一种基于TMR磁阻传感器阵列的金属构件深层缺陷的电磁检测探头

摘要

一种基于TMR磁阻传感器阵列的金属构件深层缺陷的电磁检测探头，属检测领域。包括矩形双层印刷TMR电路板、TMR磁阻传感器组、TMR阵列检测元件、第一、第二线圈骨架、第一、第二矩形激励线圈、探头主外壳和探头副外壳；TMR阵列检测元件安装在第一矩形激励线圈和第二矩形激励线圈的几何中心位置；电磁检测探头的扫描方向垂直于TMR阵列检测元件的排布方向。其选用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，不仅可以检测非铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷，亦可检测铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷，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。

说明书

技术领域

本发明属于电磁无损检测领域，尤其涉及一种用于检测金属构件深层缺陷的电磁检测探头。

背景技术

涡流检测是利用电磁感应原理的一种无损检测方法，被检工件导体内部电涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加，使得检测线圈的复阻抗幅值、相位发生变化，通过分析检测线圈的阻抗变化，可以获得被测试件的内部结构、材质分布、是否存在缺陷以等信息。

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深层缺陷处微弱磁场变化，可以适合各种检测对象的新型电磁检测探头，是实际研究工作中急待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于TMR磁阻传感器阵列的金属构件深层缺陷的电磁检测探头。其选用最新高灵敏度、高频率响应特性的TMR磁阻传感器组来代替常规线圈探头，能够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，可实现多种材料构件的缺陷检测，不仅可以检测非铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷，亦可检测铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷，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。

本发明的技术方案是：提供一种基于TMR磁阻传感器阵列的金属构件深层缺陷的电磁检测探头，其特征是：

电磁检测探头包括矩形双层印刷TMR电路板1、TMR磁阻传感器组2、TMR阵列检测元件3、第一线圈骨架4a、第一矩形激励线圈5、第二线圈骨架4b、第二矩形激励线圈6、探头主外壳8和探头副外壳9；

其中，所述的矩形双层印刷TMR电路板1为一个具有第一侧面和第二侧面的矩形双层印刷TMR电路板；矩形双层印刷TMR电路板1作为TMR磁阻传感器组2的基底载体，利用矩形双层印刷TMR电路板第一侧面、第二侧面的表面和两个侧面之间的接合面，布置TMR磁阻传感器组的部件；

在矩形双层印刷TMR电路板1第一侧面的表面，采用印刷电路板制作工艺，将3个TMR磁阻传感器下方的引脚等间隔地印刷在矩形双层印刷TMR电路板1的第一侧面的表面；

在矩形双层印刷TMR电路板1第二侧面的表面，将3个TMR磁阻传感器按0.3mm等间隔地嵌入在矩形双层印刷TMR电路板1第二侧面层的表面，TMR磁阻传感器引脚离电路板底端高度小于0.1mm，以消除引脚焊接带来的提离影响；

所述的探头主外壳8和探头副外壳9分别为一个下端开口的半封闭式结构，两者组合构成一套可拆分的、兼有夹具功能的探头封装外壳；

在探头主外壳8和探头副外壳9的下端开口处，分别对应设置第一线圈骨架4a和第二线圈骨架4b；在第一线圈骨架4a固定有第一矩形激励线圈5，在第二线圈骨架4b上固定有第二矩形激励线圈6；

所述的矩形双层印刷TMR电路板1设置在探头主外壳8和探头副外壳9的壳体之间。

进一步的，在所述探头主外壳8和探头副外壳9的下端开口处，设置有PVC绝缘薄膜7，用于封闭探头主外壳8和探头副外壳9的下端开口处。

进一步的，所述的探头主外壳8和探头副外壳9的横截面为矩形。

具体的，所述的第一矩形激励线圈5和第二矩形激励线圈6采用串联组合方式，呈对称结构形式布置，第一矩形激励线圈5和第二矩形激励线圈6的匝数、形状、大小均相等，采用对称形式的布置模式。

进一步的，所述的TMR阵列检测元件3安装在第一矩形激励线圈5和第二矩形激励线圈6的几何中心位置，方向与两个矩形激励线圈平行，以确保TMR阵列检测元件处的合磁场抵消。

具体的，所述的矩形双层印刷TMR电路板1使用印刷电路板制作工艺，将3个TMR磁阻传感器电源引脚Vcc并行与5V稳压直流电源相连，TMR磁阻传感器输出信号引脚并行连接到逻辑开关电路，再与信号采集装置相连，接地引脚GND与检测探头公共接地端相连。

