漏(lou)(lou)磁(ci)場有兩種拾取方法,既可(ke)以測(ce)量漏(lou)(lou)磁(ci)感(gan)應強度的絕對值,也可(ke)以測(ce)量漏(lou)(lou)磁(ci)感(gan)應強度的梯(ti)度值。
磁(ci)(ci)場(chang)傳感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)作用是將磁(ci)(ci)場(chang)轉換(huan)為(wei)電信號(hao)。按原理可分為(wei)體效應(ying)元件、面效應(ying)元件、P-N節(jie)注入(ru)和(he)表面復(fu)合效應(ying)元件、量子(zi)效應(ying)元件、磁(ci)(ci)致伸(shen)縮效應(ying)元件和(he)光纖(xian)磁(ci)(ci)傳感(gan)器(qi)(qi)等(deng)。磁(ci)(ci)場(chang)傳感(gan)器(qi)(qi)都是建(jian)立(li)在各種效應(ying)和(he)物理現象的(de)(de)(de)基礎之上的(de)(de)(de),表3-1給出了不同種類(lei)磁(ci)(ci)場(chang)傳感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)測量范(fan)圍,它們(men)的(de)(de)(de)敏感(gan)范(fan)圍差異較大(da)。在具體應(ying)用過(guo)程中,需要根據測量對象的(de)(de)(de)特點來選擇適合的(de)(de)(de)傳感(gan)器(qi)(qi)。
在不銹鋼管漏磁檢測中,常使用的有下列幾種磁敏傳感器。
1. 各(ge)向異性磁(ci)阻(zu)傳感器
各向(xiang)(xiang)異性(xing)(xing)磁(ci)(ci)(ci)阻(zu)傳感器 AMR(Anisotropic Magneto-Resistive sensors)由沉積在硅片上的坡(po)莫合金(Ni80Fe20)薄膜(mo)形成電(dian)(dian)(dian)阻(zu),沉積時(shi)(shi)外(wai)加(jia)磁(ci)(ci)(ci)場,形成易磁(ci)(ci)(ci)化軸方向(xiang)(xiang)。易磁(ci)(ci)(ci)化軸方向(xiang)(xiang)是指各向(xiang)(xiang)異性(xing)(xing)的磁(ci)(ci)(ci)體(ti)能獲(huo)得最佳磁(ci)(ci)(ci)性(xing)(xing)能的方向(xiang)(xiang),也就是無外(wai)界(jie)磁(ci)(ci)(ci)干擾時(shi)(shi)磁(ci)(ci)(ci)疇整(zheng)齊排(pai)列的方向(xiang)(xiang)。鐵磁(ci)(ci)(ci)材料的電(dian)(dian)(dian)阻(zu)與電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)和磁(ci)(ci)(ci)化方向(xiang)(xiang)的夾角有關,電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)與磁(ci)(ci)(ci)化方向(xiang)(xiang)平行(xing)時(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)R最大,電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)與磁(ci)(ci)(ci)化方向(xiang)(xiang)垂直時(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)Rmin最小,電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)與磁(ci)(ci)(ci)化方向(xiang)(xiang)成0角時(shi)(shi),電(dian)(dian)(dian)阻(zu)可表示(shi)為
R=Rmin+(Rmax-Rmin)cos2θ (3-2)
在(zai)磁阻傳感器中,為(wei)了消除溫(wen)度等外界因素(su)對輸出的影響,一般由4個相同的磁阻元(yuan)件構(gou)成惠斯(si)通電橋。理(li)論(lun)分析與(yu)實踐表明,采用45°偏置磁場(chang),當沿與(yu)易磁化軸垂直(zhi)的方向施加(jia)(jia)外磁場(chang),且外磁場(chang)強度不太大時(shi),電橋輸出與(yu)外加(jia)(jia)磁場(chang)強度呈線性關(guan)系。
2. 磁通(tong)門
磁(ci)(ci)通門傳感(gan)(gan)器(qi)又稱為(wei)磁(ci)(ci)飽和式磁(ci)(ci)敏傳感(gan)(gan)器(qi),它是利用某些(xie)高(gao)磁(ci)(ci)導率的軟磁(ci)(ci)性材(cai)料(如坡莫合金)做磁(ci)(ci)心(xin),以其在交直流磁(ci)(ci)場作(zuo)用下的磁(ci)(ci)飽和特性以及法拉第電磁(ci)(ci)感(gan)(gan)應(ying)原理研制(zhi)的磁(ci)(ci)場測(ce)量裝置。
