gmr传感器在无损检测中的研究与应用

摘要
摘要
在飞机、船舶、汽车等建造工业领域生产中，无损检测作为其关键部位零器件缺损情况检测最重要的手段之一，无损检测技术在探测关键部位零器件缺陷、消除潜在的安全隐患、保障设备的安全运行等方面发挥着极其重要的作用。

其中，如何提高检测精度是目前亟需解决的一大难题。

本文将以此为背景，应用无损电涡流检测原理，引入高灵敏度的巨磁电阻（GMR）芯片，设计了一款新型的无损探测系统。

本文首先对电涡流探头的结构进行了研究，传统的线圈式探头其灵敏度随着工作频率的降低而减少，现有的基于传感器芯片的电涡流探头，内部采用一个单一的激励线圈，当通入交流电时激发的磁场会对涡流信号造成干扰，进而影响缺陷检测。

鉴于此，本文对探头的结构作了改进即在激励线圈的基础上再额外增加一个消除线圈，以此降低激励场对涡流信号的干扰，从而提高检测精度。

本文利用有限元软件ANSOFT MAXWELL模拟仿真了一个无损检测模型，在其中涡流检测探头的结构上增加了一个消除线圈，通过仿真结果得出：相比于常规式只有单一激励线圈的探头，新型的GMR探头采用了双线圈，且线圈中心芯片放置处磁场变化量更大而周围磁场较弱。

随后实物制作了这款具有高信噪比的巨磁电阻（GMR）电涡流探头。

其次本文还针对新型的探头设计并改进了一个无损检测系统，系统设计主要分为硬件电路和软件两个部分，其中硬件电路设计主要有正弦波发生电路、功率放大电路以及信号调理电路。

正弦波发生电路采用单片机控制DDS芯片的方式来产生一定频率的正弦波，信号调理电路则采用锁相放大、放大和低通滤波的方式对探头的原始输出信号作相应的调理；软件方面集中在单片机编程控制芯片产生正弦波和后续数据处理上利用数据采集卡和LABVIEW编程实现数据信息的实时处理和观测。

