吳衍運，李　偉，葛玖浩，袁新安

(中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心， 青島 266580)

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基于ACFM技術(shù)的陣列TMR探頭及裂紋檢測系統(tǒng)開發(fā)

吳衍運，李偉，葛玖浩，袁新安

(中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心， 青島 266580)

隧道磁電阻(TMR)是近年來發(fā)展的一種高精度磁傳感器，在交流電磁場檢測(ACFM)領(lǐng)域有很好的應用和發(fā)展前景?；赥MR傳感器和交流電磁場檢測技術(shù)，采用寬U型激勵，設(shè)計了一種新型高精度陣列檢測探頭。借助TMR陣列探頭，搭建完整的ACFM系統(tǒng)，開展了裂紋檢測試驗。試驗結(jié)果表明，使用該探頭的ACFM檢測系統(tǒng)具有較大的檢測范圍和較高的檢測靈敏度，在實現(xiàn)工件大面積檢測的同時，可有效防止漏檢。

陣列TMR；寬U形激勵；裂紋檢測系統(tǒng)

圖1　ACFM技術(shù)檢測原理示意

交流電磁場檢測(ACFM)技術(shù)是一種新興的電磁無損檢測技術(shù)，廣泛應用于結(jié)構(gòu)缺陷的檢測和評估中[1-2]。該技術(shù)利用導體表面感應電場的擾動來檢測構(gòu)件表面和近表面的裂紋，原理如圖1所示。ACFM激勵線圈在工件表面感應勻強的電場，感應電場經(jīng)過試件表面裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起周圍磁場的擾動；通過采集畸變磁場信號Bx和Bz可對缺陷進行定量分析[3-4]。ACFM 技術(shù)數(shù)學模型精確，具有無需清潔工件表面、定量精度高、無需標定的特點，在石油化工、海上平臺、水下結(jié)構(gòu)物、船舶、鐵路以及航空制造等領(lǐng)域具有十分廣闊的應用前景。

ACFM探頭主要由激勵線圈和檢測傳感器組成。常規(guī)U型或者矩形磁芯載流線圈只能實現(xiàn)局部范圍的激勵，試件表面感應電場范圍小，陣列傳感器排布空間有限，單次檢測效率低。檢測傳感器主要采用線圈、霍爾元件、基于集成電路的異向性磁阻傳感器(AMR)、巨磁電阻傳感器(GMR)[5]、TMR等磁敏感傳感器拾取缺陷區(qū)域的磁場信號。TMR傳感器是近年來開始應用于工業(yè)中的新型磁電阻效應傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應。如表1所示，TMR相對于其他磁傳感器，具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度和更小的尺寸[6]。

表1　TMR與其他磁傳感器性能對比

隨著ACFM技術(shù)向小型化、智能化、高精度等方向的發(fā)展，其對磁傳感器的尺寸、靈敏度、熱穩(wěn)定性及功耗等提出了越來越高的要求。因此，TMR在交流電磁場檢測領(lǐng)域有很好的應用和發(fā)展前景。南昌航空大學任尚坤，設(shè)計了基于TMR傳感器的ACFM探頭，其靈敏度優(yōu)于采用其他傳感器設(shè)計的探頭[7]。然而，該探頭采用的激勵產(chǎn)生的勻強電流范圍小，單個TMR傳感器檢測范圍小，檢測效率低。

筆者首先對不同尺寸的U形激勵進行仿真，設(shè)計了一種適合陣列探頭的寬U形激勵。然后，通過對TMR檢測電路、探頭整體和陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)了一種新型陣列TMR探頭。最后，基于該探頭搭建ACFM檢測系統(tǒng)，進行了裂紋檢測試驗。試驗證明，基于該探頭搭建的檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對試件表面裂紋的高靈敏度、大范圍的快速檢測。

1　探頭設(shè)計

探頭是整個ACFM檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵，直接影響著檢測系統(tǒng)的靈敏度和精度。探頭的設(shè)計主要包括激勵線圈、檢測傳感器、調(diào)理電路和殼體等部分的設(shè)計。設(shè)計時要充分考慮結(jié)構(gòu)和零部件的布局，增強探頭的檢測適用性和精度。

1.1激勵

探頭激勵部分由線圈纏繞在U形錳鋅鐵氧體磁芯上組成。由于陣列探頭由多個TMR傳感器組成，需要較大范圍的勻強電場，而傳統(tǒng)的U形激勵探頭磁芯較窄，產(chǎn)生的勻強電流范圍小。所以，筆者通過ANSYS軟件對普通U型激勵和寬U形激勵進行仿真，觀測對比勻強電場范圍，設(shè)計了寬U形磁芯的尺寸。仿真模型及模型尺寸分別如圖2和表2所示(表2與圖2中字母對應)。

圖2　探頭仿真模型示意

表2　仿真模型U形激勵尺寸　mm

仿真完成后提取工件表面的電流圖，普通激勵和寬U形激勵在工件表面產(chǎn)生的電場如圖3所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，寬U形激勵在工件表面激勵出的電場范圍更大且更加均勻，采用這種激勵有利于陣列探頭的布置和磁場采集。