這種磁敏傳感器的(de)最大特點是適(shi)合測量(liang)(liang)零磁場附近的(de)弱磁場。傳感器體積小,重量(liang)(liang)輕(qing),功耗(hao)低,不受磁場梯度影響(xiang),測量(liang)(liang)的(de)靈敏度可達0.01nT,并且可以和(he)磁秤混合使用(yong)。該裝置已(yi)普遍(bian)應(ying)用(yong)于航(hang)空(kong)、地面(mian)(mian)、測井等方面(mian)(mian)的(de)磁法勘探工(gong)作中。在軍事上,也可用(yong)于尋(xun)找地下武器(炮彈、地雷(lei)等)和(he)反潛。還(huan)可用(yong)于預報(bao)天然地震及空(kong)間磁測等。
3. 巨(ju)磁阻元件
物質在(zai)(zai)一(yi)定磁(ci)(ci)場作(zuo)用(yong)下(xia)電阻(zu)(zu)發(fa)生改變的(de)(de)(de)(de)(de)(de)現(xian)象,稱為(wei)磁(ci)(ci)阻(zu)(zu)效(xiao)應。磁(ci)(ci)性(xing)金(jin)(jin)屬(shu)和合金(jin)(jin)材(cai)料(liao)一(yi)般都有這種現(xian)象。一(yi)般情(qing)況(kuang)下(xia),物質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電阻(zu)(zu)率在(zai)(zai)磁(ci)(ci)場中僅發(fa)生微小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化,但在(zai)(zai)某種條件下(xia),電阻(zu)(zu)變化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)幅度相(xiang)當大,比通常情(qing)況(kuang)下(xia)高(gao)十余倍,稱為(wei)巨磁(ci)(ci)阻(zu)(zu)效(xiao)應(GMR)。這種效(xiao)應來自(zi)于載流電子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同自(zi)旋(xuan)狀態與磁(ci)(ci)場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)不(bu)同,因而(er)(er)導致電阻(zu)(zu)值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化。GMR是一(yi)個量子力(li)學效(xiao)應,它(ta)是在(zai)(zai)層(ceng)(ceng)狀的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)性(xing)薄(bo)(bo)膜結構(gou)中觀察(cha)到的(de)(de)(de)(de)(de)(de),這種結構(gou)由(you)鐵(tie)磁(ci)(ci)材(cai)料(liao)和非(fei)磁(ci)(ci)材(cai)料(liao)薄(bo)(bo)層(ceng)(ceng)交替(ti)疊合而(er)(er)成。當鐵(tie)磁(ci)(ci)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)矩相(xiang)互(hu)平行(xing)時,載流子與自(zi)旋(xuan)有關(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)散(san)射(she)(she)最(zui)小,材(cai)料(liao)有最(zui)小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電阻(zu)(zu)。當鐵(tie)磁(ci)(ci)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)矩為(wei)反向平行(xing)時,與自(zi)旋(xuan)有關(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)散(san)射(she)(she)最(zui)強,材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電阻(zu)(zu)最(zui)大。
構成(cheng)GMR磁(ci)(ci)(ci)(ci)頭和(he)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)核(he)心元(yuan)件(jian)是自旋閥(spin valve)元(yuan)件(jian)。它的(de)(de)(de)(de)基(ji)本結構是由釘(ding)扎磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)層(ceng)(ceng)(如Co)、Cu間(jian)隔(ge)層(ceng)(ceng)和(he)自由磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)層(ceng)(ceng)(如NiFe等(deng)易磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)層(ceng)(ceng))組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)多(duo)層(ceng)(ceng)膜。