一种TMR多阵列的深层缺陷弱磁检测装置

本发明属于电磁无损检测领域，尤其涉及一种tmr多阵列的深层缺陷弱磁检测装置。

背景技术：

电磁检测通常应用航空发动机、船舶、铁路钢轨、高铁机车等关键零件的微裂纹等缺陷检测，对保障设备可靠安全运行有重要意义。

电磁检测技术是近几年发展较快的一种无损检测新方法，以电磁学理论为基础，以材料电磁性能变化为判断依据，来对在役装备及构件实施缺陷检测和性能测试。

目前涡流检测的激励端和接收端都采用绕制线圈检测探头，由于集肤效应的影响，降低激励频率会导致探头灵敏度大幅减弱，对被检件的深层缺陷无能为力，成为制约涡流检测发展的瓶颈。

我国一些重大装备长期服役在高温、高压、高转速、交变载荷、强腐蚀、高密度的能量转化等恶劣的工作环境下，其表层以下的缺陷危害大、不易被检测出来。

如何设计一种能够有效检测出被检材料的深层缺陷的电磁检测装置，并满足需要的检测精度、分辨率和灵敏度要求，是实际研究工作中急待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种tmr多阵列的深层缺陷弱磁检测装置。其采用tmr磁阻传感器组来代替常规线圈探头，突破了常规涡流线圈探头无法检测深层缺陷的瓶颈，实现了深层缺陷磁畸变弱磁检测，其检测灵敏度高达0.000001特斯拉，信号分辨率达0.5mv，准确性强，可用于金属构件的深层缺陷检测。

本发明的技术方案是：提供一种tmr多阵列的深层缺陷弱磁检测装置，其特征是：

所述的深层缺陷弱磁检测装置由双激励信号发生模块、功率放大器模块、tmr阵列检测探头、电源模块、前级放大电路、滤波电路、后级放大电路、锁相放大电路、数据采集模块及上位机组成；

所述的双激励信号发生模块用于输出两通道正弦信号或脉冲信号；两通道的正弦信号或脉冲信号经由功率放大器模块放大后传输给tmr阵列检测探头中对称布置的差分式双激励线圈，从而使待测试件中产生涡流；

所述双激励信号发生模块的输出端，还与锁相放大电路的输入端连接，双激励信号发生模块的输出信号，用来作为锁相放大电路的基准信号；

所述的tmr阵列检测探头用于检测待测试件的磁场变化信号，输出检测信号；

所述的电源模块为tmr阵列检测探头提供工作电压；

所述的前级放大电路、滤波电路、后级放大电路用于对tmr阵列检测探头中每个tmr传感器的输出信号分别进行一次放大、滤波和二次放大；

所述的tmr阵列检测探头在两个激励线圈的中间安装有8个tmr传感器组成的阵列检测元件，8个tmr传感器呈一字行排列焊接在pcb板上；在pcb板上8个tmr传感器所对应的8个通道上分别并联一个电容，以消除线圈探头距离过近引起的互感；

所述tmr阵列检测探头中的tmr传感器阵列检测元件，采集被测金属材料构件深层缺陷处的感应磁场畸变信息信号，然后经对应的前级放大电路、滤波电路、后级放大电路、锁相放大电路进行信号处理后，再经数据采集模块将检测信号传输给上位机，在上位机上显示缺陷处的弱磁场畸变图像，实现缺陷处的弱磁检测，实现金属材料构件表面、次表面、深层缺陷的检测。

具体的，所述双激励信号发生模块输出的两通道双激励正弦信号或脉冲信号之间相互独立、互不相干；

所述的激励线圈为对称布置的差分式双线圈结构，两个激励线圈的结构、尺寸、匝数参数均相同，差分式双线圈串联接入激励电路，以实现tmr传感器处的合磁场抵消，从而提高缺陷处微弱磁场相对变化率，提高缺陷检测灵敏度。

具体的，所述的电源模块包括一个输出为5v的电源模块；

所述前级放大电路和后级放大电路的放大倍数在1-100范围内可调。

进一步的，对于8个tmr传感器，对应设置8路前级放大电路、滤波电路和后级放大电路，8路放大电路实现同步调整，并满足锁相放大器的工作范围。

具体的，所述的锁相放大电路由模拟乘法器和低通滤波器组成，模拟乘法器同时输入检测信号e1和基准信号e2，两个输入信号经过模拟乘法器运算和处理之后，输出一个差频分量和一个和频分量；