通过后期PCB板的调试，系统中各模块能发挥各自良好的功能。

最后对以上所设计的无损检测系统进行了试件缺陷检测，通过多组实验数据的对比得出结论：新型结构的GMR探头能够检测试件中的缺陷并且检测精度较高。

关键词：无损检测，GMR，检测精度，缺陷检测
ABSTRACT
ABSTRACT
As one of the most significant inspection methods, nondestructive test(NDT) plays a vitally important role in inspecting defects of key components, eliminating potential security issues and guaranteeing devices normal operation ranging from aerospace industry to naval and automotive manufacture. However, how to improve detection accuracy is a complex and urgent problem to tackle. Based on the principle of low-frequency Eddy Current Testing, a novel experimental scanning system using Giant Magneto-Resistance(GMR) sensors is studied.
Firstly, the configuration of probe is studied. The sensitivity of conventional pick-up coil reduces with decreasing frequency. And the eddy current probe based on GMR with only one exciting coil has lower detection accuracy when inspecting defects due to turbulence of exciting field. For that matter, what the configuration of the GMR probe developed is to add one extra cancellation coil aimed to minimize the applied magnetic field at the sensor position. In this thesis, a non-destructive test model is created and simulated through software ANSOFT MAXWELL. The results show that the magnetic field at the sensor position varies greatly while it is small around the sensor. Then the novel probe is made in-kind according to the simulation model.
Secondly, a experimental scanning system which mainly consists of hardware circuit and software design is created especially for the novel probe. The hardware part includes signal generation circuit, power amplifier circuit and signal condition one. And the signal generation circuit is used for generating a sine wave to excite the coil, the signal condition one mainly contains lock-in amplifier and low-pass filter circuit for initially conditioning experimental data before further processing. The software part focuses on Micro Controller Unit (MCU) program for controlling DDS chip and LABVIEW program in order to achieve real-time processing and observation of data. After debugging, the whole module is under normal operation.
Finally, an nondestructive test is conducted. And the experimental results indicate that the novel GMR probe with higher detection accuracy can detect the flaws seated in the specimen.
Key words: NDT, GMR, detection accuracy , flaws detection
目录
第一章绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 电涡流检测技术及发展电涡流检测技术 (2)
1.3 电涡流检测探头的研究现状及进展 (3)
1.3.1自零涡流探头 (3)
1.3.2滑动涡流探头 (4)
1.3.3基于GMR的旋转场涡流探头 (5)
1.4 巨磁电阻效应及其在电涡流检测应用中的进展与现状 (7)
1.5 本论文的主要研究内容 (8)
第二章电涡流检测技术理论基础 (10)
2.1 电涡流检测技术的阻抗分析法 (10)
2.2 涡流趋肤效应 (14)
2.3 有限元计算方法及涡流场分析 (17)
2.3.1涡流场三维数学模型 (17)
2.3.2三维涡流场有限元分析方法 (19)
2.4 涡流大小影响因素 (23)
2.4.1提离对探头阻抗的影响 (23)
2.4.2线圈半径、匝数对探头阻抗的影响 (24)
2.4.3试件材料本身的电导率、磁导率对探头阻抗的影响 (24)
2.4.4激励频率对探头阻抗的影响 (24)
2.5 小结 (25)
第三章基于GMR无损检测系统仿真及探头设计 (26)
3.1 GMR无损检测系统模型仿真 (26)
3.1.1仿真软件Ansoft Maxwell简介 (26)
3.1.2涡流无损检测系统仿真模型建立 (26)
3.1.3仿真结果分析 (28)
3.2 GMR无损检测探头的设计 (30)
3.2.1线圈式电涡流探头特性分析 (31)
3.2.2GMR传感器的工作原理 (32)
3.2.3GMR传感器探头的结构 (33)
3.3 小结 (35)
第四章基于GMR无损检测系统的设计与实现 (36)
4.1 系统主要硬件电路设计 (36)
4.1.1正弦波发生电路 (36)
4.1.2功率放大电路 (40)
4.1.3GMR传感器探头电路 (42)
4.1.4信号调理电路 (46)
4.1.5PCB板制作与调试 (49)
4.2 系统软件设计 (50)
4.2.2正弦波产生软件设计 (51)
4.2.3数据采集及软件设计 (52)
4.3 测试结果与分析 (52)
4.3.1线圈内部磁场的变化 (53)
4.3.2GMR探头缺陷检测与结果分析 (55)
4.4 小结 (58)
第五章结论 (60)
5.1 结论 (60)
5.2展望 (61)
致谢 (62)
参考文献 (63)
攻读硕士期间取得的研究成果 (65)
第一章绪论
第一章绪论
1.1研究背景及意义
在飞机、船舶、汽车等建造工业领域生产中，飞机的工作环境十分恶劣，随着时间的推移，其多层搭接结构里层容易出现很多问题，如腐蚀、层间剥离、脱铆等，造成结构强度、抗疲劳性能难以保持，不仅会给飞机适航性产生负面作用，更有甚者会引发重大的空难事故[1]；船舶在建造中船体的合拢都离不开焊接，焊接过程中由于技术本身和人为因素会造成船体本身相应缺陷，焊接部位上的某些缺陷外观上可用肉眼观测出然后予以处理，但船体内部一些复杂零部件的焊接可能会产生无法用肉眼观测出的深层缺陷，同时国际大型货运船只由于常年航行船体会受到海水的侵蚀，也会产生相应的缺陷，如不及时检测处理会给航行埋下安全隐患；同样对于支撑发达陆运交通的汽车制造业来说，车的安全性也是一个不容忽视的问题，这其中就会涉及到对车的关键零件的缺损检测，因为有些零件比如保证汽车稳定行驶和灵敏传递行驶方向的转向节以及作为盘式制动器摩擦偶件的制动盘，他们都需要具备很高的强度和刚度，但在汽车长期运行交变应力的作用下[2]，零件内部一些细小的裂纹会慢慢向外扩散，虽然早期并不会造成严重的后果，但却给驾驶人和乘客埋下了安全隐患。

