基于ACFM技术的阵列TMR探头及裂纹检测系统开发

吴衍运，李　伟，葛玖浩，袁新安

(中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心， 青岛 266580)



基于ACFM技术的阵列TMR探头及裂纹检测系统开发

吴衍运，李伟，葛玖浩，袁新安

(中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心， 青岛 266580)

隧道磁电阻(TMR)是近年来发展的一种高精度磁传感器，在交流电磁场检测(ACFM)领域有很好的应用和发展前景。基于TMR传感器和交流电磁场检测技术，采用宽U型激励，设计了一种新型高精度阵列检测探头。借助TMR阵列探头，搭建完整的ACFM系统，开展了裂纹检测试验。试验结果表明，使用该探头的ACFM检测系统具有较大的检测范围和较高的检测灵敏度，在实现工件大面积检测的同时，可有效防止漏检。

阵列TMR；宽U形激励；裂纹检测系统

图1　ACFM技术检测原理示意

交流电磁场检测(ACFM)技术是一种新兴的电磁无损检测技术，广泛应用于结构缺陷的检测和评估中[1-2]。该技术利用导体表面感应电场的扰动来检测构件表面和近表面的裂纹，原理如图1所示。ACFM激励线圈在工件表面感应匀强的电场，感应电场经过试件表面裂纹发生偏转，从而引起周围磁场的扰动；通过采集畸变磁场信号Bx和Bz可对缺陷进行定量分析[3-4]。ACFM 技术数学模型精确，具有无需清洁工件表面、定量精度高、无需标定的特点，在石油化工、海上平台、水下结构物、船舶、铁路以及航空制造等领域具有十分广阔的应用前景。

ACFM探头主要由激励线圈和检测传感器组成。常规U型或者矩形磁芯载流线圈只能实现局部范围的激励，试件表面感应电场范围小，阵列传感器排布空间有限，单次检测效率低。检测传感器主要采用线圈、霍尔元件、基于集成电路的异向性磁阻传感器(AMR)、巨磁电阻传感器(GMR)[5]、TMR等磁敏感传感器拾取缺陷区域的磁场信号。TMR传感器是近年来开始应用于工业中的新型磁电阻效应传感器，其利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应。如表1所示，TMR相对于其他磁传感器，具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度和更小的尺寸[6]。

表1　TMR与其他磁传感器性能对比

随着ACFM技术向小型化、智能化、高精度等方向的发展，其对磁传感器的尺寸、灵敏度、热稳定性及功耗等提出了越来越高的要求。因此，TMR在交流电磁场检测领域有很好的应用和发展前景。南昌航空大学任尚坤，设计了基于TMR传感器的ACFM探头，其灵敏度优于采用其他传感器设计的探头[7]。然而，该探头采用的激励产生的匀强电流范围小，单个TMR传感器检测范围小，检测效率低。

笔者首先对不同尺寸的U形激励进行仿真，设计了一种适合阵列探头的宽U形激励。然后，通过对TMR检测电路、探头整体和阵列结构的设计开发了一种新型阵列TMR探头。最后，基于该探头搭建ACFM检测系统，进行了裂纹检测试验。试验证明，基于该探头搭建的检测系统能够实现对试件表面裂纹的高灵敏度、大范围的快速检测。

1　探头设计

探头是整个ACFM检测系统的关键，直接影响着检测系统的灵敏度和精度。探头的设计主要包括激励线圈、检测传感器、调理电路和壳体等部分的设计。设计时要充分考虑结构和零部件的布局，增强探头的检测适用性和精度。

1.1激励

探头激励部分由线圈缠绕在U形锰锌铁氧体磁芯上组成。由于阵列探头由多个TMR传感器组成，需要较大范围的匀强电场，而传统的U形激励探头磁芯较窄，产生的匀强电流范围小。所以，笔者通过ANSYS软件对普通U型激励和宽U形激励进行仿真，观测对比匀强电场范围，设计了宽U形磁芯的尺寸。仿真模型及模型尺寸分别如图2和表2所示(表2与图2中字母对应)。

