數(shù)字化磁性檢測(cè)技術(shù)的磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

1、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院1http:/( (無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)課件）數(shù)字化磁性無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)課件）數(shù)字化磁性檢測(cè)技術(shù)的磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)檢測(cè)技術(shù)的磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院2http:/1. 根據(jù)不同的檢測(cè)目的和檢測(cè)方法選擇最佳的敏感元件。一般而言，隨著磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度的提高，元件和測(cè)量裝置的成本增高。為了獲得最優(yōu)的性能價(jià)格比，靈敏度的選擇應(yīng)根據(jù)被測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱選用適當(dāng)?shù)脑M(mǎn)足信號(hào)傳輸?shù)牟皇д婊蚋蓴_影響最小的要求。2. 磁場(chǎng)信號(hào)是一空間域信號(hào)，測(cè)量元件的敏感區(qū)域是局部的，一般由元件的尺寸和性能決定。為了能夠測(cè)量出空間域變化頻率較高的磁場(chǎng)信號(hào)，必須要求測(cè)量元件或

2、單元具有相應(yīng)的空間分辨能力。對(duì)應(yīng)于空間域中的磁場(chǎng)信號(hào)，這一分辨能力可在一維、二維或三維空間中來(lái)描述?？臻g分辨力是反映測(cè)量元件或單元敏感區(qū)大小的指標(biāo)，具有方向性，沿不同的方向，空間分辨能力會(huì)不同。3. 在磁性檢測(cè)中，信噪比可定義為電信號(hào)中有用信號(hào)幅度(如裂紋檢測(cè)信號(hào))與無(wú)用信號(hào)幅度(如測(cè)量中的電噪聲和被測(cè)磁場(chǎng)中的磁噪聲)之比。在這里，幅度為一廣義量值，它可以指信號(hào)幅度，也可以指測(cè)量信號(hào)中經(jīng)信號(hào)處理后的相關(guān)特征的量值。一般而言，測(cè)量過(guò)程中的上述信噪比必須大于1，否則被測(cè)對(duì)象(如裂紋)將無(wú)法識(shí)別。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院3http:/4. 磁場(chǎng)在空間上是廣泛分布的，因而每一測(cè)量元件或

3、單元均只能在有限的范圍或區(qū)間上對(duì)磁信號(hào)敏感。隨著測(cè)量元件或方法的不同，在與掃描方面垂直的平面上有效敏感區(qū)間也將不同。將測(cè)量元件或單元有效檢測(cè)被測(cè)對(duì)象(如裂紋)，即在垂直于掃描方向上信噪比大于1時(shí)，被測(cè)對(duì)象相對(duì)于測(cè)量單元中心可以變動(dòng)的最大空間范圍稱(chēng)為測(cè)量單元的覆蓋范圍。在檢測(cè)中，如果要求一次測(cè)量較大的空間區(qū)域或防止檢測(cè)時(shí)的漏檢，則需要適當(dāng)安置和選擇多組測(cè)量單元。很明顯，在某一方面上覆蓋范圍越大，在該方向上的空間分辨力將越差，因而，又必須根據(jù)測(cè)量的目的和要求，最優(yōu)設(shè)計(jì)和選擇測(cè)量單元。5. 測(cè)量單元應(yīng)具備對(duì)檢測(cè)環(huán)境和狀態(tài)的適應(yīng)性，測(cè)量信號(hào)特征應(yīng)不受環(huán)境條件影響。因此，應(yīng)對(duì)測(cè)量單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮，減小檢

