢測線圈或者磁場傳感器，會對檢測信號產生很大干擾。若采用矩形激勵線圈，感應電場的衰減程度會減弱，渦流滲透更深[13]。矩形線圈受提離影響較小，能夠有效消除邊緣效應的影響，并且由于矩形線圈具有方向特性，能夠產生均勻的渦流分布[14-15]。周德強等[16]通過仿真和實驗發現矩形探頭長寬高尺寸在2∶1∶1.5的比例下靈敏度、線性度最好。

通過在探頭上增加鐵芯和磁屏蔽來聚集和放大信號，周德強等[17]對比研究了鐵屏蔽和鋁屏蔽，結果表明帶有鋁屏蔽的探頭可以增強脈沖渦流響應的峰值，但靈敏度會降低；而鐵屏蔽能夠有效抑制背景噪聲，增強缺陷識別能力，提高檢測靈敏度。

2.4 脈沖渦流檢測技術在金屬管壁測厚和腐蝕檢測的應用

金屬管路的管壁厚度測量和腐蝕檢測一直是脈沖渦流檢測技術的一個研究熱點。

近年來，脈沖渦流檢測技術仍在快速發展。Majidnia等[18]提出了一種新型環繞式脈沖渦流探頭，利用環繞線圈以單脈沖掃描管道的整個圓周來增加掃描區域，利用巨磁阻（GMR）傳感器作為檢測器件，成功檢測了面積為4 000 mm，深度分別為7 mm，5.8 mm以及4.6 mm的缺陷。Lai等[19]加工了具有大面積減薄、局部樹脂狀腐蝕和凹坑狀腐蝕的模擬試樣進行實驗，當管壁和絕緣層厚度分別為10 mm和110 mm時，能夠檢測到絕緣層下10%的管壁減薄以及300 mm2、深度2 mm的局部腐蝕。

Xu等[20]選取差分信號峰值時間作為特征量，研究表明峰值時間與絕緣厚度和探頭提離距離無關，當管壁減薄厚度小于60%時，峰值時間與管壁減薄量呈線性相關。Park等[21-22]也同樣證實峰值時間隨著樣品厚度的增加而增加，而與絕緣體厚度無關。他們用霍爾傳感器作為檢測器件，在不除去試件絕緣層、6 mm提離距離下，測得核電廠不銹鋼管道的管壁厚度在1～5 mm之間的變化。

3 脈沖渦流信號檢測器件分析

脈沖渦流檢測技術通常使用感應線圈或者磁場傳感器來檢測試件渦流場所產生的二次磁場引起的線圈周圍磁場的變化。線圈和磁場傳感器的信號輸出表達式如下：

其中：N為線圈匝數；A為磁通量通過的面積；B為磁通密度；K為磁場傳感器的比例系數。

3.1 感應線圈

線圈的輸出電動勢與磁通密度的變化率成正比，而磁場傳感器的輸出電壓與磁通密度成正比。感應線圈具有設計制作簡單、寬頻帶和大動態范圍等優點，但僅對交變磁場敏感，對低頻磁場測量靈敏度較低，而且需要增設積分電路將磁通密度的變化率轉化為磁通密度，不易于小型化[23]。

3.2 磁場傳感器

目前應用較為廣泛的磁場傳感器有霍爾傳感器、磁電阻傳感器和超導量子干涉器件（superconducting quantum interference device，SQUID）傳感器。霍爾傳感器具有較大的動態范圍，大約1 ～1 000 Gs，但是噪聲大、分辨率和靈敏度較低。SQUID傳感器是目前檢測精度最高的磁場傳感器，高溫超導SQUID檢測精度可達10-14T，低溫超導 SQUID可達10-15T，但由于設計制作和使用復雜、成本高，暫未大規模使用[24]。

磁電阻傳感器是基于磁電阻效應設計制作的傳感器。磁電阻效應（MR）是指元件電阻值會隨著外加磁場的改變而改變，是把磁信號轉化為電信號最有效的方法之一[25]。磁電阻效應的發展已經歷3代：各向異磁電阻（ARM）效應、巨磁電阻（GMR）效應和隧道磁電阻（TMR）效應。這3種磁電阻效應的性能參數如表1所示。

TMR器件相對于霍爾器件、AMR器件和GMR器件，溫度穩定性好、線性度較好，信噪比、靈敏度和工作范圍均大幅度提高，無需外加set/reset線圈，無層間耦合效應，且功耗極低，體積極小，易于集成化和陣列布置，提高傳感器探頭的分辨率，適用于脈沖渦流管路腐蝕程度檢測的陣列成像。

隧道磁電阻效應產生的原理[26]是電子自旋相關的隧穿效應，一般存在于磁隧道結（MTJ）中。基于隧道磁電阻效應原理制成的TMR器件具有靈敏度高、功耗小、易于集成化等優點，在計算機磁頭和傳感器領域應用廣泛。Cardoso等[27]設計制造了2個分別由6個和10個磁隧道結串聯組成的TMR傳感器，并成功檢測了鋁制模型上寬度為0.1 mm，深度0.2～1 mm變化的缺陷，靈敏度可達到50.8 mV/mT和84.5 mV/mT，且后者信噪比可達50 dB。Jin等[28]將4，16，28，40，52個磁隧道結分別布置成1，4，7，10，13行以制成傳感器，成功檢測到鋁試件表面寬0.1 mm，深度0.1～1 mm變化的裂紋。當將28個磁隧道結排布成7行，檢測0.1 mm深度缺陷時的信噪比高達115 dB，這表明合理布置磁隧道結可提高檢測精度。Jin等[29]又將以上磁隧道結陣列布置用于檢測銅試件中的凹坑，同樣得出以上結論。Ye等[29]用180個TMR元件組成傳感器陣列，每個元件相距0.5 mm，能夠在一次掃描中將寬度90 mm的矩形區域成像，實驗成功將鋁試件上300×300×400 mm的表面缺陷成像。

表1 三種磁電阻效應特性比較Tab. 1 Comparison of three magnetoresistance effects

4 基于TMR陣列的脈沖渦流檢測系統設計

本文設計一種基于TMR陣列的脈沖渦流檢測方案，該方案將TMR傳感器布置于激勵線圈內部，按照一定規則組成陣列（見圖2），以檢測渦流磁場的變化，反映管路損傷情況。由于TMR傳感器體積小，相同體積布置數量遠大于其他傳感器，能有效提高后期成像的分辨率。

圖2 TMR陣列布置示意圖Fig. 2 TMR array arrangement racture morphology

檢測系統硬件組成如圖3所示，主要包括脈沖信號發射電路、渦流信號檢測電路、顯示控制單元及數據采集處理電路。軟件部分主要有信號數據的處理與存儲，并開發基于檢測結果的成像程序。

圖3 脈沖渦流檢測系統組成結構Fig. 3 Detection system structure racture morphology

5 結 語

本文對比分析多種無損檢測技術的優缺點及適用條件，指出脈沖渦流檢測技術較適用于船舶海水管路的腐蝕檢測。分析多種脈沖渦流檢測技術的信號檢測器件發現，由于TMR傳感器體積小、靈敏度高、功耗小等優點，可布置成陣列實現腐蝕成像。最后，提出基于TMR陣列的脈沖渦流檢測系統設計方案，為后續工作的展開奠定基礎。