进一步的，所述探头主外壳8的上端面设置有一个线路导出孔10，用于固定探头的各路连接线。

具体的，所述电磁检测探头的扫描方向垂直于TMR阵列检测元件3的排布方向。

进一步的，所述TMR磁阻传感器组2与第一矩形激励线圈4和第二矩形激励线圈6的安装位置应满足：当探头远离被测工件且施加激励信号时，在TMR阵列检测元件3处形成的合磁场抵消，即检测探头输出为零或近似为零，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。

本发明技术方案所述的电磁检测探头采用TMR磁阻传感器组或磁阻传感器阵列来检测金属构件深层缺陷，不仅能够检测非铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷，还能够检测铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1本发明的技术方案，提供一种了基于TMR磁阻传感器阵列的电磁检测探头，使用磁阻传感器代替常规线圈探头，突破了常规涡流线圈探头无法检测深层缺陷的瓶颈，具有高灵敏度、高频率响应特性以及较好的低频性能，使用本技术方案的探头，可实现多种材料构件的缺陷检测，不仅可以检测非铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷，亦可检测铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷。

2本发明的技术方案中，第一矩形激励线圈和第二矩形激励线圈的匝数、形状、大小均相等，采用串联组合、呈对称形式布置，可以通过增减探头主外壳螺栓间的垫片数量对激励线圈位置进行微调，确保TMR阵列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位置安装3个TMR磁阻传感器组成的阵列检测元件，能获得远多于单个常规线圈式探头检测时获得的信息，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现象。

4本发明的技术方案中设计的探头主外壳、副外壳兼顾定位夹具与保护作用，还可以对元件的布置位置进行微调，实现不同工况下的缺陷电磁检测。

5本发明的技术方案中，电磁检测探头各部件的连接线全部集成在矩形双层印刷TMR电路板一个侧面的表面，使探头结构简单，易于组装。

6本发明技术方案中设计的电磁检测探头结构简单，操作方便，高灵敏度(25mV/V/Oe)，低本底噪声(2nT/rt(1Hz))，且测量精度高可达0.000001V，高分辨率采样频率可达100kHz。

附图说明

图1a是本发明TMR磁阻传感器阵列电磁检测探头的机械结构示意图；

图1b是本发明矩形双层TMR电路板的结构示意图；

图2是本发明的矩形双层TMR电路板的印刷电路设计图；

图3是本发明的3个TMR磁阻传感器芯片电源引脚和输出信号引脚接线图；

图4是本发明的第一、第二矩形激励线圈的线圈设计参数；

图5是采用本发明的TMR磁阻传感器阵列电磁检测探头检测TC4板材深层裂纹缺陷的检测信号图；

图6是本发明线圈骨架和矩形激励线圈的结构示意图；

图7是本发明矩形激励线圈几何中心的位置示意图；

图8是图7的E—E’剖面结构示意图。

图中，1为矩形双层印刷TMR电路板；2为TMR磁阻传感器组；3为TMR阵列检测元件；4a为第一线圈骨架；4b为第二线圈骨架，5为第一矩形激励线圈；6为第二矩形激励线圈；7为PVC绝缘薄膜；8为探头主外壳；9为探头副外壳；10为线路导出孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本实例检测对象是TC4钛合金板材其外形尺寸为250mm×250mm×5mm，检测该板材3mm下的缺陷，被检测缺陷尺寸为4mm×0.2mm×2mm。

本发明技术方案所述的基于TMR磁阻传感器阵列的金属构件深层缺陷的电磁检测探头，结构如图1a和图1b中所示。

该技术方案的工作原理是基于TMR(Tunnel Magneto Resistance，磁电阻效应传感器，亦称磁阻传感器)磁阻传感器阵列的电阻随着被检件感应磁场的改变，其磁隧道结MTJs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，从而电磁检测探头输出电压信号的振幅与检测磁场呈线性关系。其输出信号可表示为：

如图1a和图1b中所示，本技术方案所述的一种基于TMR磁阻传感器阵列的金属构件深层缺陷的电磁检测探头，由矩形双层印刷TMR电路板1、TMR磁阻传感器组2、TMR阵列检测元件3、线圈骨架图1中用第一线圈骨架4a和为第二线圈骨架4b来表示、第一矩形激励线圈5、第二矩形激励线圈6、PVC绝缘薄膜7、探头主外壳8、探头副外壳9、线路导出孔10组成。

其中，矩形双层印刷TMR电路板为TMR磁阻传感器组的基底，利用其第一、第二侧面亦称左、右两层的表面和两层间的接合面，布置TMR磁阻传感器组的部件。

在矩形双层印刷TMR电路板第一侧面的表面，采用印刷电路板制作工艺，将3个TMR磁阻传感器下方的引脚等间隔地印刷在电路板第一侧面的表面，3个TMR磁阻传感器电源引脚V