对于所述的锁相放大电路，当基准信号与检测信号频率相同时，才会有信号输出，用以消除其他频率信号的干扰，提高信噪比；

所述的低通滤波器为二阶有源低通滤波电路。

进一步的，对于所述的滤波电路，当tmr输出信号频率为50hz-1mhz时，所述二阶高通滤波器的截止频率为50～75hz；当tmr输出信号频率为50hz以下时，所述二阶低通滤波器的截止频率为35～50hz。

具体的，在所述锁相放大电路中每个运放的供电端并联一对电容，减少电源干扰；锁相放大电路的低通滤波器截止频率为20hz。

具体的，所述的数据采集模块采用2张4通道的差分式电压信号ni采集卡，通过labview程序实现tmr输出信号采集，并实时传入上位机的i/o端，进行数据显示、采集和保存工作。

进一步的，所述的感应磁场畸变信息至少包括漏磁。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1)本发明提供一种使用tmr传感器(亦称tmr芯片)代替常规检测线圈的弱磁检测装置，具有高灵敏度、高分辨率特性，突破了常规涡流检测仪器无法检测深层缺陷的瓶颈，使用本发明设计的深层缺陷弱磁检测装置，可实现金属材料构件表面、次表面、深层缺陷的检测；

2)本发明的技术方案中，输出两通道(或称两路)双激励正弦信号或脉冲信号，两路激励信号是独立互不相干，激励线圈为对称布置的差分式双线圈结构，两个激励线圈结构尺寸、匝数等参数均相同，线圈串联接入激励电路，实现检测元件处的合磁场抵消，即检测探头输出近似为零，从而提高缺陷处微弱磁场相对变化率，提高缺陷检测灵敏度；

3)本发明的技术方案中，在两个矩形激励线圈的中间安装8个tmr传感器阵列组成的检测元件，为避免漏检和干扰，8个tmr芯片阵列呈一字行排列焊接在pcb板上，两者最小安全距为0.3mm，pcb板上8个通道分别并联电容保证电路安全，进而大大提高了检测效率，同时避免了常规线圈探头距离过近引起的互感；

4)本发明技术方案中的锁相放大电路由模拟乘法器和低通滤波器组成，模拟乘法器输入两个同频信号，经过模拟乘法器后的输出由差频分量与和频分量构成，消除了其他频率信号的干扰，提高了信噪比；

5)本发明技术方案中的tmr多阵列的深层缺陷弱磁检测装置结构简单，操作方便，检测灵敏度高达0.000001特斯拉，信号分辨率达0.5mv，检测精度高，克服了常规涡流检测次表面缺陷的瓶颈，可用于金属构件的深层缺陷检测。

附图说明

图1是本发明tmr多阵列深层缺陷弱磁检测装置的结构框图；

图2是本发明功率放大电路的电路图；

图3是本发明8个tmr多阵列电路板的印刷电路设计图；

图4是本发明的数据采集操作界面；

图5是本发明tmr多阵列弱磁检测装置对钛合金深层缺陷的检测信号图；

图6是本发明tmr多阵列弱磁检测装置对钛合金深层缺陷的检测图像。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，对本发明的技术方案做进一步说明。

本实例检测对象是tc4板试件进行检测，试件尺寸为200mm×400mm×5mm。在试件同一水平线方向上加工共6个槽型缺陷，从反面对缺陷进行检测，被检测缺陷1距表面深度3mm，缺陷尺寸(长×宽×高)为6mm×0.2mm×2mm；缺陷2距表面深度4mm，缺陷尺寸为6mm×0.2mm×1mm；缺陷3距表面深度3mm，缺陷尺寸为6mm×0.4mm×2mm；缺陷4距表面深度4mm，缺陷尺寸为6mm×0.4mm×1mm；缺陷5距表面深度3mm，缺陷尺寸为3mm×0.2mm×2mm；缺陷6距表面深度3mm，缺陷尺寸为12mm×0.2mm×2mm。