因此，需要一种可靠性和自动化程度都很高的检测手段对上述领域中的关键零器件进行检测，面对这种需求，人们提出了一种无损检测技术。

无损检测（Non-Destructive Testing）技术，即检测过程中不会给目标物体造成负面影响，其性能、用途始终与检测前保持一致。

通过这项技术进行处理，能够准确发现物体内、外各方面缺陷。

它在保证产品质量和保障使用安全的同时降低了生产成本，改进了生产工艺。

当前国内外通常使用的无损检测方法主要包括超声波探测、射线探测、磁粉探测、渗透探测以及涡流探测五种方法[3-7]。

上述方法中的前四种都各自有着不同程度上的劣势，比如超声波检测不能得到直观的检测图像，难以定性，并且材料本身的材质和晶粒度也会对检测的结果造成影响，除此之外检测时还需要耦合剂；射线探测的检出率受很多因素影响，成本高且最大的缺点在于放射源，因为射线会对人体产生伤害，不宜大规模使用；磁粉探测对被检测的材料有要求，即必须是铁磁性金属材料，而且它局限于检测试件表面和近表面的缺陷，对于深层缺陷检测精度大大降低，同时自动化程度也不高；渗透探测的劣势就更为明显，检测步骤繁琐，速度慢、成本高，并且相比之下灵敏度最低。

电涡流无损检测方法较
之前述的四种，其优势明显突出，具有非接触性，检测速度快，可靠性高，对于所有的导电材料都适用。

除了用于缺陷检测以外，该技术还可对材料或者工件物理系数进行测量，如电导率、磁导率等。

但是，涡流检测同样有着许多需要改进的地方，比如所得结果并不直观，无法准确判定缺陷大小、外形等，经过理论与技术两方面的发展，上述问题已得到有效改善。

本文根据无损检测技术相关特点，设计出精度更加理想的GMR涡流探头，并针对探头研发一个无损检测电涡流系统，给飞机、船舶、汽车等制造业重点关注的安全性与可靠性提供了保障，具有非常明显的现实意义。

1.2 电涡流检测技术及发展电涡流检测技术
电涡流检测技术[8-11]是一种基于电磁感应原理的无损检测技术，其示意图如1-1所示。

图1-1 电涡流检测基本原理图
当线圈中通入交变信号时，由法拉第电磁感应定律可知，线圈周围与被测金属导体中将出现交变磁场，如果被测金属物体位于磁场内，便会出现旋涡状感应电流，也就是电涡流。

被测物体内出现的电涡流与其物理属性直接相关，如电导率、形状大小等，如果可以利用传感线圈、HALL等磁场传感器明确物体的磁场表现，便能够获得许多有用信息，方便确认细纹、裂缝等问题。

电涡流现象确认至今已过去100多年[12]。

最早是由十九世纪法国物理学家傅科提出的，随后的七十多年里，涡流技术一直不断向前发展，到1879年，英国休斯利依靠感应电流方法完成了金属物体的检测。

对于无损检测领域而言，这是一
第一章绪论
次革命性的突破，也是电涡流物理现象真正用于实践检测的伟大标志。

由于当时电涡流检测技术缺乏理论基础，实验条件简陋，测量的结果可靠性低，这个发现直到第二次世界大战以后才被应用到工业上。

至上世纪五十年代，德国Friedrich Forster建立了阻抗分析法[13]，给研发无损检测设备创造了新的可能。

自此，电涡流无损检测技术迈向实践发展阶段，Forster博士随后又提出了非常完善的电涡流理论，被人们尊称为“电涡流检测技术之父”。

直到现在，将阻抗分析确定成前提的无损检测技术依然是目前最常见的方法。

1970年，美国Libby开发出多频涡流技术(Multi-frequency ECT)[14]。

他将多频信号作为激励源，并对各个频率的信号都进行了阻抗分析，通过去除大量干扰因素，进一步保证检测精度与结果的可靠性。

20世纪80年代初，Witting等人在多频涡流技术的基础上将矩形脉冲信号通入激励线圈，并对接收的信号进行了频谱分析。

1984年，Schmidt TR提出了远场涡流场技术，该技术基于在导电管中螺旋激励线圈周围发生的一个实验现象，即在管中没有受到激励器直接耦合的区域却受到来自穿透管壁的通量耦合。