在矩形双层印刷TMR电路板第二侧面的表面，将3个TMR磁阻传感器按0.3mm等间隔地嵌入在该双层印刷电路板第二侧面的表面，3个TMR磁阻传感器贴合在电路板的底部即前述的两个侧面之间的接合面设置，以降低提离影响。

所述的TMR磁阻传感器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，包含四个高灵敏度TMR传感器元件，当外加磁场沿平行于磁敏感元件方向变化时，惠斯通电桥有差分电压输出。其频响范围为100kHz，高灵敏度(25mV/V/Oe)，低本底噪声(2nT/rt(1Hz))，使用5V稳压直流电源供电，其频响范围为100kHz，高灵敏度(25mV/V/Oe)，低本底噪声(2nT/rt(1Hz))，使用5V稳压直流电源供电，采用DFN8封装形式，单片TMR2901的外形尺寸为3mm×3mm×0.75mm。

如前所述的推挽式惠斯通全桥结构的输出信号可表示为：

其中，ΔV为TMR差分信号输出值，E为外接电压值，R

所述TMR阵列检测元件的结构如图1b和图2所示，由矩形双层印刷TMR电路板与3个TMR磁阻传感器组嵌入合成，TMR磁阻传感器组贴合电路板底部，以降低提离带来的影响，TMR之间的距离为0.3mm，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TMR阵列检测元件的电路连接关系如图3所示，3个TMR磁阻传感器电源引脚V

由于图3是按相应国标规定的方式绘制，本领域的技术人员，均可毫无疑义地确定其中各个元器件管脚之间的连接关系和相应的标注，故其中各个元器件管脚之间的连接关系在此不再叙述。

所述的线圈骨架采用树脂材料3D打印成型，四个侧面为矩形结构，上板四边与相近侧面平行，骨架中心开通孔并以米字型连接四侧面，通孔直径等于通过该孔的绕制线圈轴直径；线圈骨架外尺寸用于安装定位线圈，要求上板外尺寸即横向截面尺寸大于侧面外尺寸即纵向截面尺寸，两者之间的尺寸差为两倍线圈层数×线圈直径。

具体的，所述第一矩形激励线圈和第二激励线圈中间合磁场可用根据毕奥-萨伐尔定律计算，线圈在空间某点处产生的磁感应强度与电流的大小成正比，

在均匀介质板件中，当TMR阵列检测元件安装中两个对称激励线圈几何中间时，第一激励线圈产生的磁感应强度与第二激励线圈产生的磁感应强度大小相等，方向相反，即激励磁场在传感器阵列所在的中轴线上完全对称，相互抵消。当缺陷进入检测区域时，两侧线圈产生的磁场不能完全抵消，故而在传感器所在中轴线上表现为磁感应强度的变化。磁感应强度的变化，引起了TMR传感器磁隧道结的电阻变化，进而实现了传感器输出电压的变化；采用此种方式能有效提高缺陷引起的传感器差模输出信号的相对变化率，提高检测灵敏度。

所述的第一矩形激励线圈和第二矩形激励线圈的匝数、形状、大小均相等，采用串联组合、呈对称形式布置，可以通过增减外壳连接螺栓间的垫片数量实现对激励线圈位置微调的功能，实现TMR阵列检测元件处的合磁场抵消，即检测探头输出近似为零，采用此种方式能有效提高缺陷引起的传感器差模输出信号的相对变化率，提高缺陷检测灵敏度。

所述矩形激励线圈的参数设计参考值如图4所示，线圈200匝、线径0.4mm、线圈内尺寸74mm×34mm、线圈外尺寸84mm×44mm、线圈高度10mm。经实验验证该参数值的两个矩形线圈几何中间感应磁场产生的电压信号幅值近似为零，而缺陷信号的相对变化率较大，可以有效识别缺陷处磁场变化。

在所述探头主外壳和探头副外壳的下端开口处，设置有PVC绝缘薄膜，用于封闭探头主外壳和探头副外壳的下端开口处。

所述的PVC绝缘薄膜厚度为0.1mm，包覆在第一、第二线圈骨架亦称线圈夹具的下底面，薄膜长宽尺寸小于线圈夹具底面外形尺寸。

本技术方案中的探头主外壳、探头副外壳组成一套可拆分的兼有夹具功能的探头封装外壳，可以通过螺栓组进行简易拆装，其卡槽分别用于固定第一矩形激励线圈、第二矩形激励线圈以及TMR阵列检测元件，探头主外壳上层表面的线路导出孔用于固定探头各路连接线。