4、測(cè)過(guò)程中隨機(jī)因素的影響。6. 由于測(cè)量信號(hào)大小與測(cè)量點(diǎn)同被測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)源間位置遠(yuǎn)近關(guān)系密切，重復(fù)檢測(cè)時(shí)上述位置關(guān)系會(huì)有所改變，測(cè)量方法選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)增大幾次測(cè)量信號(hào)的差異?？梢酝ㄟ^(guò)多次檢測(cè)保證信號(hào)的重復(fù)性。7. 當(dāng)采用多測(cè)量單元進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一次檢測(cè)的信號(hào)量由多單元提供，同時(shí)檢測(cè)中的有用信息量也將由它們均分。對(duì)于單個(gè)單元而言，其測(cè)量的有效信息比為有用信息與總信息之比。因此，為了提高每個(gè)單元的有效信息比，對(duì)同一測(cè)量則應(yīng)減少測(cè)量單元，這就要在不降低信噪比的前提下，提高每個(gè)單元的覆蓋范圍或?qū)Χ鄦卧盘?hào)進(jìn)行適當(dāng)組合處理。8. 選擇檢測(cè)元件和測(cè)量方法時(shí)，根據(jù)測(cè)量目的和要求設(shè)計(jì)最優(yōu)性能價(jià)格比的檢測(cè)探頭。華中科技

5、大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4http:/磁場(chǎng)測(cè)量原理和元件磁場(chǎng)測(cè)量原理和元件磁場(chǎng)傳感器可測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度（特斯拉，T） 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1檢測(cè)線(xiàn)圈磁通門(mén)SQUID 磁強(qiáng)計(jì)Hall 效應(yīng)傳感器磁阻元件磁敏二極管磁敏三極管光纖磁強(qiáng)計(jì)磁光磁強(qiáng)計(jì)光泵磁強(qiáng)計(jì)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院5http:/1. 感應(yīng)線(xiàn)圈感應(yīng)線(xiàn)圈通過(guò)線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓大小與線(xiàn)圈匝數(shù)、穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量變化率或者線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)的速度呈線(xiàn)性關(guān)系。感應(yīng)線(xiàn)圈測(cè)量的是磁場(chǎng)的相對(duì)變化量，并對(duì)空間域上高頻率磁場(chǎng)信號(hào)更敏感。根據(jù)測(cè)量目的不同，感應(yīng)線(xiàn)圈可以做

6、成多種形式。線(xiàn)圈的匝數(shù)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度決定了測(cè)量的靈敏度，線(xiàn)圈纏繞的幾何形狀和尺寸決定了測(cè)量的空間分辨力、覆蓋范圍、有效信息比等。 2. 磁通門(mén)磁通門(mén)磁通門(mén)傳感器原理是建立在法拉第電磁感應(yīng)定律和某些材料的磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的非線(xiàn)性關(guān)系上。典型的磁通門(mén)一般有三個(gè)繞組，即激勵(lì)繞組、輸出繞組和控制繞組，磁芯通常是跑道形的。這種磁通門(mén)的靈敏度很高，可以測(cè)量105107T弱磁場(chǎng)，輸出依賴(lài)于磁芯的磁特性，分辨力等隨磁芯和線(xiàn)圈尺寸變化。近年來(lái)，某些學(xué)者采用非晶態(tài)合金作為磁通門(mén)的磁芯，使得磁通門(mén)的靈敏度又有大幅度的提高。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6http:/3. 霍爾元件霍爾元件霍爾元

7、件基于霍爾效應(yīng)原理工作，測(cè)量絕對(duì)磁場(chǎng)大小。元件的靈敏度、空間分辨力、覆蓋范圍等由其敏感區(qū)域的幾何尺寸、形狀以及晶體性質(zhì)決定。由于它制造工藝成熟、穩(wěn)定性、溫度特性等均較好，在磁場(chǎng)測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。隨著集成線(xiàn)路技術(shù)的發(fā)展，將霍爾感應(yīng)元件和線(xiàn)性集成電路相結(jié)合生產(chǎn)出的集成霍爾元件在靈敏度上得到很大提高，一般在7VT（特斯拉）左右，且具有了較好的封裝，因而可望得到更好的應(yīng)用。 4. 磁敏電阻磁敏電阻靈敏度是霍爾元件裸件的20倍左右，工作溫度在40150，靈敏度為0.1V/T，具有較寬的溫度使用范圍?？臻g分辨力等與元件感應(yīng)面積有關(guān)。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院7http:/5. 磁敏二極管、