圖3　平板試件表面電場

1.2TMR檢測電路檢測探頭的傳感器采用MMLP57F隧道磁電阻芯片。當磁場在-0.003～+0.003 T間時，該傳感器的輸出電壓成線性變化，線性范圍較大。靈敏度為5×10-4mV·V-1·T-1，靈敏度高。同時，其工作電壓限值為7 V，外加磁場限值為0.15 T，使用溫度為-40～125 ℃。MMLP57F隧道磁電阻芯片的線性度、靈敏度和各參數(shù)符合檢測系統(tǒng)對磁場采集的要求。

圖6　ACFM檢測系統(tǒng)整體框圖

所設(shè)計的單路TMR電路(PCB)板如圖4所示。電路板上包括電源輸入及穩(wěn)壓電路、TMR、濾波放大電路和信號輸出端。輸入電壓有±12 V和5 V，±12 V電壓為放大電路供電，5V電壓為TMR供電。兩個MMLP57F隧道磁電阻芯片布置在PCB板兩面，分別采集Bx和Bz磁場信號。濾波放大電路由電阻、電容和AD 620組成，對信號進行調(diào)理放大后由信號輸出端輸出。這種設(shè)計將穩(wěn)壓電路、傳感器、濾波放大電路集成在一起，具有小型化、模塊化的特點，適合陣列探頭的進一步設(shè)計。

圖4　TMR電路

1.3探頭整體結(jié)構(gòu)

整體探頭設(shè)計和探頭實物如圖5所示。外殼材料采用韌性類ABS樹脂，以防止產(chǎn)生電磁干擾。外殼底部厚度為1 mm，使得探頭提離滿足檢測要求。為了增大檢測范圍，同時又保證不漏檢，陣列探頭個數(shù)設(shè)為7，PCB板間距5 mm，放置于底部的卡槽內(nèi)。

圖5　探頭結(jié)構(gòu)和實物照片

2　ACFM檢測系統(tǒng)

ACFM檢測系統(tǒng)的整體框圖見圖6。系統(tǒng)中，開關(guān)電源經(jīng)過穩(wěn)壓電路，為TMR傳感器提供5 V電壓，為調(diào)理放大電路提供±12 V電壓；信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦激勵信號接入U形磁芯的線圈上，在工件表面激勵出大范圍的勻強電場，電場在缺陷附近有擾動并產(chǎn)生畸變磁場；陣列TMR傳感器拾取缺陷附近的磁場信號，將信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；電壓信號經(jīng)過調(diào)理放大電路和采集卡進入PC機的缺陷識別系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對信號的分析，判斷有無缺陷并對缺陷進行定量識別。

其中，電源采用明緯T-50開關(guān)電源，該電源可靠性高，內(nèi)置EMI濾波器，抗干擾性能好，直流紋波小，工作效率高，絕緣性能好，抗電強度高。系統(tǒng)選擇Tektronix泰克AFG 1022任意波形/函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，它包括雙通道、25 MHz帶寬和高達10Vp-p(峰峰值)的輸出幅度，4種運行模式、50種內(nèi)置常用波形和內(nèi)置200 MHz頻率計數(shù)器， USB接口和PC軟件提供了最直觀的儀器配置方式，滿足試驗和測試工作中的大多數(shù)波形發(fā)生需求。數(shù)據(jù)采集卡選用USB 2086數(shù)據(jù)采集卡，它具有高性能、低功耗的特點，能夠直接連接到計算機的USB數(shù)據(jù)接口上。該采集卡為16位的A/D轉(zhuǎn)換精度，采樣速率高達500 kHz；并且USB 2086的數(shù)據(jù)采集卡支持系統(tǒng)所應用的LABVIEW語言的平臺驅(qū)動。

PC機中的缺陷識別系統(tǒng)是ACFM檢測系統(tǒng)的另一核心部分[8]，圖7是利用LABVIEW軟件作為平臺開發(fā)的ACFM缺陷識別系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與檢測界面，主要由數(shù)據(jù)采集程序、實時檢測程序、缺陷定量程序三個部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、檢測信號實時顯示、信號分析、缺陷定量等功能。首先，數(shù)據(jù)采集中的通道與探頭相對應，可以根據(jù)實際情況，由通道設(shè)置來實現(xiàn)采集特定探頭信號的功能。信號采集后，Bx與Bz曲線圖可實時顯示在檢測界面。缺陷是否存在，主要通過觀察Bx與Bz曲線是否出現(xiàn)符合ACFM檢測原理的峰谷值來判斷，且能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷報警功能。最后進行缺陷定量分析，根據(jù)Bz信號峰峰值間距和Bx波谷值等特征量定量缺陷尺寸[9-10]。

