基于TMR陣列的電磁檢測系統(tǒng)設(shè)計

徐小雄，胡明慧，張程杰

(華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引言

無損檢測技術(shù)[1-2]不損害被檢測件使用性能或用途，就能檢測出材料或工件內(nèi)部和表面存在的缺陷。渦流檢測技術(shù)因探傷時接收線圈不需接觸被測對象，對表面和近表面缺陷檢測靈敏度非常高。無損檢測學(xué)術(shù)報告表明大約35%的檢測手段是渦流檢測[3]，在航空航天領(lǐng)域中使用率甚至達到50%[4]。隨著核電站、航空航天等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其對渦流檢測技術(shù)提出了更高的要求。

傳統(tǒng)渦流檢測多采用線圈檢測試件缺陷引起的感應(yīng)磁場變化，僅適用于表面或近表面缺陷檢測，且隨著激勵頻率的降低，其感應(yīng)電壓也隨之降低，檢測線圈信噪比大，所以繞制式線圈已不能滿足缺陷檢測需求。施越紅[5]等提出了一種柔性矩形渦流陣列傳感器，并搭建了裂紋檢測系統(tǒng)。G. Dib[6]等提出了使用正交勵磁線圈來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)均勻電流的新設(shè)計，實驗表明該設(shè)計對飛機多層結(jié)構(gòu)鉚釘徑向裂紋有較好的檢測效果。

磁傳感器以其高靈敏度、小體積、低功耗及易集成等特點應(yīng)用于缺陷檢測，吳斌[7]等設(shè)計了基于柔性印刷電路的隧道磁阻圓環(huán)陣列，實現(xiàn)了鋼索表面斷絲處漏磁場的檢測。韓寧[8]等利用高靈敏度巨磁阻傳感器探頭用于管道缺陷識別和定位。陶鈺[9]等設(shè)計了一種TMR傳感器陣列渦流探頭用于核電站蒸汽發(fā)生器換熱管檢測，通過三維成像對缺陷進行快速定位。C. Ye[10]等設(shè)計了由180個TMR制作的傳感器，實現(xiàn)了多層鉚接鋁結(jié)構(gòu)8 mm下的緊固件缺陷檢測。

本文設(shè)計了一種基于TMR的陣列渦流檢測探頭，并搭建了電磁檢測系統(tǒng)，通過實驗驗證了該電磁檢測系統(tǒng)的可行性。

1 TMR傳感器探頭

1.1 TMR傳感器原理

TMR傳感器核心結(jié)構(gòu)單元是磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction，MTJ) ，如圖1所示，由隧道層、自由層、被釘扎層組成。被釘扎層的磁矩方向固定，隧道層是可被隧穿的鎂或鋁氧化物，自由層是高磁導(dǎo)率的鐵磁材料，其磁化方向受外界磁場調(diào)制[11]。磁隧道結(jié)的電阻由隧道層和釘扎層間磁矩的夾角決定，通過測量電阻可計算外界磁場。

圖1 磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

本文選用TMR2901傳感器作為陣列渦流檢測元件，其靈敏度為25 mV/V/Oe。TMR2901 采用1個獨特的推挽式惠斯登全橋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含4個非屏蔽的TMR元件。當(dāng)檢測磁場與傳感器敏感軸方向平行一致時，檢測靈敏度最高，惠斯登全橋提供差分電壓信號，所以設(shè)計探頭結(jié)構(gòu)時，將芯片的敏感軸方向放置與渦流產(chǎn)生磁場方向一致，獲得最大的檢測效果。

1.2 探頭結(jié)構(gòu)

探頭包括激勵和檢測兩部分。激勵部分由200匝、0.4 mm線徑的差分式矩形線圈組成，通反向電流；檢測部分采用陣列式TMR傳感器，如圖2所示，3個TMR 呈一字排列焊接在PCB板上。

圖2 激勵線圈及陣列式TMR傳感器

如果TMR間距過大，探頭掃查易產(chǎn)生檢測盲區(qū)，TMR間距越小則漏檢的可能性越小，但PCB制作中2個芯片靠太近易出現(xiàn)干擾和產(chǎn)生電容[12]，所以設(shè)計芯片間最小安全距離為0.3 mm，印刷電路如圖3所示。