8、磁敏三極管磁敏二極管、磁敏三極管磁敏二極管是繼磁敏電阻和霍爾元件之后發(fā)展起來(lái)的新型磁電轉(zhuǎn)換器件。與后二者相比，磁敏二極管具有體積小、靈敏度高等特點(diǎn)。在磁敏二極管加一正向電壓后，其內(nèi)阻的大小隨周?chē)艌?chǎng)的大小和方向的變化而變化。通過(guò)磁敏二極管的電流越大，則在同樣磁場(chǎng)下輸出電壓越大；而所加的電壓一定時(shí)，在正向磁場(chǎng)的作用下，電流減小，反向磁場(chǎng)時(shí)電流加大。磁敏二極管工作電壓和靈敏度隨溫度升高而下降，通常需要補(bǔ)償。磁敏三極管是一類(lèi)對(duì)磁場(chǎng)敏感的半導(dǎo)體三極管，與磁敏二極管一樣，為一種新型的磁敏傳感器件。磁敏三極管也分為NPN和PNP型兩大類(lèi)。6. 磁共振法磁共振法原子核磁性的直接和精密的測(cè)量是利用核磁共振的方

9、法。核磁共振是原子核磁矩系統(tǒng)在相互垂直的恒定（直流）磁場(chǎng)B和角頻率為的交變磁場(chǎng)的同時(shí)作用下，滿(mǎn)足條件時(shí)，原子核系統(tǒng)對(duì)交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈吸收（共振吸收）現(xiàn)象，為原子核的旋磁比，即原子核的磁矩與角動(dòng)量之比。由上式可以看出，當(dāng)精密測(cè)量出核磁共振的頻率和磁場(chǎng)，并知道核的角動(dòng)量或核自旋后，便可精密測(cè)定原子核磁矩。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院8http:/7. 磁光克爾效應(yīng)磁光克爾效應(yīng)當(dāng)線(xiàn)偏振光被磁化了的鐵磁體表面反射時(shí)，反射光將是橢圓偏振的，且以橢圓的長(zhǎng)軸為標(biāo)志的偏振面相對(duì)于入射線(xiàn)偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度，旋轉(zhuǎn)角度的大小反映了鐵磁體表面及內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。磁光效應(yīng)目前在磁光記錄和

10、光傳輸控制技術(shù)兩個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，將它用于磁性無(wú)損檢測(cè)具有更重要的意義：它可以遠(yuǎn)距離測(cè)量鐵磁體表面或內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度，而其它原理或元件只能測(cè)量元件所在點(diǎn)或面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度；由于直接測(cè)得的是鐵磁性構(gòu)件表面的磁場(chǎng)，因而無(wú)提離距離的影響，而在磁性檢測(cè)中，測(cè)量元件到被測(cè)場(chǎng)源間的距離直接影響測(cè)量電信號(hào)的幅度大小，對(duì)定量的檢測(cè)十分不利；在高分辨力、高精度、自動(dòng)測(cè)量中，可以方便地通過(guò)控制光束大小或掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線(xiàn)或面磁場(chǎng)的精確測(cè)量；測(cè)量為非接觸式測(cè)量且不受構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀的影響。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院9http:/1. 單元件單點(diǎn)測(cè)量單元件單點(diǎn)測(cè)量單元件測(cè)量的是其敏感面內(nèi)的平均磁感應(yīng)

11、強(qiáng)度，當(dāng)元件的敏感面積很小時(shí)，可以認(rèn)為測(cè)得的是點(diǎn)磁場(chǎng)。單元件一般用在主磁通法、磁阻法和磁導(dǎo)法中。例如，在管棒類(lèi)鐵磁性構(gòu)件表面裂紋的漏磁檢測(cè)中，通過(guò)繞制管狀感應(yīng)線(xiàn)圈并讓這類(lèi)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件從中穿過(guò)，則可探測(cè)到構(gòu)件整個(gè)外表面缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)，而單個(gè)半導(dǎo)體元件將很難實(shí)現(xiàn)這類(lèi)構(gòu)件整周上漏磁場(chǎng)的測(cè)量。單元件測(cè)量時(shí)后續(xù)的信號(hào)處理電路和設(shè)備相對(duì)較簡(jiǎn)單，花費(fèi)的成本較低，檢測(cè)時(shí)的有效信息比較大。2. 多元件陣列多點(diǎn)測(cè)量多元件陣列多點(diǎn)測(cè)量當(dāng)需要提高測(cè)量的空間分辨力、覆蓋范圍和防止漏檢測(cè)時(shí)，可采用多元件陣列組合起來(lái)進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量信號(hào)的處理上，當(dāng)需要提高空間分辨力時(shí)，采用相互獨(dú)立的通道處理每個(gè)元件輸出，但增大了信息量輸出，