图2　探头仿真模型示意

表2　仿真模型U形激励尺寸　mm

仿真完成后提取工件表面的电流图，普通激励和宽U形激励在工件表面产生的电场如图3所示。通过对比发现，宽U形激励在工件表面激励出的电场范围更大且更加均匀，采用这种激励有利于阵列探头的布置和磁场采集。

图3　平板试件表面电场

1.2TMR检测电路检测探头的传感器采用MMLP57F隧道磁电阻芯片。当磁场在-0.003～+0.003 T间时，该传感器的输出电压成线性变化，线性范围较大。灵敏度为5×10-4mV·V-1·T-1，灵敏度高。同时，其工作电压限值为7 V，外加磁场限值为0.15 T，使用温度为-40～125 ℃。MMLP57F隧道磁电阻芯片的线性度、灵敏度和各参数符合检测系统对磁场采集的要求。

图6　ACFM检测系统整体框图

所设计的单路TMR电路(PCB)板如图4所示。电路板上包括电源输入及稳压电路、TMR、滤波放大电路和信号输出端。输入电压有±12 V和5 V，±12 V电压为放大电路供电，5V电压为TMR供电。两个MMLP57F隧道磁电阻芯片布置在PCB板两面，分别采集Bx和Bz磁场信号。滤波放大电路由电阻、电容和AD 620组成，对信号进行调理放大后由信号输出端输出。这种设计将稳压电路、传感器、滤波放大电路集成在一起，具有小型化、模块化的特点，适合阵列探头的进一步设计。

图4　TMR电路

1.3探头整体结构

整体探头设计和探头实物如图5所示。外壳材料采用韧性类ABS树脂，以防止产生电磁干扰。外壳底部厚度为1 mm，使得探头提离满足检测要求。为了增大检测范围，同时又保证不漏检，阵列探头个数设为7，PCB板间距5 mm，放置于底部的卡槽内。

图5　探头结构和实物照片

2　ACFM检测系统

ACFM检测系统的整体框图见图6。系统中，开关电源经过稳压电路，为TMR传感器提供5 V电压，为调理放大电路提供±12 V电压；信号发生器产生的正弦激励信号接入U形磁芯的线圈上，在工件表面激励出大范围的匀强电场，电场在缺陷附近有扰动并产生畸变磁场；阵列TMR传感器拾取缺陷附近的磁场信号，将信号转换为电压信号；电压信号经过调理放大电路和采集卡进入PC机的缺陷识别系统，系统通过对信号的分析，判断有无缺陷并对缺陷进行定量识别。

其中，电源采用明纬T-50开关电源，该电源可靠性高，内置EMI滤波器，抗干扰性能好，直流纹波小，工作效率高，绝缘性能好，抗电强度高。系统选择Tektronix泰克AFG 1022任意波形/函数信号发生器产生激励信号，它包括双通道、25 MHz带宽和高达10Vp-p(峰峰值)的输出幅度，4种运行模式、50种内置常用波形和内置200 MHz频率计数器， USB接口和PC软件提供了最直观的仪器配置方式，满足试验和测试工作中的大多数波形发生需求。数据采集卡选用USB 2086数据采集卡，它具有高性能、低功耗的特点，能够直接连接到计算机的USB数据接口上。该采集卡为16位的A/D转换精度，采样速率高达500 kHz；并且USB 2086的数据采集卡支持系统所应用的LABVIEW语言的平台驱动。

PC机中的缺陷识别系统是ACFM检测系统的另一核心部分[8]，图7是利用LABVIEW软件作为平台开发的ACFM缺陷识别系统的参数设置与检测界面，主要由数据采集程序、实时检测程序、缺陷定量程序三个部分组成，能够实现数据采集、检测信号实时显示、信号分析、缺陷定量等功能。首先，数据采集中的通道与探头相对应，可以根据实际情况，由通道设置来实现采集特定探头信号的功能。信号采集后，Bx与Bz曲线图可实时显示在检测界面。缺陷是否存在，主要通过观察Bx与Bz曲线是否出现符合ACFM检测原理的峰谷值来判断，且能够实现缺陷报警功能。最后进行缺陷定量分析，根据Bz信号峰峰值间距和Bx波谷值等特征量定量缺陷尺寸[9-10]。

