徐小雄，胡明慧，張程杰

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)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(shí)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(bào)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(dá)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(lì)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(lì)磁線圈來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)均勻電流的新設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)對飛機(jī)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(diǎn)應(yīng)用于缺陷檢測，吳斌[7]等設(shè)計(jì)了基于柔性印刷電路的隧道磁阻圓環(huán)陣列，實(shí)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(jì)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(jìn)行快速定位。C. Ye[10]等設(shè)計(jì)了由180個(gè)TMR制作的傳感器，實(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)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(gè)獨(dú)特的推挽式惠斯登全橋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含4個(gè)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(shí)，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(jì)探頭結(jié)構(gòu)時(shí)，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(lì)和檢測兩部分。激勵(lì)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(gè)TMR 呈一字排列焊接在PCB板上。

圖2 激勵(lì)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(gè)芯片靠太近易出現(xiàn)干擾和產(chǎn)生電容[12]，所以設(shè)計(jì)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(jì)圖

(b)TMR電路圖圖3 傳感器印刷電路圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

基于上述探頭搭建了電渦流檢測系統(tǒng)，主要包括激勵(lì)信號源、功率放大、輸出信號檢測電路。激勵(lì)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(shí)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(jì)

信號發(fā)生器對激勵(lì)線圈施加正弦激勵(lì)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(jì)功率放大器以提高其驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。本文選用TDA7294芯片設(shè)計(jì)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(dá)100 W，從而提高輸入激勵(lì)線圈的激勵(lì)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(fù)載為線圈，故需要通過電阻和電容進(jìn)行相位補(bǔ)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(jì)

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(jì)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(gè)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(xiàng)切實(shí)有效的護(hù)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(lì)信號的頻率相同，即模擬乘法器的2個(gè)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(shí)，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(jì)放大電路，本系統(tǒng)采用了OPA627對信號進(jìn)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(dá)±18 V。在模擬乘法器工作時(shí)，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(jì)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(xiàn)[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(shí)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(gè)監(jiān)測點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中傳感器從左到右依次為1、2、3監(jiān)測點(diǎn)。

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(lì)信號的頻率為20 kHz，激勵(lì)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(diǎn)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(diǎn)2處磁通密度變化量遠(yuǎn)大于監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)3的變化，即缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度畸變，本文利用TMR將磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)對深埋缺陷的檢測，采用反向掃描。仿真中正弦激勵(lì)信號的頻率為3 kHz，激勵(lì)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(lì)信號作用下，深層缺陷處磁場畸變遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)中線圈激勵(lì)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(jì)算輸出電壓所對應(yīng)的感應(yīng)磁場強(qiáng)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(gè)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(shí)，根據(jù)編號為2的傳感器輸出電壓計(jì)算得到的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中線圈激勵(lì)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(qiáng)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(qiáng)度降低為原來的67%，3號傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度降低為原來的75%，實(shí)驗(yàn)中由于操作誤差無法保證某個(gè)傳感器處于缺陷的正上方造成上述差異，但實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jì)了三陣列電磁檢測探頭，設(shè)計(jì)了功率放大器以提供最高0.2 A的激勵(lì)電流，設(shè)計(jì)了鎖相放大器以有效的將10-6T級別的磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該檢測系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別缺陷。