基于GMR传感器的无损探测系统的设计

刘建文 ，钱正洪，白 茹，朱礼尧

(杭州电子科技大学磁电子中心，浙江杭州 310018)

1 基本原理

1．1 涡流检测基本原理

涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的一种无损探测方法，适用于导电材料。把一块导体置于交变磁场之中，根据法拉第电磁感应原理可知导体中就有感应电流存在，即产生涡流。由于导体自身各种因素(如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等)的变化，会导致感应电流的变化，利用这种现象判断导体性质、状态的检测方法，即涡流检测方法[3]。

电涡流检测中，阻抗分析法是应用最广泛的一种涡流分析方法。检测过程中的许多检测参数，如试件的厚度、磁导率、电导率、缺陷尺寸、提离等，都会对检测结果产生影响。

在阻抗分析方法中，把激励线圈置于被测金属导体上方时的相互作用模型等效为变压器中原边线圈和次边线圈的关系，如图1所示。其中，探头激励线圈被看成变压器初级线圈，被测导体中电涡流环被看成次级线圈，激励线圈的模型是带有交流激励的电阻和电感串联的形式，被检测导体的模型是闭合的电阻与电感串联的形式。

图1 涡流探测模型

图1中R1和L1表示激励线圈的等效电阻与电感；R2与L2表示被检测体的等效电阻与电感；I1代表原边线圈中的电流；I2代表次边线圈中的电流。根据基尔霍夫电压定理得：

I1R1+jwL1-I2jwM=U

(1)

-I1jωM+I2R2+I2jωL2=0

(2)

由式(1)、式(2)可得：

(3)

当变量R2从∞逐步减至0，或者L2从0增大到∞时，可得到一条阻抗平面线，如图2所示。对应曲线中的每一点，可得到相应的副边线圈的参数，也就是表征在电涡流检测中被测物体的缺陷参数。

图2 阻抗平面图

1．2 GMR传感器特性

GMR传感器是用4个巨磁电阻(GMR)构成的惠斯登电桥结构，采用该结构可以有效地减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，并可以增加传感器灵敏度。 由于R1、R2、R3、R44个电阻都采用相同的GMR材料，使得在温度变化时，4个电阻条的电阻变化率相同，可以互相抵消由温度变化产生的压降，这样就可以有效抑制温漂。

设计采用课题组自主研发的二维自旋阀GMR传感器SAS022作为磁敏感元件。SAS022的输出曲线如图3所示，在-10～+10 Oe(1 Oe=79.578 A/m )范围内，传感器的灵敏度为3．67mV/(V-1Oe-1)。从图中可以看出，在一定的范围内，SAS022具有良好的线性度，适合作为检测探头。

图3 SAS022传感器在 -10 Oe～+10 Oe的响应曲线

2 基于GMR传感器的无损探测系统设计

在常规的涡流检测中，当检测探头检测到缺陷数据时，需要人工对照到阻抗平面图中查找相互的缺陷参数，再经过计算得出相应的结论。为了减少常规涡流检测中的人工干预程度，提高自动化检测程度，设计了一款新型的无损检测系统。

图4为无损探测系统原理框图。该系统采用AD9850直接频率合成器和TDA2030A功放芯片搭建交变电流激励信号发生电路。右侧为探测系统探头部分，上部为带铁芯线圈，下部为GMR磁传感器。

图4 系统原理框图

2．1 交变电流信号发生电路

交变电流激励电路选用AD9850集成芯片。AD9850是一款频率和相位可通过编程控制的模拟信号发生器芯片，采用CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS (Direct Digital Synthesizer)系统、高性能模数变换器(DAC)和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成[5]。

DDS系统主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器3个部分。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据DDS频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度(芯片一般通过查表得到)。DDS芯片输出经过高速D/A转换器得到一个可用的模拟频率信号[6]。

AD9850正弦波发生电路如图5所示。图中RESET引脚为复位，WCLK为时钟信号引脚，RQ_UP为频率更新引脚，这3个在编程中用到。IOUT为信号输出引脚。

图5 AD9850正弦波发生电路图

2．2 功率放大电路

由于前一级的AD9850产生的信号幅值比较小，电流驱动能力较弱。要驱动线圈产生交变的磁场，需要加一级功放电路，以提高电路的驱动能力。

功率放大电路采用TDA2030A功放芯片。TDA2030A输出功率比较大，可以满足系统设计的要求，在输出电阻为4 Ω时，输出功率可以达到18 W。芯片采用超小型封装(TO-220)，也可提高组装密度[7]。

TD2030A功放电路如图6所示，电路中，C22、C23、C27、C28为电源滤波电容。电阻R8(2．2 kΩ)、R9(50 kΩ可调电阻)决定放大器的闭环增益，电容C29(220 nF)与电阻R7(1 Ω)对感性负载(线圈)进行相位补偿来消除自激，OUT引脚输出交变电流。