本发明的技术方案，提供了一种tmr多阵列的深层缺陷弱磁检测装置，其发明点在于，所述电磁检测装置包括：双激励信号发生模块、功率放大器模块、tmr阵列检测探头、电源模块、前级放大电路、滤波电路、后级放大电路、锁相放大电路、数据采集模块、上位机。

其中，所述双激励信号发生模块：输出两通道双激励正弦信号或脉冲信号，两路激励信号是独立互不相干，激励频率dc～1mhz，电脑端通过软件下发指令实现激励信号相位0-360°可调；dds输出的信号范围为0-3v，输出电压的精度为1mv，dds产生的信号经低通滤波器之后，将幅值放大到0-10v(旋钮可调)，分辨率为5mv。

上述方案中所述功率放大器模块：由于信号发生器输出功率较小，设计功率放大器以提高其驱动负载的能力，将双激励信号放大到±75v，电流有效值为0-2a，激励信号放大后经外接功能端传输给tmr阵列检测探头中对称布置的差分式双激励线圈。

进一步，上述功率放大器选用tda7294芯片，其前级采用低噪声、低失真的双极性晶体管电路，末级采用高耐压、大电流dmos管缓冲输出，且有较宽的电源电压输入范围，为±10v～±40v，频率响应为20hz-20khz，满足实验需求；其输出功率可达100w，保证了线圈产生易于检测缺陷的电涡流，采用输入耦合电容滤去直流干扰；由于所接负载为线圈，故需要通过电阻和电容进行相位补偿来消除自激。

上述方案中所述电源模块：在激励电路模块部分集成一个5v的电源模块，给tmr阵列传感器提供工作电压，8个通道上分别并联电容保证电路安全。

上述方案中所述前级放大电路：为了不失真地放大微弱的检测信号，在滤波前设计了一级放大电路；在测试过程中，当传感器工作电压为5v时，tmr输出的电压值约为200mv，放大倍数在1-100范围内可调，调节分辨率能设置成粗调和细调的方式，粗调分辨率为1倍，细调分辨率为0.1倍，采用数字按钮设置。

上述方案中所述滤波电路：当tmr输出信号频率为50hz-1mhz时，设计二阶高通滤波器的截止频率为50～75hz，滤除工频干扰和直流分量；当tmr输出信号频率为50hz以下时，设计二阶低通滤波器的截止频率为35～50hz。

上述方案中所述后级放大电路：信号幅值的放大倍数在1-100倍范围内可调，8路放大电路实现同步调整，并满足锁相放大器的工作范围。

上述方案中所述锁相放大电路：由模拟乘法器和低通滤波器组成，采用opa627对信号进行放大，ad630模拟带宽为2mhz，输入信号范围为百微伏至供电范围以内；在模拟乘法器工作时，检测信号经out1口输入，参考信号经pr口输入，该电路的滤波器采用二阶有源低通滤波器，截止频率为20hz，实现并行的8通道锁相放大电路信号电压输出幅值范围为-10v～10v，其信号输出线加工成bnc形式，外置，便于与信号采集系统连接。

进一步，上述锁相放大电路由模拟乘法器、低通滤波器组成，模拟乘法器同时输入检测信号e1和基准信号e2，分别为和其中e1、e2为检测信号和基准信号的幅值，f1、f2为检测信号和基准信号的频率，为检测信号和基准信号的相位。两个输入信号经过模拟乘法器之后，其输出信号为：即：经过模拟乘法器后的输出是由差频分量与和频分量构成。检测信号频率与激励信号的频率相同，即模拟乘法器的两个输入信号是同频的，所以经过低通滤波器之后，输出信号为：其中，为基准信号和检测信号的相位差，只有当基准信号与检测信号频率相同时，经过低通滤波器之后才会有信号输出，所以就消除了其他频率信号的干扰，提高了信噪比。

上述方案中所述数据采集系统：利用2张4通道的差分式电压信号ni/daq采集卡和labview虚拟仪器组成数据采集模块，提供14位的a/d转换分辨率，采样率可以达到20ms/s；tmr传感器阵列拾取磁场信号变化后进入调理电路，数据采集以labview为开发平台，编写labview程序对多通道采集的数据实时采集并传入上位机，进行数据实时采集、显示和保存工作。

