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基于磁阻传感器的差动式涡流检测探头

摘要

磁阻（MR）传感器已经广泛应用于涡流测试（ECT），通常用于检查埋藏缺陷（低频操作），但它们也可用于（高频操作）检测表面断裂缺陷。尽管MR传感器带宽很高（高达数百MHz），但使用这些MR传感器的涡流探头的工作频率通常有限。那是因为传感器互连中的电感耦合会导致测量信号的电压增大，且额外电压随工作频率升高而增加。由于这种电感耦合，当所选工作频率较高时，这种不希望的电压贡献可能超过传感器响应。本文提出了一种基于MR传感器的涡流检测探针，用于检测表面缺陷。探头和测量装置设计采用了两种方法去减少测量信号上的电感耦合，从而实现更高频率的操作。一种减少电感耦合的方法是使用两个传感器进行差分测量，而另一种方法采用外差原理，产生低频分量以补偿由传感器检测的磁场。同时使用两种方法的结果使得可以检测到缺陷的信噪比提高了20dB以上，并且当以100kHz工作时，测量信号的相对变化提高了约70倍。摩擦搅拌焊接样品的应用结果表明这种探头能够检测深度约为400mu;m的裂纹缺陷。

1、介绍

传感器技术的最新发展提供了广泛的磁场传感器，其中一些已经在市场上销售。这些传感器不像拾波线圈那样对磁通量导数敏感，而是直接检测磁场，因此，在低频工作时，拾波线圈可能不好用，这些传感器却能能保证其灵敏度。磁场传感器的另一个优点是通常较小的活动面积，可以小到几平方微米，从而提高涡流检测（ECT）探头的空间分辨率。由于这些优点，磁场传感器已成为设计用于探测内缺陷的ECT探头的热门[1]。文[2]对磁电阻（MR）传感器技术应用于ECT的优缺点进行了更深入的研究。

巨磁电阻（GMR）在室温下有时可以达到高达10%的磁共振比。它们是使用薄膜技术生产的，这种技术允许在阵列配置中以较低的成本制造大量的传感器。一般探针的几何结构中有一个GMR传感器，它位于驱动器线圈[3]内，作为拾波线圈的替代。[4]中的有限元模型（FEM），研究了用单线感应EC和GMR传感器进行读数的方法，这让GMR传感器的定位有多种选择，但通常，这些传感器放置在一个区域，在没有缺陷的情况下，它们将检测驱动器的零组件和产生的EC磁场[5]。如果没有观察到EC的扰动，这将导致接近零的输出。因此检测时最重要的是选择一个磁场分量，其EC影响足够强，以允许适当的缺陷检测。根据传感器平面的定位，涡流磁场的两个分量都可以检测到，要么平行于被测表面，要么垂直于被测表面[6,7]。

现在采用GMR传感器的ECT阵列探头是已开发出来了的[8]。这种探头的主要优点是增加了检查区域，同时仍保持合理的空间分辨率。文[9]给出了在负载偏置和多路复用的集成电路上实现传感器的细节。该解决方案允许减少探针电缆和操作传感器所需的电子电路的尺寸。文[10]的作者提出了一种模块化线性阵列，其中2.2个GMR在2.2毫米上可以复制并用于增加测试区域。虽然这种探头已经可以在生活中找到一些例子，但GMR阵列在ECT探针设计上的普及仍然受到只有少数这种传感器商业化的限制。

本文提出了一种用于检测表面缺陷的ECT探针，其采用模具渗透方法，检测简便。然而，它们只能在金属没有保护涂层或涂漆的情况下应用，并且可能需要大量的表面准备（例如蚀刻）。虽然可以应用其他方法来检测金属表面缺陷，如X光检测和超声波检测，但他们通常在检测微小缺陷上精度不足[11]