该技术适用于检测物体的凹坑、裂纹以及腐蚀，其特征是物体内外的凹坑都具有近似同等的灵敏度。

以上研究成果全部为远场涡流技术奠定了理论基础[15]。

在现代工业持续进步的同时，无论检测技术逐渐受到航天、核电等行业的重视，且各方面成果已非常显著。

目前，无损检测研究的重点主要集中在理论和技术两个方面。

理论方面包括涡流检测正向、逆向问题研究，涡流检测的可靠性研究；技术方面则集中在高性能电涡流探头及其检测系统的开发，同时将一些新技术如模式识别、小波分析、ANN（人工神经网络）等应用到无损检测中[12,16-22]。

1.3 电涡流检测探头的研究现状及进展
高性能探头的设计是当前电涡流检测技术的研究热点之一，在航空业中的巨大应用也日益凸显。

航空部件如机翼及其连接机身的搭接件由于受到机械应力的影响，在其接合件孔周围容易疲劳损伤，从而出现裂痕。

通常检测这类缺陷所采用的涡流检测技术有自零涡流探测、滑动涡流探测，但是这类传统方法由于电磁场趋肤深度限制了其检测次表面缺陷的能力。

因此为了提高检测紧固件缺陷的能力，最近研究人员提出了在低频交流激励下基于GMR的旋转场探测技术，下面对基于以上提出的三种探测技术而研发的电涡流检测探头作一个简要介绍。

1.3.1自零涡流探头
自零涡流探测仪是一种驱动传感型的涡流探测仪，在它的驱动线圈和传感器线圈之间插有一个起保护作用的铁磁片，其作用是把通量集中到一个内径等于传
感线圈外径的固定圆柱体中[23]，这种探测仪的优点在于可以大大减小边缘和邻近效应，同时对表面缺陷非常灵敏以及有很高的分辨率。

这里介绍两种新的不同结构探头的探测仪，一是旋转式探头探测仪，其结构如图1-2所示，探头包含一个D 形激励线圈和一个外置传感器。

图1-2 旋转式自零探头结构图
图中D形激励线圈的直角边与圆形紧固件孔相交，GMR传感器在激励线圈的外面，置于孔边缘的上方，其磁敏感方向垂直于缺陷，并和线圈绕着孔洞同时旋转。

这种结构使得大部分涡流被束缚在沿着圆孔边缘的路径，从而可以检测到孔洞边缘的缺陷，提高检测缺陷的能力。

二是线性扫描涡流探测仪，在应用于航空业时，由于飞机一些多层结构中包含许多按一排排列的紧固件孔，用线性扫描涡流探测仪来检测孔周围的横向裂纹[24]，提高了检测速度从而节省时间，在这种情况下要优于旋转式探头探测仪。

不足之处在于线圈的机械旋转增加了探头设计的复杂性，同时在后期进行数据处理时需要加入额外的测量装置，但不可否认的是两种不同探头结构的GMR探测仪在航空业中都发挥着各自重要的作用。

1.3.2滑动涡流探头
这种探测仪因检测时在紧固件上方滑动而得名，可分为两种，一种是固定型，另一种是可调节型，如图1-3所示，它们都是由激励线圈和接收线圈组成，激励线圈激发电磁场产生电涡流，接收线圈用来检测涡流。

