对基于GMR的电磁无损检测分析

付 彬

在早期的电磁检测领域当中，就已经出现过一种传统的无损检测方法，这种方法在当时确实改善了检测损伤的问题，但是现代视角下，传统无损检测方法具有功能单一、电路复杂、稳定性不足、空间分辨率不足等缺陷，而GMR电磁无损检测，是在后期经某研究者提出的一种新式的电磁无损检测方法，其借用了巨磁电阻的高稳定性，围绕传统电磁无损检测方法的弊端进行设计，改善了传统检测方法的缺陷。

1 GMR电磁无损检测器件分析

当GMR与磁场电阻值接触之后，GMR会发生巨大的变化，因此其才会被称为巨磁电阻，一般情况下，GMR的变化程度要高出其他各项磁阻15%左右。在GMR当中线圈是主要器件之一，线圈的主要功能在于感应电压，依照法拉第电磁感应定律，感应电压如公式（1）所示。

式中dB代表线圈的正弦变化的磁场，磁场表达式如公式（2）。

根据公式（1）、（2），可以得到线圈的输出表达式，如公式（3）所示。

通过公式（3）可以看到，线圈的灵敏度与频率相互之间保持了正比关系，所以说明GMR检测方法不适用于低频检测当中，因为当这种方法与低频接触，就会受到集肤效应的限制，导致工作频率降低，这种方式虽然能够增加GMR在低频当中的渗透度，但也会导致线圈的灵敏度大幅度降低。另外，除线圈以外GMR还包括了其他器件，例如，单极性、双极性器件，这两种器件不会被同时采用，只会单独应用在规格不同的GMR检测当中，一般来说单极性、双极性器件的功能都在于保障检测的高灵敏度以及渗透深度，但要实现此目的，两者的直流电磁必须达到1MHz以上，而作为两种不同的器件，两者必然还存在巨大的不同，具体如下文所示。

单极性、双极性器件不同点：

（1）单极性的饱和磁场为6～16，双极性的饱和磁场为0～250 ；

（2）单极性的线性范围为0.6～3.0、1.5～10.5、1.0～16，双极性的线性范围为10～175、5～40、-1.3～1.3、-8～8 ；

（3）单极性的灵敏度为3.0～4.2、3.0～4.1、11.0～18.0，双极性的灵敏度为0.02～0.03、0.06～0.12、1.3～1.6、0.7～1.0 ；

（4）单极性的电阻为5k～5.5k，双极性的电阻为2.5、1.2、1.3k；

（5）单极性的磁滞为4、15、3.0，双极性的磁滞为0、4、15；

（6）单极性的非线性度为2、4、1.5，双极性的非线性度为0、2、4。

2 GMR探头激励分析

2.1 时谐激励

时谐激励是一种常见的GMR电磁无损检测方法之一，其主要依靠点物流电磁来湿陷检测目的。为了保障研究的针对性，本文将在单极性器件（NVEGMR检测器件）的基础上，对时谐激励的GMR检测进行分析。根据本文的单极性器件输出曲线，单极性器件输出曲线的输出体现出了非线性，在以往的使用当中，有研究者将时谐激励电源流与线圈相互连接，以此时谐激励电源流就可以给线圈提供激励电流，而当GMR线圈检测到缺陷磁场之后，会将检测信号传输到数据采集卡，数据采集卡可以与PC端相互连接，此时人工可以通过PC端的显示功能对信号进行分析，得出检测缺陷的具体属性，这种检测方法能够有效的了解GMR检测磁场的强度信息，而此信息也是一般检测的要求，但如果涉及一些要求较多的检测，时谐激励就无法反映出更多的信息，以此说明时谐激励的针对性很强，但应用存在局限性。

2.2 脉冲激励

在本质上，脉冲激励存在一个缺陷，即无法使GMR期间的工作点偏移到输出区间当中，但这一缺陷在一系列研究之下已经得到了改善，即先设定恒定磁场，再应用脉冲激励方法即可。在脉冲激励下的GMR应用当中可以看到，通过脉冲激励可以使GMR的信号输出频率更加丰富，因此，脉冲激励时常可以被用于一些要求较为复杂的检测当中，例如，早期就有研究人员将脉冲激励GMR检测法应用在飞机铆钉结构周围缺陷检测当中。

