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

吳衍運(yùn)，李　偉，葛玖浩，袁新安

(中國(guó)石油大學(xué)(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(cè)系統(tǒng)開發(fā)

吳衍運(yùn)，李偉，葛玖浩，袁新安

(中國(guó)石油大學(xué)(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(lái)發(fā)展的一種高精度磁傳感器，在交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。基于TMR傳感器和交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，采用寬U型激勵(lì)，設(shè)計(jì)了一種新型高精度陣列檢測(cè)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(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該探頭的ACFM檢測(cè)系統(tǒng)具有較大的檢測(cè)范圍和較高的檢測(cè)靈敏度，在實(shí)現(xiàn)工件大面積檢測(cè)的同時(shí)，可有效防止漏檢。

陣列TMR；寬U形激勵(lì)；裂紋檢測(cè)系統(tǒng)

圖1　ACFM技術(shù)檢測(cè)原理示意

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)技術(shù)是一種新興的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)和評(píng)估中[1-2]。該技術(shù)利用導(dǎo)體表面感應(yīng)電場(chǎng)的擾動(dòng)來(lái)檢測(cè)構(gòu)件表面和近表面的裂紋，原理如圖1所示。ACFM激勵(lì)線圈在工件表面感應(yīng)勻強(qiáng)的電場(chǎng)，感應(yīng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)試件表面裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起周圍磁場(chǎng)的擾動(dòng)；通過(guò)采集畸變磁場(chǎng)信號(hào)Bx和Bz可對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析[3-4]。ACFM 技術(shù)數(shù)學(xué)模型精確，具有無(wú)需清潔工件表面、定量精度高、無(wú)需標(biāo)定的特點(diǎn)，在石油化工、海上平臺(tái)、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(yīng)用前景。

ACFM探頭主要由激勵(lì)線圈和檢測(cè)傳感器組成。常規(guī)U型或者矩形磁芯載流線圈只能實(shí)現(xiàn)局部范圍的激勵(lì)，試件表面感應(yīng)電場(chǎng)范圍小，陣列傳感器排布空間有限，單次檢測(cè)效率低。檢測(cè)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(chǎng)信號(hào)。TMR傳感器是近年來(lái)開始應(yīng)用于工業(yè)中的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)。如表1所示，TMR相對(duì)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(duì)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(duì)磁傳感器的尺寸、靈敏度、熱穩(wěn)定性及功耗等提出了越來(lái)越高的要求。因此，TMR在交流電磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。南昌航空大學(xué)任尚坤，設(shè)計(jì)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(jì)的探頭[7]。然而，該探頭采用的激勵(lì)產(chǎn)生的勻強(qiáng)電流范圍小，單個(gè)TMR傳感器檢測(cè)范圍小，檢測(cè)效率低。

筆者首先對(duì)不同尺寸的U形激勵(lì)進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)了一種適合陣列探頭的寬U形激勵(lì)。然后，通過(guò)對(duì)TMR檢測(cè)電路、探頭整體和陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了裂紋檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，基于該探頭搭建的檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)試件表面裂紋的高靈敏度、大范圍的快速檢測(cè)。

1　探頭設(shè)計(jì)

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

1.1激勵(lì)

探頭激勵(lì)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(gè)TMR傳感器組成，需要較大范圍的勻強(qiáng)電場(chǎng)，而傳統(tǒng)的U形激勵(lì)探頭磁芯較窄，產(chǎn)生的勻強(qiáng)電流范圍小。所以，筆者通過(guò)ANSYS軟件對(duì)普通U型激勵(lì)和寬U形激勵(lì)進(jìn)行仿真，觀測(cè)對(duì)比勻強(qiáng)電場(chǎng)范圍，設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng))。

圖2　探頭仿真模型示意

表2　仿真模型U形激勵(lì)尺寸　mm

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

圖3　平板試件表面電場(chǎng)

1.2TMR檢測(cè)電路檢測(cè)探頭的傳感器采用MMLP57F隧道磁電阻芯片。當(dāng)磁場(chǎng)在-0.003～+0.003 T間時(shí)，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(shí)，其工作電壓限值為7 V，外加磁場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)對(duì)磁場(chǎng)采集的要求。

圖6　ACFM檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖

所設(shè)計(jì)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(hào)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(gè)MMLP57F隧道磁電阻芯片布置在PCB板兩面，分別采集Bx和Bz磁場(chǎng)信號(hào)。濾波放大電路由電阻、電容和AD 620組成，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大后由信號(hào)輸出端輸出。這種設(shè)計(jì)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(diǎn)，適合陣列探頭的進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

圖4　TMR電路

1.3探頭整體結(jié)構(gòu)

整體探頭設(shè)計(jì)和探頭實(shí)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(cè)要求。為了增大檢測(cè)范圍，同時(shí)又保證不漏檢，陣列探頭個(gè)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(shí)物照片

