一種基於巨磁電阻傳感器的金屬導體缺陷識別及估計方法

2023-05-30 02:35:21 1

專利名稱：一種基於巨磁電阻傳感器的金屬導體缺陷識別及估計方法
技術領域：
本發明屬於無損檢測技術領域，涉及一種電渦流缺陷識別及估計方法。
背景技術：
電渦流無損檢測是基於電磁感應原理的一種無損檢測技術，具有不需要耦合劑，非接觸測量，易於實現自動化測量，工藝簡單，操作容易和檢測速度快等優點，在導電材料的無損探傷中有著廣闊的應用前景。傳統的電渦流檢測通常採用線圈作為檢測探頭，靈敏度和頻率成正比，檢測深度和檢測範圍有限。巨磁電阻(Giant Magneto Resistance)傳感器由於其檢測靈敏度不受激勵頻率的影響，大大增加了渦流檢測的適用範圍。同時巨磁電阻具有體積小、對磁場方向敏感等優點，在電渦流檢測中越來越受到重視。已有的基於巨磁電阻傳感器的激勵和測量系統採用多種不同方式。典型的激勵方式有正弦激勵和脈衝激勵[1-3]。在正弦信號激勵下，以巨磁電阻作為檢測元件採集缺陷周圍磁場信號進行分析的方法主要是提取巨磁電阻輸出電壓幅值、峰峰值或有效值作為評估分析的對象[4-11]。主要方法是對電壓幅值、峰峰值或有效值進行分析處理，對處理的信息採用反演算法判斷缺陷的位置和進行定量評估[12，13]。但是在使用巨磁電阻作為檢測元件的渦流檢測中，採用輸出電壓幅值、峰峰值或有效值進行缺陷分析存在信息量不足的缺點。例如，渦流場的集膚效應使得表面下的缺陷磁場強度微弱，微小的表面缺陷與深層的亞表面大缺陷可能產生相同的缺陷幅值信號，所以僅從檢測信號輸出強度的大小來斷定缺陷的大小容易造成誤判。檢測探頭在對試件掃描時，幅值、相角均會在缺陷的上方和缺陷的兩側發生變化，在使用巨磁電阻作為檢測元件的渦流檢測中，引入相角作為信號分析對象，同時參考輸出信號的幅值和相角兩種變量進行分析，可以有效彌補單一採用幅值作為參考量所造成的數據特徵不足。參考文獻:[I] J.Kim, G.Yang, L.Udpa, et al., Classification of pulsed eddy currentGMR data on aircraft structures, Ndt&E International, vol.43, pp.141-144, Mar2010.
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(6)根據幅值和相角信息對掃描位置是否存在缺陷進行判斷，若輸出信號的幅值和相角出現波峰或波谷，則判斷所掃描的區域存在缺陷；(7)若存在缺陷，分別在兩個曲線上對缺陷所在區域的幅值峰峰值和相角圖形峰峰值的水平距離進行比較，取幅值圖形峰峰值水平距離和相角圖形峰峰值水平距離中兩者的較小值，利用該較小值所對應的檢測探頭的掃描過程中的位置變化，對缺陷的位置和大小進行估計，缺陷的大小小於該位置變化。本發明採用巨磁電阻作為磁檢測元件，利用幅值和相角兩種信息進行金屬導體的缺陷估計，缺陷信息豐富，大大降低了漏檢的可能性，且該方法不直接接觸被測試件，無需大量數據計算，無需複雜算法，可以進行快速大範圍檢測，適用於表面和亞表面缺陷，特別是對於亞表面缺陷，大大降低漏檢和誤檢的可能性。本發明的檢測方法，響應速度快，實時性好，且測量過程簡單，造價低，易於實現。