由于釘(ding)扎磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)矩與(yu)自由磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)矩之間(jian)的(de)(de)(de)(de)夾角發(fa)生變(bian)化(hua)會導致SV-GMR元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)電阻值改變(bian),進(jin)而(er)使輸出(chu)電流發(fa)生變(bian)化(hua)。運(yun)用(yong)SV-GMR元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi),其檢(jian)測靈敏度比使用(yong)MR元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)高(gao)幾個數量(liang)級(ji),更(geng)容(rong)易集成(cheng)化(hua),封裝尺寸(cun)更(geng)小(xiao),可(ke)靠性(xing)更(geng)高(gao)。它不僅可(ke)以取代以前的(de)(de)(de)(de)MR傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi),還(huan)可(ke)以制成(cheng)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)陣列,實(shi)現智能化(hua),用(yong)來表述通行車(che)輛(liang)、飛機(ji)機(ji)翼(yi)、建筑(zhu)防護裝置(zhi)或管(guan)道系統中(zhong)隱蔽缺陷的(de)(de)(de)(de)特征,跟(gen)蹤(zong)地磁(ci)(ci)(ci)(ci)場的(de)(de)(de)(de)異常現象等(deng)。當前,GMR傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)已(yi)在液壓氣缸位置(zhi)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)、真假紙(zhi)幣(bi)識別、軸承編(bian)碼、電流檢(jian)測與(yu)控制、旋轉位置(zhi)檢(jian)測、車(che)輛(liang)通行情況檢(jian)測等(deng)領域得到應用(yong)。
4. 霍爾元件(jian)
霍爾(er)元件(jian)在(zai)漏磁檢測中應(ying)用較(jiao)為廣泛。霍爾(er)元件(jian)是由半導體(ti)材料制成的(de)一種晶體(ti)。當(dang)給晶體(ti)材料通以(yi)電流并置于磁場(chang)(chang)之中時,在(zai)晶體(ti)的(de)兩面(mian)就會產(chan)生(sheng)電壓,電壓的(de)大(da)小與磁場(chang)(chang)強度成正比關系。
固體(ti)導(dao)電(dian)材(cai)料幾乎(hu)可以使電(dian)子(zi)(zi)暢通無(wu)阻(zu)地流(liu)過(guo),就像傳統的臺(tai)球(qiu)模型演示的那樣(yang),晶體(ti)點陣上的離子(zi)(zi)不會使傳導(dao)電(dian)子(zi)(zi)發(fa)生折(zhe)射。當電(dian)流(liu)由(you)晶體(ti)的一端(duan)輸入(ru)時,電(dian)子(zi)(zi)或者相互之間發(fa)生折(zhe)射,或者向著晶體(ti)的另一端(duan)折(zhe)射。
根據固體物理理論可知,晶體上的電壓(ya)Vh為: Vh=RhIBz/b (3-3)
式中,1為(wei)(wei)所使用的電(dian)流(liu);Bz為(wei)(wei)磁場(chang)強度(du)在(zai)垂直于電(dian)流(liu)方向(xiang)上(shang)的分量(liang);b為(wei)(wei)晶體在(zai)磁場(chang)方向(xiang)上(shang)的厚度(du);Rh為(wei)(wei)霍爾系(xi)數。
一般(ban)情況下,如果晶(jing)體(ti)與磁場B之(zhi)間成(cheng)一定夾(jia)角,則 B2=Beosθ。
由金屬制(zhi)(zhi)成的(de)霍爾(er)元(yuan)(yuan)件(jian)并(bing)不(bu)是(shi)最(zui)好的(de),因(yin)為金屬的(de)霍爾(er)系(xi)數(shu)都很低(di)。根(gen)據霍爾(er)元(yuan)(yuan)件(jian)工作原理,霍爾(er)系(xi)數(shu)越大,霍爾(er)電壓也就越高。因(yin)此,在制(zhi)(zhi)作霍爾(er)元(yuan)(yuan)件(jian)時(shi),一(yi)般選用(yong)元(yuan)(yuan)素(su)周期表中第(di)II和第(di)IV族(zu)元(yuan)(yuan)素(su)混合制(zhi)(zhi)作,而且其對溫度的(de)變化也最(zui)不(bu)敏感。此區域的(de)元(yuan)(yuan)素(su),載流(liu)子一(yi)般為空(kong)位而不(bu)是(shi)電子。