12、降低了有效信息比。為了得到靈敏度一致的輸出，對(duì)每個(gè)元件和對(duì)應(yīng)通道應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定；當(dāng)只需要增大檢測(cè)時(shí)覆蓋范圍時(shí)，可以將多元件測(cè)量信號(hào)疊加，以單通道或小于元件數(shù)目的通道輸出，通過(guò)電路上的組合，可選擇到最佳分辨力、覆蓋范圍、靈敏度的檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)。多元件測(cè)量時(shí)，要精心選擇靈敏度、溫度特性較一致的元件。均勻布置元件的數(shù)量應(yīng)使多元件覆蓋范圍總和大于被測(cè)區(qū)域。很明顯，多元件陳列測(cè)量相對(duì)復(fù)雜得多。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院10http:/3. 對(duì)管測(cè)量技術(shù)對(duì)管測(cè)量技術(shù)在直流磁場(chǎng)測(cè)量中，半導(dǎo)體敏感元件的溫漂將會(huì)影響測(cè)量的精度、穩(wěn)定性。為減小溫漂的影響，除了在信號(hào)處理上采用低溫漂放大電路之外，在測(cè)

13、量中可采用對(duì)管技術(shù)，將特性相近的兩元件的感應(yīng)面盡可能靠在一起，并讓它們的磁敏感方向相反，形成“對(duì)管”。由于相同材料的半導(dǎo)體溫度特性基本一致，兩元件測(cè)量信號(hào)差分的結(jié)果是檢測(cè)信號(hào)溫漂影響減小，同時(shí)，靈敏度可提高一倍。例如，對(duì)美國(guó)Sprague公司生產(chǎn)的集成霍爾元件UGN3501T(靈敏度7V/T，溫漂0.1mV/)采用對(duì)管測(cè)量技術(shù)后，測(cè)量靈敏度達(dá)14V/T，而溫漂只有0.01mV/。該公司用該法生產(chǎn)的差動(dòng)元件UGN3501M，其溫漂特性更好，但體積稍大。4. 差動(dòng)測(cè)量技術(shù)差動(dòng)測(cè)量技術(shù)為了排除測(cè)量過(guò)程中振動(dòng)、晃動(dòng)以及被測(cè)構(gòu)件中非被測(cè)特征的影響，提高測(cè)量的穩(wěn)定性、信噪比和抗干擾能力，檢測(cè)中適當(dāng)布置一對(duì)

14、冗余測(cè)量單元，并將兩單元測(cè)量信號(hào)進(jìn)行差分處理，形成差動(dòng)測(cè)量。當(dāng)在平行于測(cè)量磁場(chǎng)方向的測(cè)量面上布置對(duì)該方向敏感的測(cè)量元件并差動(dòng)輸出時(shí)，形成差分測(cè)量技術(shù)，可消除測(cè)量間隙等變動(dòng)帶來(lái)的影響；當(dāng)在測(cè)量的磁場(chǎng)方向上間隔布置對(duì)該方向敏感的兩測(cè)量元件并差動(dòng)輸出時(shí)，可對(duì)磁場(chǎng)的梯度進(jìn)行測(cè)量，形成梯度測(cè)量技術(shù)，可在較強(qiáng)的背景磁場(chǎng)下測(cè)量微弱的磁場(chǎng)變化。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院11http:/5. 聚磁檢測(cè)技術(shù)聚磁檢測(cè)技術(shù)聚磁檢測(cè)采用高導(dǎo)磁材料(如工業(yè)純鐵、坡莫合金等)將測(cè)量磁場(chǎng)主動(dòng)引導(dǎo)至測(cè)量元件中，如圖所示。由高導(dǎo)磁材料做成的聚磁器在這里起著收集、引導(dǎo)、均化測(cè)量磁場(chǎng)的作用。根據(jù)被測(cè)構(gòu)件表面形狀和測(cè)量要