如图6中所示，线圈骨架上固定有矩形激励线圈(图中以第一线圈骨架4a和第一矩形激励线圈5为例)，第一矩形激励线圈和第二矩形激励线圈的匝数、形状、大小均相等，采用对称形式的布置模式；线圈骨架的横截面外尺寸大于侧面外尺寸。

在本技术方案中，TMR阵列检测元件3安装在第一矩形激励线圈5和第二矩形激励线圈6的几何中心，方向与两个矩形激励线圈平行。

具体的，如图7中所示，从第一矩形激励线圈和第二矩形激励线圈所在平面的上方俯视来看，本发明所述第一矩形激励线圈5和第二矩形激励线圈6的几何中心，是从矩形框ABCD的四个角，用线段AD、BC相交，从而得到的交点O，这就是本发明所述第一矩形激励线圈和第二矩形激励线圈的几何中心。

TMR阵列检测元件3安装在第一矩形激励线圈和第二矩形激励线圈的几何中心O点处。

进一步的，图8是图7的E—E′剖面结构示意图。

由图可知，TMR阵列检测元件3的安装方向(图中用L′来表示)与两个矩形激励线圈所在的平面(图中用L来表示)相平行。此即前述的TMR阵列检测元件3安装的方向与两个矩形激励线圈平行。

本实施例的具体实验步骤为：

A、准备电磁检测实验装置，包括信号发生器、功率放大器、线性TMR阵列探头、待测试件、信号调理模块及采集卡、计算机等，根据如图1a和图1b所示结构安装搭建实验装置，连接仪器电源线、信号线；

B、构建传感器线圈即前述的第一、第二矩形激励线圈，两个线圈以串联方式相接，TMR线性阵列布置于两线圈对称中心线上。线圈中电流形成通路后，两线圈电流方向相反一为顺时针方向，一为逆时针方向。由于电流方向相反，当试件材料引起的趋肤效应作用于磁场范围内时，激励线圈产生的磁场在中心线上相互抵消使得传感器输出信号保持在较小范围。而缺陷引起的局部线圈磁场变化在线性阵列TMR传感器中使得一部分TMR传感器产生阻值变化，从而能测出缺陷；

C、传感器线圈激励端信号发生器、功率放大器和传感器阵列数据采集接收端数据采集卡、采集卡机箱、计算机供电；

D、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；

E、控制探头平稳扫查待测试件表面，采集记录数据；

F、调整探头位置或扫查方向，重复上一步骤；

G、运行MATLAB软件查看并分析实验数据；

H、试件缺陷测量结束，整理实验仪器设备；

I、整理实验数据。

由于信号发生器、功率放大器、数据采集卡、计算机、LABVIEW软件等均为现有技术，其相互之间的连接关系和具体操作步骤在此不再重复。本领域的技术人员，在掌握和了解了本发明要解决的技术问题以及相对应的技术方案后，完全可以毫无异义地再现本发明的技术方案，取得相同的技术效果。

实施例：

以TC4板材深层缺陷为研究对象，使用上述发明的基于TMR磁阻传感器阵列的金属构件深层缺陷的电磁检测探头对其进行检测。被测缺陷长宽高尺寸分别为4mm×0.2mm×2mm，缺陷位于TC4试件表面下方3mm深处，实验中信号发生器对激励线圈施加0.2A的正弦信号，激励频率为1kHz～10kHz。

实验结果：

本发明较好地检测出了TC4深层3mm下缺陷，其在5kHz、0.2A正弦信号激励下对缺陷检测的结果如图5所示，从图5中可以看出：采用双矩形线圈激励下，在没有缺陷的位置，TMR阵列采集到的信号维持在较小水平；当传感器探头经过缺陷时，缺陷引起的磁场变化被TMR阵列采集，随着缺陷垂直于线圈对称线进入和离开TMR阵列位置时，信号幅值呈现先增大后减小的趋势，信号达到峰值时，相对于无缺陷时的信号幅值增大了15mV。

实验结果表明，本发明的技术方案，满足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，大大提高了检测深度与灵敏度。探头结构简单，性能稳定，检测结果可靠。

本发明的技术方案，采用TMR磁阻传感器组或磁阻传感器阵列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，可实现多种材料构件的缺陷检测，不仅能够检测非铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷，还能够检测铁磁性材料构件的表面、次表面、深层缺陷。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。

本发明可广泛用于电磁检测探头的设计和制造领域。