(a)印刷電路設(shè)計圖

(b)TMR電路圖圖3 傳感器印刷電路圖

2 硬件電路設(shè)計

基于上述探頭搭建了電渦流檢測系統(tǒng)，主要包括激勵信號源、功率放大、輸出信號檢測電路。激勵信號源為信號發(fā)生器，輸出信號檢測電路通過鎖相放大電路實現(xiàn)，其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 功率放大電路設(shè)計

信號發(fā)生器對激勵線圈施加正弦激勵信號產(chǎn)生渦流感應(yīng)電磁場，但信號發(fā)生器輸出信號功率較小，故需要設(shè)計功率放大器以提高其驅(qū)動負載的能力。本文選用TDA7294芯片設(shè)計功率放大電路，其前級采用低噪聲、低失真的雙極性晶體管電路，末級采用高耐壓、大電流DMOS管緩沖輸出，具有較寬的電源電壓輸入范圍，為±10 V～±40 V，頻率響應(yīng)為20 Hz～20 kHz，輸出功率可達100 W，從而提高輸入激勵線圈的激勵電流。TDA7294功放電路圖如圖5所示，其中C21是輸入耦合電容，且濾去了直流干擾。由于所接負載為線圈，故需要通過電阻和電容進行相位補償來消除自激。

圖5 TDA7294功放電路圖

2.2 鎖相放大器電路設(shè)計

2.2.1 鎖相放大器原理

由于TMR傳感器信號微弱，為了有效提取檢測信號，本文設(shè)計了鎖相放大器電路來提取微弱信號，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 鎖相放大器框圖

設(shè)模擬乘法器輸入的檢測信號為e1，基準(zhǔn)信號為e2，分別為：

(1)

式中：E1、E2為檢測信號和基準(zhǔn)信號的幅值；f1、f2為檢測信號和基準(zhǔn)信號的頻率；φ1、φ2為檢測信號和基準(zhǔn)信號的相位。

2個輸入信號經(jīng)過模擬乘法器之后，其輸出信號為

綜上，在急性缺血性腦卒中患者靜脈溶栓治療過程中采取各項切實有效的護理可有效減少患者致殘致死率，提高生存質(zhì)量。

E0=E1E2sin(2πf1+φ1)sin(2πf2+φ2)

(2)

式(2)表明模擬乘法器的輸出由差頻分量、和頻分量構(gòu)成。根據(jù)渦流檢測基本原理，檢測信號頻率與激勵信號的頻率相同，即模擬乘法器的2個輸入信號是同頻的，所以經(jīng)過低通濾波器之后，輸出信號為

(3)

式中φ1-φ2為基準(zhǔn)信號與檢測信號相位差。

由式(3)可得，當(dāng)基準(zhǔn)信號與檢測信號相位相同時，輸出的直流信號幅值最大，且經(jīng)過上述模擬乘法器和低通濾波器之后，即可輸出與其他頻率干擾信號無關(guān)的直流信號，提高了信噪比。

2.2.2 鎖相放大器電路

由于TMR輸出信號微弱，故在鎖相放大電路前級設(shè)計放大電路，本系統(tǒng)采用了OPA627對信號進行放大，放大倍數(shù)為11倍，電路圖如圖7所示。

圖7 信號放大電路

鎖相放大電路由模擬乘法器和低通濾波器組成，本系統(tǒng)采用AD630模擬乘法器，其電路如圖8所示。AD630模擬帶寬為2 MHz，輸入信號范圍最高可達±18 V。在模擬乘法器工作時，檢測信號經(jīng)OUT1口輸入，參考信號經(jīng)Pr口輸入。

圖8 模擬乘法器電路圖

經(jīng)過上述乘法器得到含交流信號、直流信號的混合信號，其直流信號是有效的檢測信號，故需要將交流信號濾去，設(shè)計了基于NE5532的四階超低通巴特沃斯濾波器，電路如圖9所示。根據(jù)文獻[13]可知，為避免缺陷信息丟失，濾波器的截止頻率設(shè)置為20 Hz左右，同時也可避免工頻干擾。該四階低通濾波器的電阻R11、R12、R13、R14阻值均為10 kΩ，電容C9、C10、C11、C16電容值均為1 μF，其截止頻率約為16 Hz。

圖9 低通濾波電路圖

3 有限元仿真

圖10 裂紋尺寸示意圖

有限元仿真模型如圖11所示，其中3個監(jiān)測點處于試件表面，間隔為2 mm均勻分布在線圈中心平面，對應(yīng)實驗中傳感器從左到右依次為1、2、3監(jiān)測點。