本文所提出的ECT探针由驱动器轨迹和一组线性阵列配置的自旋阀（SV）GMR传感器组成。这种结构部分地受到先前探针设计的启发，该探针设计使用单个平面迹线来感应EC，并且使用两个差分拾取线圈来感测所产生的磁场[12]， 旨在改善摩擦搅拌焊接（FSW）接头的表面破裂缺陷（LOP）缺陷[13]。对于传统探头，几乎零宽度和深度小至50米的缺陷检测起来相当困难[14]，此外，由于FSW工艺本身[15]导致的接头电导率变化很容易掩盖LOP缺陷的存在。ECT探针将通过产生直的和有限的涡流模式（其增强与缺陷的相互作用）和差分测量来应对这些困难，该差分测量减小了表面轮廓和逐渐的电导率变化的影响。

ECT探针工作环境在中频和高频（从几百kHz到几MHz）。在工作频率范围内，MR传感器组件上存在的电感耦合可能导致电压贡献，其幅度大大超过MR传感器响应，提高了对测量系统动态范围的要求，难以在没有缺陷的情况下测量已经具有大幅度的信号的非常细微的变化。虽然使用适当的电缆和电磁屏蔽可以部分避免这种影响，但仍然不足以确保适当的测量条件。因此要兼容不同的测量技术以减少测量信号中的电感耦合。

本文首先介绍了第2节中提出的探针设计及其操作基础。有限元工具的结果用于说明探针操作，并支持一些设计决策。第3节继续描述探针制造过程和MR传感器装置。还第3节中，描述了用于验证探针操作的定制测量技术和开发探针的实验室设备。在第4节中，报告了一组有代表性的人工缺陷和FSW样品上的LOP缺陷的实验验证。

2.探针设计

EC反射探针使用不同的激励电压来生成涡流（EC）并感测产生的磁场。该操作模式使得每个元件的优化能够与测试要求一致地尽可能好地执行。在所提出的探针设计中，使用单个导电条（称为驱动迹线）产生的EC非常受限，如[12]和[16]中所讲。当测试具有预期取向的缺陷时，可以对齐这种探针以促进EC与缺陷之间的相互作用。为了感测产生的磁场，设计了一种MR传感器阵列。在这项工作中，对于MR传感器用于检测表面缺陷的优点进行了研究。研究发现，MR传感器优于传统拾波线圈的主要优点是改善了空间分辨率。

探针采用APrintedCircuitBoard（PCB）作为探头支撑结构，实现了驱动器跟踪和与电子测量和激励系统的互连。SV传感器在薄硅衬底（厚度为0.5 mm）上进行处理，该衬底在图1所示的FEM中所示的位置粘贴到PCB上。该模型使用CST EM Stu dio软件开发，是用于研究传感器阵列设计的最佳选择，并能仿真探头对任意缺陷的响应。当驱动器轨迹位于具有缺陷的铝部件上时，进行模拟以计算磁场。

图 1 建立了有限元仿真模型（a）一般视角（b）探头的横向切面

在探头设计期间没有研究驱动器迹线的最佳宽度和位置。以前的经验提供了强有力的证据，证明探头轨迹的定位应使其在测试时尽可能接近被测部件。此外，驱动器轨迹的宽度尽可能小，因为允许集中磁场的生产技术也尽可能地靠近部件，这影响感应EC的最大可能密度。驱动器迹线宽度为125微米，并且驱动器迹线底部边缘与铝部件之间的距离为400微米，这是剥离的原因。尽管可以模拟较小的提升距离，但是在实验情况下难以实现。