具体的，本发明技术方案所述tmr多阵列深层缺陷弱磁检测装置的构成模块结构如图1所示。

为了克服现有超声检测、涡流检测等针对复杂腔结构内部裂纹在役原位检测的瓶颈，本发明的技术方案，提供了一种tmr多阵列的深层缺陷弱磁检测装置，该装置由双激励信号发生模块、功率放大器模块、tmr阵列检测探头、电源模块、前级放大电路、滤波电路、后级放大电路、锁相放大电路、数据采集模块、上位机组成。

其中，双激励信号发生模块用于产生频率幅值可调的正弦信号激励或脉冲信号激励，激励信号经过功率放大器放大后施加于tmr阵列探头的激励线圈上，从而使待测试件中产生涡流；tmr传感器阵列检测磁场变化信号后进入由前级放大电路、滤波电路、后级放大电路、锁相放大电路构成的调理电路，由ni采集卡和labview软件搭建的采集模块进行数据显示、采集和保存工作。

该技术方案工作原理是基于tmr(tunnelmagnetoresistance，磁电阻效应传感器，亦称磁阻传感器)多阵列探头测得试块磁场变化并判断缺陷是否存在，tmr多阵列传感器在很小的外磁场作用下，其磁隧道结结构中的铁磁层磁化方向就会发生变化，从而实现其穿隧电阻的巨大变化。这种磁场作用下材料电阻发生相对改变的磁电阻效应，其中mr为磁阻效应值，r(h)为外加磁场作用下材料的电阻值，r(0)为零外场作用下材料的电阻值。

所述的tmr多阵列组选用多维科技有限公司生产的tmr2901，采用dfn8封装形式，单片tmr2901的外形尺寸为3mm×3mm×0.75mm。tmr2901采用了一个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，其输出信号可表示为：其中，△v为tmr差分信号输出值，e为外接电压值，r1，r2，r3，r4为桥臂上4个电阻的电阻值，△r1、△r2、△r3、△r4为桥臂上电阻的变化值。

其中，本发明所设计的tmr多阵列检测探头激励线圈为对称布置的差分式双线圈结构，两个激励线圈结构尺寸、匝数等参数均相同，线圈串联接入激励电路；tmr多阵列为测量元件，由8个tmr传感器线性排列构成，其灵敏度为25mv/v/oe，工作电压为5v，实时测得试件表面磁感应强度大小。

如前所述，功率放大电路如图2所示，选用tda7294芯片，其前级采用低噪声、低失真的双极性晶体管电路，末级采用高耐压、大电流dmos管缓冲输出，且有较宽的电源电压输入范围，为±10v～±40v，频率响应为20hz-20khz，满足实验需求，其输出功率可达100w，采用输入耦合电容滤去直流干扰，通过电阻和电容相位补偿消除自激。

所述的8个tmr多阵列电路板的印刷电路图3所示，为避免漏检和干扰，8个tmr芯片阵列呈一字行排列嵌入焊接在矩形双层印刷pcb板上，两者最小安全距为0.3mm，pcb板上8个通道分别并联电容保证电路安全，传感器敏感轴方向为引脚方向，传感器上下方的引脚不能对提离高度产生影响，设计的印刷电路板，需消除引脚焊接带来的对高度(厚度)的影响。

所述的多通道数据采集操作界面如图4所示，以labview为开发平台编写程序搭建数据采集操作界面，采用2张4通道ni9775型数据采集卡，14位a/d转换分辨率，输入信号范围是±10v，采样率可以达到20ms/s，本发明编写的labview程序主要是实现对多通道采集的数据进行实时的显示和保存。

如前所述，利用本发明设计的tmr多阵列弱磁检测装置对深层缺陷5(距表面深度3mm，缺陷尺寸为3mm×0.2mm×2mm)和缺陷2(距表面深度4mm，缺陷尺寸为6mm×0.2mm×1mm；)进行检测，采用频率为10khz的正弦激励信号，探头沿缺陷长度方向依次扫查2、5号缺陷，检测结果如图5所示。

由图5可知，随着缺陷所处深度的增大，两处缺陷输出电压峰值明显，且可大致反映相对位置关系，从实验结果可以看出，该弱磁检测装置可以有效识别4mm下缺陷引起的10^-6t感应磁场的变化。