圖1、(a)檢測探頭及被測試件的軸向示意圖及探頭掃描方向；圖(b)檢測探頭及被測試件的截面示意圖及探頭掃描方向；圖2、巨磁電阻偏置於工作區的原理3、輸出信號幅值、相角圖形及其圖形峰峰值水平距離示意4、基於巨磁電阻傳感器的電渦流檢測系統及檢測方法結構示意中:1、激勵線 圈2、巨磁電阻傳感器3、被測試件4、表面缺陷5、亞表面缺陷6、永磁體7、巨磁電阻晶片敏感軸方向 8、探頭掃描方向9、微處理器10、激勵信號通道電路11、檢測信號通道電路12、顯示器
具體實施方式
:本發明的檢測探頭由激勵線圈1、巨磁電阻傳感器2和永磁體6組成。巨磁電阻傳感器2、激勵線圈I與永磁體6的配置如圖1所示，巨磁電阻傳感器2固定於激勵線圈底部，永磁體6固定於激勵線圈的外側。微處理器9與激勵信號通道電路10和檢測信號通道電路11相連，微處理器9經過解調後獲得幅值和相角信息，以幅值隨探頭位置變化的曲線形式和相角隨探頭位置變化的曲線形式通過顯示器12輸出。激勵信號通道電路10與激勵線圈I相連，巨磁電阻傳感器2與檢測信號通道電路11相連。本系統採用正弦信號作為激勵源信號。微處理器9產生的激勵信號經激勵信號通道電路10放大後作用於激勵線圈1，產生激勵磁場，巨磁電阻傳感器2的敏感軸正交於激勵磁場方向，永磁體6將巨磁電阻的輸出偏置到線性工作區(如圖2所示，由於巨磁電阻的輸出特性為單極性輸出，所以永磁體6的存在使巨磁電阻在沒有其他磁場的時候也輸出一個恆定值，這樣可以在巨磁電阻感受到正弦電磁場的時候輸出完整的正弦信號)。巨磁電阻傳感器2敏感於由缺陷引起的磁場，且其輸出也為與激勵信號同頻的正弦信號，巨磁電阻傳感器2的輸出信號，經過檢測信號通道電路11進行信號調理，送入微處理器9對該信號進行解調，可獲得巨磁電阻傳感器2輸出信號的實部和虛部，並可進一步推算出幅值和相角信息。採用商用xy坐標平臺(例如固高兩維直流伺服數控工作檯GXY2020VD4)記錄探頭掃描過程中的位置，顯示器12分別顯示幅值隨探頭位置變化的曲線和相角隨探頭位置變化的曲線，以此為基礎判斷缺陷的位置和大小。當探頭在被測試件3表面沿直線掃描時(掃描過程中要保持巨磁電阻晶片敏感軸方向7平行於探頭掃描方向8),如果巨磁電阻傳感器2輸出信號的幅值A和相角0為常數，此時幅值A隨探頭位置變化的曲線和相角0隨探頭位置變化的曲線均為直線，可以認為被測試件3無缺陷；如果巨磁電阻傳感器2輸出信號的幅值A或相角0不是常數，此時幅值A隨探頭位置變化的曲線或相角0隨探頭位置變化的曲線為圖3所示的圖形，可以認為被測試件3有缺陷，與此同時，商用xy坐標平臺記錄探頭掃描過程中的位置。計算幅值峰峰值的水平距離Da和相角峰峰值的水平距離De，然後比較幅值峰峰值的水平距離Da和相角峰峰值的水平距離00 (峰峰值水平距離的定義如圖3所示)，取04和00這兩個數值中的最小值對缺陷的大小進行估計，可以認為缺陷實際大小略小於min(DA, De)。(由於缺陷周圍的渦流存在一定的寬度，因此渦流的峰峰值的水平距離會大於缺陷的範圍，可以以此來估計缺陷的範圍。)測量方法具體包括以下步驟:( I)檢測探頭在試件3表面掃描，保持探頭掃描方向8和巨磁電阻晶片敏感軸方向7平行；(2)如果發現幅值A隨探頭位置變化的曲線或相角0隨探頭位置變化的曲線為圖3所示的圖形，可以認為被測試件3有缺陷。與此同時，商用xy坐標平臺記錄探頭掃描過程中的位置；(3)計算幅值峰峰值的水平距離Da和相角峰峰值的水平距離De，取Da和De這兩個數值中的最小值對缺陷的大小進行估計，可以認為缺陷實際大小略小於min(DA，De)。