滑动探测仪是检测大量紧固件周围缺陷的最快方法之一，虽然它们能检测表面以及次表面的裂痕，但只能朝某一个方向上检测缺陷。

探头上印有标记的检测线用以表示其检测方向，并且为了能够全面检测出所在区域的裂痕情况，必须使用两个扫描探头且它们的检测方向相互垂直。

固定型滑动探头通常适用于薄材料的缺陷检测，尤其是搭接件处的
第一章 绪 论
纵向表面或次表面裂纹。

其最大趋肤深度约为0.3mm ，典型频率范围在100Hz 到100KHz 之间。

可调节型滑动探头顾名思义，用于改变穿透能力的隔板厚度是可以调节的，为了达到最佳检测效果，通常需要调节两线圈之间隔板的厚度。

当隔板厚度为零时，用于探测表面和紧固件头周围的裂纹，隔板最大厚度约为0.72mm ，这时在一些较大型探测仪中用于检测大型紧固件头的裂纹。

因而可调节型滑动探头适合于较厚的多层结构的次表面缺陷的检测，如机翼蒙皮。

其最大趋肤深度约为2mm ，频率范围在100Hz 到40KHz 之间。

图1-3 左为固定型，右为可调节型
1.3.3基于GMR 的旋转场涡流探头
相比于线性电涡流GMR 探测仪，基于GMR 的旋转场涡流探测仪的优势在于对径向平行于电涡流方向的缺陷很灵敏，它采用两个相互正交的单向线圈并分别通以90°相移差的电流[25]，如图1-4所示，从而产生一个旋转的磁场。

旋转磁场所激发的电流可表示为00rot J y J j x J →→=+，其中x →和y →
分别表示x 、y 轴上的单位矢
量，j =90°相移，两个单向线圈的几何中心重叠，并分别安装在电路板的底部和顶部，传感器置于中心，如图1-5所示。

产生的感应涡流 绕着紧固件孔边缘旋转，紧固件表面的电涡流场分布如图1-6所示。

这种由旋转场激发的电涡流并以此激发的涡流场对紧固件孔边缘任何角度的径向裂痕都很灵敏，因而置于探测仪中心的GMR 传感器通过探测旋转场法线分量的有无，以此来确定紧固件周围的缺陷情况。

图1-4 两个相互正交并通以90°相移的线性电流的单向线圈
图1-5 探测仪内部结构简图
第一章 绪 论
图1-6 紧固件表面的感应涡流分布图（单位：A/ ）
1.4 巨磁电阻效应及其在电涡流检测应用中的进展与现状
有关物质磁特性的探索历史久远，十九世纪五十年代，磁电阻效应便受到了关注。

所谓磁电阻效应指的是对通电的金属或半导体施加磁场作用时会引起电阻值的变化,通常用电阻变化率ρρ∆来描述：
()()()00H ρρρρρ-∆= (1-1)
式（1-1）中H 为外磁场，()H ρ和()0ρ分别表示物质在磁场H 中和磁场为零时的电阻率。

研究人员发现，一般金属的电阻变化率很小，只有约10-5％，然而在给某些磁性金属或合金材料通以电流或施加磁场时，它的电阻变化率远超一般金属，可达（3~5）％,因此，巨磁电阻效应指的是当某些磁性或合金材料处于外加的磁场时，较之无外加磁场，其电阻变化率发生巨大变化的一种现象。

相比其他磁性、合金材料，这种材料电阻变化率明显超出10倍。

因此，这类传感器又被称作巨磁电阻（GMR ）传感器。

20世纪90年代，基于GMR 效应的研究和应用开始兴起，1994年C.Tsang 等人利用该效应首次研制出了一款集成化的巨磁电阻器件-自旋阀。

同年，IBM 公司宣布研制出一款全新的数据读出磁头，而这款磁头恰恰利用的是GMR 自旋阀效应，
它大大提高了磁盘的记录密度。

在1995年研制出的一款数据读出磁头，其每平方英寸的存储可达3Gb，这款磁头创下了当时的世界纪录，因为它将硬盘的容量从4Gb提升到600Gb或更高。

此后利用巨磁电阻效应制成的传感器开始应用到其他行业，如汽车生产、电子产品等制造领域。

传感器的主要优点有低功耗、低成本，可靠性高以及鲁棒性强等。

2000年7月，德国举行了第三届欧洲磁场传感器与驱动器学术会议，重点便是针对GMR传感器进行了交流与探讨，随后在国际各大学术期刊上也陆续发表许多有关GMR传感器的学术论文，其受关注度由此可见。

近年来，GMR在无损检测领域的研究和应用日趋受到关注。

利用它的高灵敏度、小型化、强鲁棒性等优点，研究者选择许多复杂结构作为检测目标，对这项技术进行了实验验证。

2001年，Stuart T Smith等人对GMR的实践应用效果进行了研究与探讨，2004年，日本S Yamada等制作了一款用于检测PCB板的GMR 探头，2005年，J K Na与M A Franklin通过GMR探头完成了深层缺陷检测实验，随后的几年间，各国的研究人员均把GMR研究的重点投向航空业中飞机一些关键紧固件的缺陷检测中，从结构、激励源等对GMR探头进行创新改进，从而大大降低了空难事故的发生。