实施例：

以tc4板试件深层槽型缺陷为研究对象，使用本发明技术方案所述的tmr多阵列的深层缺陷弱磁检测装置对其深层缺陷进行检测。

在试件同一水平线方向上加工共6个槽型被检测缺陷尺寸分别为：缺陷1距表面深度3mm，缺陷尺寸(长×宽×高)为6mm×0.2mm×2mm；缺陷2距表面深度4mm，缺陷尺寸为6mm×0.2mm×1mm；缺陷3距表面深度3mm，缺陷尺寸为6mm×0.4mm×2mm；缺陷4距表面深度4mm，缺陷尺寸为6mm×0.4mm×1mm；缺陷5距表面深度3mm，缺陷尺寸为3mm×0.2mm×2mm；缺陷6距表面深度3mm，缺陷尺寸为12mm×0.2mm×2mm。

实验采用激励频率为10khz的正弦激励信号，探头沿缺陷长度方向依次扫查1-6号缺陷。

具体实验步骤为：

a、按照试验原理图正确连接弱磁检测装置、上位机(简称电脑)、tmr多阵列(简称探头)，并对设备进行调零；

b、打开相应数据采集软件，设定仪器检测参数，利用示波器来调试、设定tmr多阵列各通道工作状态及灵敏度，检测时不能更改相关的设定参数；

c、运行labview软件设定采集参数(采样率、采样点数等)，准备数据采集；

d、控制探头平稳扫查待测试件表面，在探头扫查过程进行信号的采集、数据记录与存储；

e、调整探头位置或扫查方向，重复上一步骤；

f、运行matlab软件查看并分析实验数据，对缺陷信号进行评判，对缺陷信号做好记录并进行复查；

g、按照编写的缺陷序号，记录缺陷相位、缺陷幅值及缺陷位置；

h、试件缺陷测量结束，整理好实验器材；

i、整理实验数据，再对得到的数据进行分析处理。

实验结果：

采用本发明的技术方案，较好地检测出了tc4板试件深层3mm下、4mm下缺陷，利用本发明设计的tmr多阵列弱磁检测装置对钛合金深层缺陷1～6号检测结果如图6所示，得到不同长度缺陷的磁感应强度bz分量分布的结果，直接反映了缺陷的长度变化，对比1、3号缺陷实验结果可知，电压信号幅值变化受缺陷宽度变化影响较小，缺陷宽度由0.2mm增加至0.4mm时，幅值变化增大约8％；对比1、2号缺陷实验结果可知，电压信号幅值变化受缺陷深度变化影响较大，实验表明该探头能有效检出tc4材料深层4mm下微小缺陷。

在上述实施例中，利用本发明技术方案所述的弱磁检测装置对6个缺陷检测，缺陷引起的信号幅值变化数据及其反算得到的试件表面磁感应强度bz分量如下表所示。

表1

对比分析1、5、6号缺陷实验结果，输出电压信号幅值变化受缺陷长度变化影响较大，缺陷长度由3mm增加至6mm时，缺陷引起的电压信号幅值变化增大约3倍，当缺陷长度由6mm增加至12mm时，缺陷引起的信号幅值变化增大约30％。对比1、3号缺陷实验结果可知，电压信号幅值变化受缺陷宽度变化影响较小，缺陷宽度由0.2mm增加至0.4mm时，幅值变化增大约8％。对比1、2号缺陷实验结果可知，电压信号幅值变化受缺陷深度变化影响较大，实验表明该探头能有效检出tc4材料深层4mm下微小缺陷。

实验结果表明，本发明的技术方案，满足了深层缺陷的测量要求，克服了常规线圈探头无法检测次表面缺陷的瓶颈，所采用的锁相放大器有效地消除了其他频率信号的干扰，提高了信噪比，大大提高了检测深度与灵敏度，成功检测出10^-6t微弱磁感应强度变化。

本发明的技术方案，采用tm多阵列传感器代替常规线圈探头来检测金属构件深层缺陷，突破了常规涡流线圈探头无法检测深层缺陷的瓶颈，可实现多种金属材料构件的表面、次表面、深层缺陷检测。该技术方案大大提高了检测深度与灵敏度，结构简单，操作方便，性能稳定，测量精度高。

本发明的技术方案可广泛用于金属构件的深层缺陷检测领域。