2．3 GMR磁传感器探头

GMR磁传感器探头是探测系统的核心部分。目前的电涡流探测系统主要采用线圈作为敏感元件。而GMR传感器作为新型的磁敏传感器，与线圈、AMR传感器相比，具有体积小、灵敏度高、线性度好、磁场分辨率高且不需要置位/复位电路来消除磁滞等优点[8]。

由于GMR芯片采集磁场得到的电压信号为几十nV或十几mV左右，必须经过放大处理才容易进行后续处理，所以要对采集到的信号进行放大。

图6 功放电路图

图7 GMR传感器调理电路

GMR传感器调理电路如图7所示，传感器可在3～20 V之间正常工作，由于传感器输出频率都比较低，所以在电源端增加一个大电容进行滤波，OUT-和OUT+两个端口就是传感器差分输出的模拟量电压，输出到LM358放大芯片。系统中传感器采用3 V电压供电，并在电压输入端增加一个4．7 μF的大电容进行滤波，传感器差分输出信号接入到LM358放大器进行放大处理。

3 实验结果与分析

3．1 ANSOFT软件仿真

被测物体用一块400 mm×400 mm×20 mm的铝板模拟，在铝板的正上方线圈根据实际情况建立铜漆包线的线圈模型，通以交变电流的激励源。缺陷情况通过在铝板的上表面人为设置一个400 mm×2 mm×2 mm的凹槽来模拟。

图8为ANSOFT软件建立的仿真模型。左侧为无缺陷时，右侧用人为设置的凹槽来模拟缺陷的模型图。

图8 ANSOFT仿真模型

根据仿真结果可知，当线圈模型中加以200 mA的激励电流时，在有缺陷和没有缺陷的情况下，铝板上方的磁场变化量可以达到0．3 mT，可以通过GMR磁传感器来检测。

3．2 线圈磁感应强度与电流关系

GMR探头结构如图9所示。其中，GMR传感器选用SAS022传感器，线圈选用半径r=0．31 mm的漆包线绕制125匝，选用66 mm×18 mm的硅钢片填充线圈的中心。

图9 GMR探头结构

图10为线圈中心的磁感应强度随电流的变化关系图，上面为带铁芯线圈的曲线，下面为无铁芯线圈的曲线。图10中，1 Gs=10-4T.图中的电流与磁感应强度均为有效值。从图中明显可以看出，增加铁芯后，线圈中心的磁感应强度明显增大，从而提高系统的灵敏度。

图10 磁感应强度随电流变化关系图

3．3 系统测试

测试装置示意图如图11所示。

图11 测试装置示意图

当激励源的频率为1．97 kHz，通过线圈的电流为59．2 mA时，探头经过被测金属的边缘处时，即从图中A点经过B运动到C点时，传感器的输出波形如图12所示。图中，V1=1．85 V，V2=1．14 V，输出电压幅值变化为704 mV.可以看出，在被测金属的边缘片处传感器输出电压幅值会发生明显的变化，探头可以有效探测金属物体的边缘。

图12 探头经过被测金属边缘处时输出波形

探头经过被测金属的缺陷处时，传感器输出波形如图13所示。图中上半部分为传感器探头从带有缺陷的铝板上方沿垂直于缺陷方向运动时的输出波形图，下半部分为输出波形的局部放大图，从图中可以看出，有无缺陷处的输出电压幅值变化为124 mV.对比有无缺陷时的输出曲线，可以看出，在缺陷处传感器输出电压幅值会明显增大，指示缺陷的存在。

图13 探头经过被测金属缺陷处时输出波形图

4 结束语

文中使用新型、高灵敏度的GMR传感器作为磁敏感元件设计了一款新型的无损检测系统。通过ANASOFT软件仿真与实验验证，该系统可以灵敏地检测金属的缺陷有无及缺陷位置，同时也可以检测金属体的边缘。与常规电涡流检测系统相比，该系统减少了人工干预程度，便于实现自动化检测。

参考文献：

[1] 任吉林，林俊明，高春法．电磁检测．北京：机械工业出版社，2000.

[2] 张俊哲．无损检测技术及其应用.北京：科学出版社，1993.

[3] 张会云，严仍春，楼敏煮．阻抗平面显示技术在涡流检测信号处理中的应用．无损检测，2003(1)：44-47.

[4] 陈亮，阙沛文，黄作英，等．一种新型磁阻式传感器在露磁检测中的应用．传感器技术，2004(10)：75-77，79.

[5] OBEID S，TRANJAN F M，DOGARU T．Eddy current testing for detecting small defects in thin films．Review of Progress in Quantitative Nondestruetive Evaluation，2007，26A and 26B.

[6] 范孟豹，黄平捷，叶波，等．脉冲涡流解析模型研究．浙江大学学报(工学版)，2009(9)：1621-1624.

[7] 任吉林．涡流检测技术近20年的发展．无损检测，1998(5)：121-125，128.

[8] 钱正洪，白茹，黄春奎，等．先进磁电子材料和器件．仪表技术与传感器，2009(1)：96-101．