通过上述飞机铆钉结构周围缺陷检测过程以及结果来看，研究人员主要采用了时域、频域2种方法来分析脉冲激励所产生的信号，首先在时域方面，利用A扫描来实现时域信号成形，之后通过此信号来检测铆钉周围是否存在缺陷；采用C扫描的二维图像来检测铆钉周围的深层缺陷。其次在频域方面，主要以磁场能量为特征量，在此基础上通过信号反馈了解铆钉周围的磁场能量分布，当磁场能量分布出现不均与或者强弱差别时，则可以判定铆钉周围是否存在缺陷。本文依照上述方法，模拟了飞机铆钉周边检测的场景，通过对场景的观察得出了相应的检测结果，检测结果显示：脉冲激励方法可以检测到铆钉周围的缺陷，其输出信号可以识别缺陷具体属性，还能显示缺陷定量。

3 GMR探头设计结构分析

目前，常见的GMR探头设计为单GMR涡流检测探头，下文将对这种探头的设计结构进行分析。单GMR涡流检测探头主要可以分为2个类型，即根据其线圈形式分别为：圆形线圈GMR涡流检测探头、平面均匀GMR涡流检测探头，下文将对这2种单GMR涡流检测探头进行逐一分析。

（1）圆形线圈GMR涡流检测探头。圆形线圈GMR涡流检测探头常应用在金属物体厚度检测当中，检测时，首先依照激励磁场的方向，将GMR器件的敏感轴与之平行对齐。其次利用GMR的高灵敏度即可完成检测工作，这种检测方法通过以往的多项实验得知，只能用于检测金属物体或类金属物体的厚度，在缺陷检测当中其表现出不敏感的问题，说明此检测探头具有一定的局限性。但在近代研究当中可见，虽然圆形线圈GMR涡流检测探头不能直接对缺陷磁场进行感应，但是其能够感应到缺陷引起形变后的磁场，因此，在这一现象之下，有研究者进行了相关的实验，实验显示圆形线圈在未来的发展当中，可能应用到金属边缘缺陷检测当中。

（2）平面均匀GMR涡流检测探头。平面均匀GMR涡流检测探头常用于结构焊接缺陷检测当中，在此项检测当中，因为焊接工艺的介入会导致检测表面的纹理出现密集的提离现象，此时其他无损检测方法均因为该现象而无法进行检测，但随着研究的发展，有研究者发现了矩形线圈探头能够有效避免此现象带来的应用，因而进行了相关的实验，实验结果显示矩形线圈能够实现结构焊接无损检测应用，因此在进一步的开发之下，形成了平面均匀GMR涡流检测探头。另一组实验当中，研究人员将平面均匀GMR涡流检测探头应用到飞机铆钉周边细微裂纹的检测当中，通过检测可见，平面均匀GMR涡流检测探头可以利用矩形线圈产生电流，当电流与检测面接触之后，会产生均匀的感生电流和磁场，再结合平面扫描即可得到检测面整体磁场分布，最终通过磁场观测了解磁场的分布情况即可得出细微裂纹的分布情境。

4 GMR电磁无损检测优势

相较于传统的无损检测方法，GMR电磁无损检测主要利用电磁感应来进行检测，这种检测方法在金属材料上进行使用，此时绝大部分的金属物质都具备电磁磁场，说明GMR方法的有效性，而在许多实践应用当中可以看到，GMR无损检测方法准确率较高，据悉可以达到96%以上，这一点要远超传统无损检测，结合检测准确度在检测工作当中的权重比，可以证明GMR具有巨大的优势。此外，金属的电磁磁场十分明显，因此，GMR检测要获取磁场信息十分便捷，所以在简便性上也要优于传统方法。

5 结语

本文主要对基于GMR的电磁无损检测进行了分析，分析主要分为3个部分：GMR电磁无损检测器件分析、GMR探头激励分析、GMR探头设计结构。在GMR电磁无损检测器件分析当中，主要了解了GMR的常规器件线圈以及单极性、双极性器件；在GMR探头激励分析当中，主要对常见的时谐激励、脉冲激励进行了分析；在GMR探头设计结构，主要针对单GMR涡流检测探头中的圆形线圈GMR涡流检测探头、平面均匀GMR涡流检测探头进行了分析。