2010年国外学者Jim J.等人成功将研制的GMR探头用于航天器关键部件的检测，进而推动了人类航天事业的发展。

我国虽然对GMR涡流检测的研究和应用起步相对较晚，但在引进吸收再自主创新的基础之上也取得了不错的成绩，而研究重点则集中表现在两方面，首先是如何优化GMR探头结构，其次是针对检测结果的处理和分析。

目前，对于电涡流检测领域，GMR可以针对表层、磁性介质、钢材应力等方面的问题进行有效检测。

1.5 本论文的主要研究内容
本论文在对GMR传感器在无损检测系统中的研究与应用综述和分析基础上，探究了无损检测原理并设计一个新型的高信噪比涡流探头系统。

文中在现有探头的基础上对其结构进行了改进，额外增加了一个用于消除干扰信号提高信噪比的消除线圈，同时对系统中的其他模块也进行了改进和优化，最后对系统测得的数据进行分析处理，其测试结果表明：本文提出的GMR无损检测系统可以对金属缺陷进行有效测试。

以下是论文主要内容：
第一章：重点阐述GMR效应与无损检测系统研究历史、意义，概述和分析了现有几种GMR探头的不同结构以及优缺点。

第二章叙述了电涡流无损检测系统所涉及到的基本理论---无损检测原理和集
第一章绪论
肤效应以及时谐电磁场计算领域中的有限元方法，通过分析影响涡流大小的因素，对探头结构的改进提供了理论支撑。

第三章设计了一个基于GMR传感器的新型无损检测探头，首先通过有限元软件Maxwell模拟仿真了一个无损检测系统，对其中包含的探头在结构上进行了改进，采用双线圈即激励线圈和消除线圈，仿真结果表明改进后的探头有利于提高信噪比，增加检测精度；其次，基于无损检测仿真模型制作了一个实物探头，以便后续使用。

第四章：主要针对上一章制作的新型结构的GMR探头设计了一个无损检测系统，系统分为硬件电路设计和软件设计两个部分。

前者又分为信号发生、功率放大、信号调理三种电路；后者主要集中在单片机控制DDS芯片产生一定频率的正弦波和labview编程数据采集。

接着将所有电路模块整合到一张PCB板上后进行了一个实际测试，最后对测试所得的数据进行了一个分析处理，通过实验结果对比来探究其影响因素，从而得出结论即新型结构的GMR探头的检测精度较高。

第五章总结了论文的主要研究发现，指出了GMR无损检测系统未来面临的挑战和发展趋势。

本论文研究内容总体框架图如1-7所示：
图1-7 论文研究内容总体框架图
第二章电涡流检测技术理论基础
本章重点论述了电涡流检测技术阻抗分析法以及涡流趋肤效应，与此同时，完成了时谐电磁场计算领域有限元方法的分析，接着对其中的涡流场分析进行了探讨，这个分析方法为第三章中利用有限元软件进行建模仿真提供了很好的理论依据，最后对影响涡流大小的因素进行了分析，据此合理选择涡流探头的激励频率以及改进其相应的结构，借此保证其检测精度。

上述研究为探头结构改进以及性能提升提供了理论支持。

2.1 电涡流检测技术的阻抗分析法
电涡流检测技术属于无损检测技术，源于电磁感应原理。

基本原理可参照图2-1进行了解：
图2-1 无损检测原理图
激励线圈获得激励电流后，根据法拉第电磁感应定理不难发现，交变电流将随之形成交变磁场，若被测的金属导体置于交变磁场H1中，会在金属导体内部产生一种呈旋涡状的感应电流，即电涡流。

电涡流与被测金属导体的物理特性有关，如电导率、磁导率、形状大小等，当电涡流发生改变时，磁场也会出现改变，导致激励线圈阻抗发生改变，通过分析研究这种阻抗变化，可以得知试件的相关物理属性，所以，选择涡流无损检测技术进行处理，能够准确获得物体厚度、电阻。