2　ACFM檢測(cè)系統(tǒng)

ACFM檢測(cè)系統(tǒng)的整體框圖見圖6。系統(tǒng)中，開關(guān)電源經(jīng)過(guò)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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦激勵(lì)信號(hào)接入U(xiǎn)形磁芯的線圈上，在工件表面激勵(lì)出大范圍的勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)在缺陷附近有擾動(dòng)并產(chǎn)生畸變磁場(chǎng)；陣列TMR傳感器拾取缺陷附近的磁場(chǎng)信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理放大電路和采集卡進(jìn)入PC機(jī)的缺陷識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析，判斷有無(wú)缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行定量識(shí)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(qiáng)度高。系統(tǒng)選擇Tektronix泰克AFG 1022任意波形/函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，它包括雙通道、25 MHz帶寬和高達(dá)10Vp-p(峰峰值)的輸出幅度，4種運(yùn)行模式、50種內(nèi)置常用波形和內(nèi)置200 MHz頻率計(jì)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(yàn)和測(cè)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(diǎn)，能夠直接連接到計(jì)算機(jī)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(dá)500 kHz；并且USB 2086的數(shù)據(jù)采集卡支持系統(tǒng)所應(yīng)用的LABVIEW語(yǔ)言的平臺(tái)驅(qū)動(dòng)。

PC機(jī)中的缺陷識(shí)別系統(tǒng)是ACFM檢測(cè)系統(tǒng)的另一核心部分[8]，圖7是利用LABVIEW軟件作為平臺(tái)開發(fā)的ACFM缺陷識(shí)別系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與檢測(cè)界面，主要由數(shù)據(jù)采集程序、實(shí)時(shí)檢測(cè)程序、缺陷定量程序三個(gè)部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、信號(hào)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(duì)應(yīng)，可以根據(jù)實(shí)際情況，由通道設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)采集特定探頭信號(hào)的功能。信號(hào)采集后，Bx與Bz曲線圖可實(shí)時(shí)顯示在檢測(cè)界面。缺陷是否存在，主要通過(guò)觀察Bx與Bz曲線是否出現(xiàn)符合ACFM檢測(cè)原理的峰谷值來(lái)判斷，且能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷報(bào)警功能。最后進(jìn)行缺陷定量分析，根據(jù)Bz信號(hào)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(shí)別系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與缺陷檢測(cè)界面

圖8　ACFM檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物照片與探頭檢測(cè)示意

3　性能試驗(yàn)

依照上述設(shè)計(jì)搭建完整的ACFM檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)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(cè)試系統(tǒng)的靈敏度、精度、檢測(cè)范圍等性能，進(jìn)行兩組試驗(yàn)，對(duì)不同尺寸的裂紋進(jìn)行了檢測(cè)。裂紋尺寸見表3，系統(tǒng)激勵(lì)頻率6 kHz[11]，激勵(lì)電壓5 V。

表3　各裂紋尺寸　mm

3.1靈敏度測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度和缺陷檢出能力，使用該系統(tǒng)對(duì)細(xì)小裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)。裂紋1、2、3位于同一鐵板試件，依次對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)，采集1號(hào)探頭的Bx，Bz信號(hào)，保存數(shù)據(jù)后由MATLAB處理并繪制的信號(hào)如圖9所示。由圖可見，三個(gè)缺陷的Bx,Bz信號(hào)都有明顯畸變特征，且Bz峰峰間距能反映裂紋長(zhǎng)度信息，Bx波谷值能反映裂紋深度信息，符合ACFM檢測(cè)原理。該試驗(yàn)證明系統(tǒng)能檢測(cè)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(cè)時(shí)，高靈敏度能保證系統(tǒng)對(duì)缺陷的檢出率，降低漏檢風(fēng)險(xiǎn)。

圖9　裂紋1～3檢測(cè)信號(hào)

圖10　裂紋缺陷4的檢測(cè)信號(hào)

3.2檢測(cè)范圍測(cè)試

用陣列探頭對(duì)缺陷4進(jìn)行檢測(cè)。由于對(duì)稱性，系統(tǒng)采集1～4號(hào)探頭的Bx,Bz信號(hào)，保存數(shù)據(jù)后由MATLAB處理并繪制的四個(gè)探頭的Bx,Bz信號(hào)如圖10所示?？梢钥闯?，位于缺陷正上方的1號(hào)探頭的Bx,Bz信號(hào)畸變量最大，且探頭偏移缺陷中心位置的距離越大，信號(hào)畸變量越小，因此該陣列探頭能夠確定缺陷位置。同時(shí)，3號(hào)探頭的Bx信號(hào)仍有明顯的畸變特征，而Bz信號(hào)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(cè)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(shí)40 mm的有效檢測(cè)范圍是單探頭的4倍，大大提高了檢測(cè)效率。

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

4　結(jié)論

基于交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，采用寬U型激勵(lì)和高靈敏度的TMR傳感器，設(shè)計(jì)了一種新型陣列ACFM檢測(cè)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(cè)試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：

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

(2) 由于采用高靈敏度的TMR傳感器，設(shè)計(jì)的ACFM系統(tǒng)能夠檢測(cè)出寬度0.1 mm、深度1 mm的細(xì)小裂紋，而且信號(hào)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(hào)畸變量很小，不能有效檢測(cè)缺陷，因此單探頭的有效檢測(cè)范圍是10 mm。該陣列探頭的TMR設(shè)計(jì)間距為5 mm，能有效防止漏檢。同時(shí)，探頭具有40 mm的有效檢測(cè)范圍，檢測(cè)范圍是單探頭的4倍，能夠?qū)崿F(xiàn)工件的大面積檢測(cè)。

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574276)；山東省自然基金資助項(xiàng)目(ZR2015EM009)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(YCX2015039)。

吳衍運(yùn)(1989-),男，碩士,主要研究方向?yàn)楹Ｑ笥蜌庠O(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)，傳感器設(shè)計(jì)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