MR传感器可以设计成对基板平面XZ的磁场分量之一敏感。在第一次模拟中，记录传感器阵列平面（beta;X和beta;Z）的两个分量上的磁场，以验证哪个平面对测试的表面缺陷显示出最高的灵敏度。如图1（a）的模型所示，模拟了在Y方向上具有无限尺寸，0.4mm（X方向）的宽度和0.5mm（Z方向）的宽度的缺陷。该缺陷与驱动器走线垂直对齐，驱动器走线的电流为1A安培，频率为1 MHz。图2的结果示出了模拟的结果磁场强度，其记录在两个部件的MR传感器的中心附近（X = 0mm）。图2中的水平轴表示缺陷在5mm扫描中移动时的位置，该扫描在步长为50mu;m的传感器中心之前2.5mm处开始。对于每个缺陷位置，进行模拟并记录由传感器测量的磁场分量（在X = 0mm处）。

图 2 当0.4 mm宽度和0.5 mm深度缺陷在探头下方移动时，模拟磁场幅度

（a）Z方向上的磁场幅度（b）X方向上的磁场幅度。

如图2（a）所示，对于Z场分量，即使缺陷远离测量位置，磁场幅度也不等于零。 这是因为驱动器磁场线在以驱动器迹线为中心的连续YZ平面中定义。 当垂直于驱动器迹线扫描缺陷并且它到达测量位置时，所产生的磁场增加，因为没有EC将取消驱动器迹线磁场 图2（b）显示了X场分量 在这种情况下，远离缺陷，振幅接近于零。垂直于驱动器迹线的缺陷的存在将诱导的EC的一部分重定向到Y方向，导致磁场X分量的增加。

图2的结果表明，Z分量的磁场绝对变化高于测量X分量时的绝对变化（分别为0.039 mT和0.017 mT）。但是，X分量的相对变化要高得多。因为当没有缺陷存在时，其磁场值为零。然而，这种特定情况仅在模拟中观察到，因为在实验原型中，甚至MR传感器基板和驱动器迹线PCB之间的最小不对准也可导致不同于零的幅度。

由磁场变化占据的空间跨度提供了可以进行测量的空间分辨率的指标。在决定应该测量哪个磁场分量时，空间分辨率也很重要，因为它影响识别其他扰动源中的缺陷的能力。从图2的结果可以看出，Z分量上的磁场变化几乎是X分量修正中占据的跨度的一半。尽管该跨度取决于缺陷宽度，但它提供了可以实现的空间分辨率的良好指标，并且说明在检测方面测量Z分量更好。

这些实验结果证明了用测量Z磁场分量中的磁场分量以进行缺陷检测的合理性。该决定的主要缺点是磁场的相对变化较小，这将通过探索两个传感器的差分测量来改善。这种差分测量还将降低测量信号的电感耦合贡献，如第3节所述。两个测量传感器之间的最佳距离未经研究，而是根据所选磁场分量的空间跨度估算，如图所示在图2（a）中，约为1mm（对于这个数量级的缺陷宽度）。通过空间跨度对传感器进行单独评级实现了最高可能的组合修改，因为当缺陷正在改变由一个传感器测量的磁场时，其对另一个传感器的影响仍然可以忽略不计。

为了模拟差分测量中的磁场，Z分量记录在距离MR传感器线中心等距离0.5mm的两个位置（X =minus;0.5mm和X = 0.5mm）。根据模拟结果计算登记磁场值的差异。在图3中，示出了组合磁场的幅度和相位（相对于输入电流相位）。

图 3 两个不同传感器位置的模拟磁场响应。模拟缺陷具有与图2中相同的尺寸

相对于图2，图3中的第一个显着变化是相对变化得到改善，因为当缺陷远离探针时，组合磁场幅度现在接近于零。磁场响应现在有两个高度，这是由两个不同测量位置上磁场的修改引起的。另一个相关特征是当缺陷以两个测量位置为中心时发生的180°相位偏移（在X = 0时毫米）。发生该相位反转是因为从该位置开始（随着X增加），减去的磁场（beta;Z2）的幅度大于差分测量中添加的磁场（beta;Z1）。