15、求設(shè)計(jì)聚磁器的形狀尺寸，最大限度地收集有用磁場(chǎng)，并可通過(guò)設(shè)計(jì)磁場(chǎng)通路較好地將磁場(chǎng)集中引導(dǎo)至測(cè)量元件中。對(duì)空間上高頻變化的磁場(chǎng)而言，聚磁器相當(dāng)于一空間上的低通濾波器，因而這一測(cè)量技術(shù)的空間分辨力將差一些。 聚磁檢測(cè)的關(guān)鍵在于聚磁器的設(shè)計(jì)，當(dāng)聚磁器的形狀、尺寸選擇不當(dāng)時(shí)，測(cè)量信號(hào)質(zhì)量將很差或者根本得不到感興趣的信號(hào)。因此，必須針對(duì)測(cè)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)聚磁器。在聚磁器設(shè)計(jì)中，總的原則是確保其收集磁場(chǎng)和引導(dǎo)磁場(chǎng)的路徑暢通，也即聚磁器的每一局部都不應(yīng)該有磁飽和現(xiàn)象發(fā)生。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院12http:/6. 磁屏蔽技術(shù)磁屏蔽技術(shù)磁場(chǎng)測(cè)量最易受到外界磁場(chǎng)的干擾，采用磁屏蔽技術(shù)后可以減弱雜

16、散磁場(chǎng)的影響。在測(cè)量中，通常采用高導(dǎo)磁材料做成殼體(箱體)以使腔體內(nèi)的測(cè)量單元免受體外磁場(chǎng)的影響，一般可將體外磁場(chǎng)減至1/51/8之間，好的屏蔽體可減小得更小。磁屏蔽是保證測(cè)量穩(wěn)定性和可靠性必不可少的措施，對(duì)弱磁場(chǎng)的測(cè)量尤為重要。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院13http:/1. 主動(dòng)式測(cè)量探頭主動(dòng)式測(cè)量探頭當(dāng)檢測(cè)過(guò)程中探頭與被測(cè)構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系可精確控制或可通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般通過(guò)檢測(cè)裝置或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)保證單個(gè)探頭的掃描覆蓋范圍、提離距離、敏感方向等，此時(shí)探頭可以是一個(gè)獨(dú)立的單元，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系由檢測(cè)裝置控制。例如，油管自動(dòng)檢驗(yàn)線(xiàn)上的磁性探傷設(shè)備，其探頭與油管的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系由控制機(jī)

17、構(gòu)實(shí)現(xiàn)，有探頭旋轉(zhuǎn)油管直線(xiàn)輸送、油管旋轉(zhuǎn)探頭直線(xiàn)掃描、探頭固定而油管螺旋輸送等多種形式。在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，根據(jù)探頭的覆蓋范圍選擇自動(dòng)輸送的進(jìn)程，保證沿鋼管表面不發(fā)生漏檢，并采用較小的測(cè)量間隙來(lái)減小“提離效應(yīng)”影響。由于磁性測(cè)量探頭一般只能測(cè)量某一方向上的磁場(chǎng)分量，而缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)與其形狀和走向相關(guān)，因而應(yīng)讓探頭的敏感方向與相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)方向一致，以獲得被掃描路徑上較高的缺陷檢測(cè)敏感性。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院14http:/2. 被動(dòng)式測(cè)量探頭被動(dòng)式測(cè)量探頭與主動(dòng)式測(cè)量探頭相反，當(dāng)檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系只能由被測(cè)構(gòu)件決定時(shí)，測(cè)量探頭本身的結(jié)構(gòu)就需要特殊考慮。例如，在鋼絲繩芯輸送帶的檢測(cè)中，輸送帶只能有縱向運(yùn)動(dòng)，為了測(cè)量每根鋼絲繩的狀況，需采用