5. 感應線圈(quan)
感(gan)應(ying)(ying)(ying)(ying)線圈是鋼管漏磁檢(jian)測中應(ying)(ying)(ying)(ying)用最為廣泛(fan)的磁敏(min)傳感(gan)器(qi),主要有水平和垂直線圈兩(liang)種布置方(fang)式,如(ru)圖3-2所(suo)示(shi)。根據提離(li)效應(ying)(ying)(ying)(ying)和法(fa)拉第(di)電(dian)磁感(gan)應(ying)(ying)(ying)(ying)定律,為了(le)使檢(jian)測信號(hao)與缺陷(xian)特征(zheng)之間(jian)具有良好的對應(ying)(ying)(ying)(ying)關系,感(gan)應(ying)(ying)(ying)(ying)線圈提離(li)距離(li)以及掃查速(su)度應(ying)(ying)(ying)(ying)盡量(liang)保持恒定。
水平線圈(quan)(quan)以速度(du)v穿越缺陷上部(bu)(bu)漏(lou)磁場時(shi)所產(chan)(chan)生的感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動(dong)勢應(ying)(ying)為線圈(quan)(quan)前沿和尾部(bu)(bu)感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動(dong)勢之差。設線圈(quan)(quan)長(chang)度(du)為l、寬度(du)為2w、提離值為h1、匝數(shu)為,線圈(quan)(quan)前沿產(chan)(chan)生電(dian)動(dong)勢為SueR,線圈(quan)(quan)尾部(bu)(bu)產(chan)(chan)生電(dian)動(dong)勢為eL,線圈(quan)(quan)產(chan)(chan)生感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動(dong)勢為Δe,根據法拉第電(dian)磁感(gan)應(ying)(ying)定律(lv)可得
此外,從圖3-3中可(ke)以(yi)看出(chu),水平線(xian)圈(quan)輸(shu)(shu)出(chu)感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)本質(zhi)為處于(yu)同一提離高度(du)的(de)前后導線(xian)在同一時(shi)(shi)刻的(de)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)差(cha)動(dong)(dong)(dong)輸(shu)(shu)出(chu)。因此,感(gan)應(ying)(ying)線(xian)圈(quan)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)(shu)出(chu)與線(xian)圈(quan)寬度(du)有關,并存(cun)在最佳寬度(du)使得線(xian)圈(quan)輸(shu)(shu)出(chu)最大(da)感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)。此時(shi)(shi),線(xian)圈(quan)運動(dong)(dong)(dong)至缺(que)陷中間位置(zhi),并且前沿產生正向極值(zhi)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)而尾部產生反(fan)向極值(zhi)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi),經過差(cha)動(dong)(dong)(dong)后可(ke)獲(huo)取(qu)最高感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)(shu)出(chu)。根(gen)據(ju)式(3-11),當x=0時(shi)(shi),可(ke)獲(huo)得感(gan)應(ying)(ying)線(xian)圈(quan)位于(yu)缺(que)陷中間位置(zhi)時(shi)(shi)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)Δeo與線(xian)圈(quan)寬度(du)參數w的(de)關系式Δeo(w),即