FEM模型适用于模拟具有不同尺寸的缺陷，并确定在更改缺陷尺寸时探针响应是否会受到实质性影响。使用探针模型模拟总共七个缺陷。缺陷数1至4，深度分别为0.2,0.5,1和1.5毫米，宽度为0.4毫米。剩余的缺陷，编号5至7，深度为0.2,0.5和1mm，宽度为0.15mm。不同缺陷的结果如图4中的两个图所示。 由于几个缺陷中的相位结果非常相似，因此仅示出了磁场幅度响应。

图 4不同缺陷的模拟磁场幅度响应（a）宽度为0.4毫米的缺陷（b）宽度为0.15毫米的缺陷

第一组缺陷的模拟响应如图4（a）所示，其中当比较缺陷数1时，振幅的增量是明显的。缺陷3和4的响应之间的比较几乎重叠， 建议对可在1 MHz处解决的缺陷深度进行限制。对于宽度为0.15mm的缺陷的响应之间的相对演变类似于具有0.4mm宽度的缺陷的响应。 然而，对于具有最小宽度值的缺陷的响应，观察到幅度减小。

3.测量装置

如第2节开头所述，探针由一个PCB作为探针元件的主要支撑。驱动器跟踪和连接垫与磁共振传感器的接线包括在印刷电路板的设计，如图5所示。探针通过其中一个边缘的直角连接器连接到辅助板，也如图5所示。此辅助板允许与仪器直接连接，包括一个小电路来选择和电动极化传感器。一个定制的、机械化的xy工作台被用来移动探针下的被测部件，探针保持在与辅助板相连的静态位置。

图 5测试的原型探针和辅助板实物

MR传感器是SV设备，其操作基于GMR效应[17]。如[18]中所述，这些传感器在INESC-MN洁净室设施中进行了微型制造。在微制造工艺之后，将硅衬底切割成最终尺寸，对准，胶合在PCB上，最后通过引线键合连接，如图5所示。

图6中所示的基板包含16个SV传感器，其间具有0.5mm的间隔。传感器的特点是施加1 mA恒定电流，扫描5mT和12.5 mT之间的磁场并测量电压。16个传感器中的一个传感器的典型传递曲线如图7（a）所示，具有两个饱和区（低电阻和高电阻）和两者之间的线性响应。与大多数商业上可用的MR传感器不同，这些传感器在零磁场下是线性的，这意味着不需要施加额外的恒定磁场偏压。所有16个传感器都显示出与图7（a）相似的响应，其标称电阻（在外加磁场等于零时测量）在rnisin;[535.8，592.0]Omega;范围内，灵敏度sisin;[8.3，9.5]Omega;/mt。使用相同的偏置电流表征传感器噪声，并使用频谱分析仪（Tektronix RSA 3308A）在5 Hz至1 MHz范围内进行平均测量。对于频率低于10kHz左右的频率，闪烁噪声（随频率衰减）占主导地位。还应注意，对于高于10 kHz的频率，Tohigher频率，热噪声（随频率恒定）成为主导。传感器噪声约为3.1 nV /radic;Hz，相当于563Omega;的电阻器的热噪声。

图 6 原型SV传感器阵列摄影和单传感器细节

图 7使用的SV传感器传递曲线（a）和噪声特性（b）。

MR传感器具有标称电阻值和可变电阻项，其取决于施加的磁场和传感器灵敏度。传感器电阻可表示为：

其中RN是其标称值，Rbeta;Z表示由测量的磁场引起的变化。

为了测量MR传感器，一种可能性是在测量其端子两端的电压时使用恒定的偏置电流。传感器和测量系统之间的互连也受外部磁场的影响，外部磁场在许多情况下具有相当大的幅度。如果这个磁场是交替的，如ECT中所发生的那样，传感器互连上的感应耦合会产生额外的贡献，导致所测量的电压为：

其中，ibias是磁共振传感器的偏压电流，而phi;→beta;，

r是穿过传感器互连的总磁通量。

这种感应耦合沿整个互连路径

资料编号：[4648]