圖7　ACFM缺陷識別系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與缺陷檢測界面

圖8　ACFM檢測系統(tǒng)實物照片與探頭檢測示意

3　性能試驗

依照上述設(shè)計搭建完整的ACFM檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)實物照片如圖8(a)所示。陣列TMR探頭及掃描方向如圖8(b)所示，探頭間距為5 mm。為了測試系統(tǒng)的靈敏度、精度、檢測范圍等性能，進行兩組試驗，對不同尺寸的裂紋進行了檢測。裂紋尺寸見表3，系統(tǒng)激勵頻率6 kHz[11]，激勵電壓5 V。

表3　各裂紋尺寸　mm

3.1靈敏度測試

為了測試系統(tǒng)的靈敏度和缺陷檢出能力，使用該系統(tǒng)對細小裂紋缺陷進行檢測。裂紋1、2、3位于同一鐵板試件，依次對裂紋進行檢測，采集1號探頭的Bx，Bz信號，保存數(shù)據(jù)后由MATLAB處理并繪制的信號如圖9所示。由圖可見，三個缺陷的Bx,Bz信號都有明顯畸變特征，且Bz峰峰間距能反映裂紋長度信息，Bx波谷值能反映裂紋深度信息，符合ACFM檢測原理。該試驗證明系統(tǒng)能檢測寬度為0.1 mm，深度為1 mm的微小缺陷，有較高靈敏度。系統(tǒng)檢測時，高靈敏度能保證系統(tǒng)對缺陷的檢出率，降低漏檢風險。

圖9　裂紋1～3檢測信號

圖10　裂紋缺陷4的檢測信號

3.2檢測范圍測試

用陣列探頭對缺陷4進行檢測。由于對稱性，系統(tǒng)采集1～4號探頭的Bx,Bz信號，保存數(shù)據(jù)后由MATLAB處理并繪制的四個探頭的Bx,Bz信號如圖10所示。可以看出，位于缺陷正上方的1號探頭的Bx,Bz信號畸變量最大，且探頭偏移缺陷中心位置的距離越大，信號畸變量越小，因此該陣列探頭能夠確定缺陷位置。同時，3號探頭的Bx信號仍有明顯的畸變特征，而Bz信號的畸變量則比較小，不能很好地反映缺陷，因此，可以確定單探頭的有效檢測范圍為10 mm。該陣列探頭的間距(5 mm)能很好地防止漏檢現(xiàn)象的發(fā)生，同時40 mm的有效檢測范圍是單探頭的4倍，大大提高了檢測效率。

試驗證明，該檢測系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠檢測微小裂紋，同時檢測范圍是單探頭的4倍。這些特性既大大提高了檢測效率，又能保證缺陷的檢出率，降低漏檢風險。

4　結(jié)論

基于交流電磁場檢測技術(shù)，采用寬U型激勵和高靈敏度的TMR傳感器，設(shè)計了一種新型陣列ACFM檢測探頭。然后采用該TMR陣列探頭，搭建完整的ACFM系統(tǒng)，開展了裂紋檢測試驗。仿真和試驗結(jié)果表明：

(1) 寬U形激勵在工件表面激勵出的電場范圍更大且更加均勻，采用這種激勵有利于陣列探頭的布置和磁場采集。

(2) 由于采用高靈敏度的TMR傳感器，設(shè)計的ACFM系統(tǒng)能夠檢測出寬度0.1 mm、深度1 mm的細小裂紋，而且信號畸變明顯，具有較高的靈敏度。

(3) 在距離缺陷大于10 mm處，Bz信號畸變量很小，不能有效檢測缺陷，因此單探頭的有效檢測范圍是10 mm。該陣列探頭的TMR設(shè)計間距為5 mm，能有效防止漏檢。同時，探頭具有40 mm的有效檢測范圍，檢測范圍是單探頭的4倍，能夠?qū)崿F(xiàn)工件的大面積檢測。

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Development of TMR Sensors Array and Crack Detection System Based on ACFM Technology

WU Yan-yun, LI Wei, GE Jiu-hao, YUAN Xin-an

(Center for Offshore Equipment and Safety Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Tunneling Magnetic Resistance (TMR) is an emerging high precision magnetic sensor in recent years. TMR has become a promising magnetic sensor in nondestructive testing field. In this paper, a novel high precision TMR sensors array with wide U-shaped inducer based on ACFM technology is presented for cracks detection. The TMR sensors array and wide U-shaped inducer ACFM system were set up and cracks detection experiments were carried out. The results show that the wide U-shaped inducer induces a broad current field on the surface of specimen. The TMR sensors array and ACFM system can achieve high sensitivity and accurate detection of cracks on specimen. This system can conduct wide area detection and has a high efficiency.

TMR sensors array; Wide U-shaped inducer; Crack detection system

2016-06-22

國家自然科學基金資助項目(51574276)；山東省自然基金資助項目(ZR2015EM009)；中國石油大學(華東)研究生創(chuàng)新工程資助項目(YCX2015039)。

吳衍運(1989-),男，碩士,主要研究方向為海洋油氣設(shè)備安全檢測技術(shù)，傳感器設(shè)計及其系統(tǒng)仿真。

李偉, E-mail：ronald8044@163.com。

10.11973/wsjc201610008

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0029-05