图7　ACFM缺陷识别系统的参数设置与缺陷检测界面

图8　ACFM检测系统实物照片与探头检测示意

3　性能试验

依照上述设计搭建完整的ACFM检测系统，系统实物照片如图8(a)所示。阵列TMR探头及扫描方向如图8(b)所示，探头间距为5 mm。为了测试系统的灵敏度、精度、检测范围等性能，进行两组试验，对不同尺寸的裂纹进行了检测。裂纹尺寸见表3，系统激励频率6 kHz[11]，激励电压5 V。

表3　各裂纹尺寸　mm

3.1灵敏度测试

为了测试系统的灵敏度和缺陷检出能力，使用该系统对细小裂纹缺陷进行检测。裂纹1、2、3位于同一铁板试件，依次对裂纹进行检测，采集1号探头的Bx，Bz信号，保存数据后由MATLAB处理并绘制的信号如图9所示。由图可见，三个缺陷的Bx,Bz信号都有明显畸变特征，且Bz峰峰间距能反映裂纹长度信息，Bx波谷值能反映裂纹深度信息，符合ACFM检测原理。该试验证明系统能检测宽度为0.1 mm，深度为1 mm的微小缺陷，有较高灵敏度。系统检测时，高灵敏度能保证系统对缺陷的检出率，降低漏检风险。

图9　裂纹1～3检测信号

图10　裂纹缺陷4的检测信号

3.2检测范围测试

用阵列探头对缺陷4进行检测。由于对称性，系统采集1～4号探头的Bx,Bz信号，保存数据后由MATLAB处理并绘制的四个探头的Bx,Bz信号如图10所示。可以看出，位于缺陷正上方的1号探头的Bx,Bz信号畸变量最大，且探头偏移缺陷中心位置的距离越大，信号畸变量越小，因此该阵列探头能够确定缺陷位置。同时，3号探头的Bx信号仍有明显的畸变特征，而Bz信号的畸变量则比较小，不能很好地反映缺陷，因此，可以确定单探头的有效检测范围为10 mm。该阵列探头的间距(5 mm)能很好地防止漏检现象的发生，同时40 mm的有效检测范围是单探头的4倍，大大提高了检测效率。

试验证明，该检测系统具有较高的灵敏度，能够检测微小裂纹，同时检测范围是单探头的4倍。这些特性既大大提高了检测效率，又能保证缺陷的检出率，降低漏检风险。

4　结论

基于交流电磁场检测技术，采用宽U型激励和高灵敏度的TMR传感器，设计了一种新型阵列ACFM检测探头。然后采用该TMR阵列探头，搭建完整的ACFM系统，开展了裂纹检测试验。仿真和试验结果表明：

(1) 宽U形激励在工件表面激励出的电场范围更大且更加均匀，采用这种激励有利于阵列探头的布置和磁场采集。

(2) 由于采用高灵敏度的TMR传感器，设计的ACFM系统能够检测出宽度0.1 mm、深度1 mm的细小裂纹，而且信号畸变明显，具有较高的灵敏度。

(3) 在距离缺陷大于10 mm处，Bz信号畸变量很小，不能有效检测缺陷，因此单探头的有效检测范围是10 mm。该阵列探头的TMR设计间距为5 mm，能有效防止漏检。同时，探头具有40 mm的有效检测范围，检测范围是单探头的4倍，能够实现工件的大面积检测。

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[3]LUGG M C. The first 20 years of the A.C. field measurement technique[C]∥18th World Conference on Non-Destructive Testing (WCNDT).South Africa: Atlantis,2012:16-20.

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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

国家自然科学基金资助项目(51574276)；山东省自然基金资助项目(ZR2015EM009)；中国石油大学(华东)研究生创新工程资助项目(YCX2015039)。

吴衍运(1989-),男，硕士,主要研究方向为海洋油气设备安全检测技术，传感器设计及其系统仿真。

李伟, E-mail：ronald8044@163.com。

10.11973/wsjc201610008

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0029-05