同(tong)樣,設置缺(que)(que)陷寬度2b為(wei)0.5mm,深度d為(wei)0.75mm以及(ji)感應(ying)線(xian)(xian)(xian)圈提(ti)離高(gao)度h1為(wei)0.25mm,根(gen)據式(3-13)可獲得最(zui)佳線(xian)(xian)(xian)圈寬度參(can)數wo為(wei)0.3253mm。根(gen)據線(xian)(xian)(xian)圈最(zui)佳寬度參(can)數重新計算感應(ying)線(xian)(xian)(xian)圈前沿、尾(wei)部以及(ji)整體輸出感應(ying)電動(dong)勢(shi)曲線(xian)(xian)(xian),如圖3-4所示。從圖中可以看出,當線(xian)(xian)(xian)圈移動(dong)到(dao)缺(que)(que)陷正上方時(shi),線(xian)(xian)(xian)圈前沿感應(ying)電動(dong)勢(shi)輸出極小(xiao)值而(er)尾(wei)部輸出極大值,經差動(dong)后水平線(xian)(xian)(xian)圈輸出電動(dong)勢(shi)達到(dao)最(zui)大值。檢測線(xian)(xian)(xian)圈的(de)最(zui)優(you)寬度參(can)數與缺(que)(que)陷尺(chi)寸和傳(chuan)感器提(ti)離值有關。在(zai)實(shi)際生(sheng)(sheng)產(chan)過(guo)程中,可根(gen)據鋼管(guan)軋制過(guo)程中產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)自然缺(que)(que)陷特征對檢測線(xian)(xian)(xian)圈寬度進行(xing)優(you)化設計,以達到(dao)最(zui)佳的(de)檢測效果。
下面(mian)進一步(bu)討論(lun)垂直線圈(quan)漏磁信號輸(shu)出(chu)特性。
如圖3-5所示(shi),垂直線(xian)圈(quan)以速度,穿(chuan)越缺陷上部(bu)漏磁場時(shi)所產生(sheng)(sheng)的電(dian)動(dong)勢輸出應(ying)為(wei)(wei)線(xian)圈(quan)頂(ding)部(bu)和底部(bu)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢之差。設線(xian)圈(quan)長(chang)度為(wei)(wei)l、匝數為(wei)(wei)、寬度為(wei)(wei)2w、中心提離值為(wei)(wei),線(xian)圈(quan)頂(ding)部(bu)產生(sheng)(sheng)電(dian)動(dong)勢為(wei)(wei)er,線(xian)圈(quan)底部(bu)產生(sheng)(sheng)電(dian)動(dong)勢為(wei)(wei)eB,線(xian)圈(quan)產生(sheng)(sheng)整體(ti)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢為(wei)(wei)Δe,根(gen)據法拉第(di)電(dian)磁感(gan)應(ying)定律可得
從(cong)圖3-5中可(ke)以(yi)看出,eт、eB和e三(san)者(zhe)波形相似(si),垂(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈輸(shu)(shu)出感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)本質(zhi)為上下(xia)(xia)兩根導線(xian)(xian)(xian)在同一時(shi)刻的(de)(de)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)差動(dong)(dong)輸(shu)(shu)出。在缺陷(xian)中心位置,垂(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)輸(shu)(shu)出為零,而(er)在缺陷(xian)兩端附近感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)具(ju)有最大(da)(da)輸(shu)(shu)出值。垂(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈頂部和底部距離(li)越(yue)大(da)(da),整體感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)輸(shu)(shu)出越(yue)大(da)(da)。因(yin)此,在條件允許的(de)(de)情況下(xia)(xia),垂(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈應(ying)盡量貼(tie)近鋼管表面并可(ke)通過(guo)增大(da)(da)線(xian)(xian)(xian)圈的(de)(de)寬度來(lai)提高電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)輸(shu)(shu)出。但在設計線(xian)(xian)(xian)圈寬度時(shi)必須考慮背景(jing)噪聲的(de)(de)影響(xiang),垂(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈寬度越(yue)大(da)(da),線(xian)(xian)(xian)圈包(bao)含的(de)(de)背景(jing)噪聲越(yue)多,從(cong)而(er)會降低缺陷(xian)漏(lou)磁信(xin)號的(de)(de)信(xin)噪比(bi)。