例如:在線圈I中施加大小為208mA，激勵頻率為IkHz的激勵電流。被測試件3為6061鋁合金平板，該鋁合金平板的電導率約為26.lMs/m，鋁合金板上存在人工加工的表面缺陷4和亞表面缺陷5。對鋁合金平板進行掃描，掃描時巨磁電阻傳感器的敏感軸7平行於探頭的移動方向8，掃描以0.9_為步長進行數據採集。當掃描亞表面缺陷時，由於幅值和相角所具有不同的性質，並不能保證幅值和相角都清晰的表現出波峰和波谷的形式，這時候僅有相角表現出清晰的波峰和波谷的圖形，可以判斷試件中在該位置處存在缺陷。本實施例中，測得的表面缺陷的幅值峰峰值的水平距離Da=25.2mm，虛部峰峰值的水平距離D0 =23.4mm，此時Da和De相比較，最小值為23.4mm，則可以判斷在傳感器的移動方向上，試件中存在缺陷，該缺陷的大小小於23.4mm。本實施例中，測得的亞表面缺陷的相角峰峰值的水平距離00=29.7mm，測得的亞表面缺陷的幅值曲線圖形不能清晰的反映出波峰和波谷的形式，則在傳感器的移動方向上，該亞表面缺陷的大小小於29.7mm。
權利要求
1.一種基於巨磁電阻傳感器的金屬導體缺陷識別及估計方法，該方法所採用的檢測探頭包括激勵線圈、巨磁電阻傳感器和永磁體，巨磁電阻傳感器固定於激勵線圈的底部，永磁體固定於激勵線圈的外側，包括下列步驟: (1)將檢測探頭放置於被測試件表面，對激勵線圈施加正弦信號，移動檢測探頭對被測試件進行掃描，掃描過程中保持巨磁電阻敏感軸方向平行於探頭掃描方向； (2)對巨磁電阻傳感器的輸出信號進行濾波和放大處理； (3)對經過濾波和放大處理的巨磁電阻傳感器的輸出信號進行解調，獲得實部和虛部，並可進一步推算出幅值和相角信息； (4)記錄檢測探頭掃描過程中的位置； (5)分別繪製幅值隨探頭位置變化的曲線和相角隨探頭位置變化的曲線； (6)根據幅值和相角信息對掃描位置是否存在缺陷進行判斷，若輸出信號的幅值和相角出現波峰或波谷，則判斷所掃描的區域存在缺陷； (7)若存在缺陷，分別在兩個曲線上對缺陷所在區域的幅值峰峰值和相角圖形峰峰值的水平距離進行比較，取幅值圖形峰峰值水平距離和相角圖形峰峰值水平距離中兩者的較小值，利用該較小值所對應的檢測探頭的掃描過程中的位置變化，對缺陷的位置和大小進行估計，缺陷的大小小於該位置變化。
全文摘要
本發明屬於無損檢測技術領域，涉及一種基於巨磁電阻傳感器的金屬導體缺陷識別及估計方法，該方法所採用的檢測探頭包括激勵線圈、巨磁電阻傳感器和永磁體，巨磁電阻傳感器固定於激勵線圈的底部，永磁體固定於激勵線圈的外側，包括將檢測探頭放置於被測試件表面，對激勵線圈施加正弦信號，移動檢測探頭對被測試件進行掃描；對巨磁電阻傳感器的輸出信號進行解調，得到幅值和相角信息；記錄檢測探頭掃描過程中的位置；分別繪製幅值隨探頭位置變化的曲線和相角隨探頭位置變化的曲線；對掃描位置是否存在缺陷進行判斷；估計缺陷的位置及大小。本發明具有操作簡單，響應速度快，實時性好，同時具有判斷和估計準確，易於實施等優點。
文檔編號G01N27/90GK103163216SQ20131008121
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者王超, 高鵬, 李藩為 申請人:天津大學