圖11 有限元仿真模型(隱藏空氣域)

3.1 表面缺陷有限元仿真

仿真分析中，正弦激勵信號的頻率為20 kHz，激勵信號的電流峰值為0.2 A，掃描方向如圖11所示。缺陷檢測中各監(jiān)測點的磁通密度z分量如圖12所示，磁通密度變化量如表1所示。

圖12 表面缺陷磁通密度隨線圈位置變化圖

表1 表面缺陷磁通密度變化量 10-5 T

由圖12和表1可知，監(jiān)測點2處磁通密度變化量遠大于監(jiān)測點1、監(jiān)測點3的變化，即缺陷處磁感應(yīng)強度畸變，本文利用TMR將磁感應(yīng)強度的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，從而實現(xiàn)缺陷檢測。

3.2 深層缺陷有限元仿真

從鈦合金背面即可實現(xiàn)對深埋缺陷的檢測，采用反向掃描。仿真中正弦激勵信號的頻率為3 kHz，激勵信號的電流峰值為0.2 A，仿真結(jié)果如圖13所示，磁通密度變化量如表2所示。

圖13 深層缺陷磁通密度隨線圈位置變化圖

表2 深層磁通密度變化量 10-6 T

由圖13、表2可知，相同激勵信號作用下，深層缺陷處磁場畸變遠小于表面缺陷，缺陷離表面距離是檢測靈敏度的重要因素。

4 實驗驗證

傳統(tǒng)渦流檢測受集膚效應(yīng)制約，很難檢測深裂紋或材料內(nèi)部缺陷。本文設(shè)計了基于TMR陣列的渦流檢測系統(tǒng)，如圖14所示，分別對鈦合金表面及深埋缺陷進行電磁檢測。

圖14 陣列渦流檢測系統(tǒng)

4.1 鈦合金表面缺陷檢測

實驗中線圈激勵信號、掃描方式和仿真一致，表面缺陷檢測結(jié)果如圖15所示?；阪i相放大器的原理和TMR靈敏度，計算輸出電壓所對應(yīng)的感應(yīng)磁場強度Bz，如表3所示。

圖15 鈦合金表面缺陷檢測結(jié)果

由圖15可知，2個缺陷輸出電壓峰值明顯，且該檢測結(jié)果可以大致反映缺陷的相對位置關(guān)系。由表3可知，缺陷深度由1 mm增加至2 mm時，根據(jù)編號為2的傳感器輸出電壓計算得到的磁感應(yīng)強度增大了1.7倍。

表3 表面缺陷TMR輸出電壓與Bz對應(yīng)關(guān)系

4.2 鈦合金深層缺陷檢測

實驗中線圈激勵信號、掃描方式和仿真一致，深層缺陷檢測結(jié)果如圖16所示，2處缺陷輸出電壓峰值明顯，且反映缺陷相對位置關(guān)系。鈦合金深層缺陷輸出電壓與磁感應(yīng)強度Bz對應(yīng)關(guān)系如表4所示，隨著缺陷所處深度的增大，1、2號傳感器的磁感應(yīng)強度降低為原來的67%，3號傳感器磁感應(yīng)強度降低為原來的75%，實驗中由于操作誤差無法保證某個傳感器處于缺陷的正上方造成上述差異，但實驗結(jié)果表明該檢測系統(tǒng)有效識別4 mm下缺陷引起的10-6T 感應(yīng)磁場的變化。

圖16 鈦合金深層缺陷檢測結(jié)果

5 結(jié)論

針對鈦合金深層及表面缺陷的檢測，開發(fā)了一套基于TMR磁阻陣列的電磁檢測系統(tǒng)，并對鈦合金表面和深層缺陷進行實驗測試，本文主要工作包括：

表4 深層缺陷TMR輸出電壓與Bz對應(yīng)關(guān)系

(1)基于TMR2901設(shè)計了三陣列電磁檢測探頭，設(shè)計了功率放大器以提供最高0.2 A的激勵電流，設(shè)計了鎖相放大器以有效的將10-6T級別的磁感應(yīng)強度輸出為易識別的電壓信號。

(2)基于仿真結(jié)果得出的缺陷引起的磁感應(yīng)強度變化規(guī)律，利用搭建的電磁檢測系統(tǒng)，對鈦合金表面和深層缺陷展開實驗，實驗結(jié)果證明，該檢測系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別缺陷。