（机械电子工程专业论文）裂解炉管渗碳层厚度检测方法的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 渗碳是裂解炉管的主要损伤形式。在裂解炉管失效之前，对裂解炉管渗碳层厚检测 是非常必要的。本文是在国家8 6 3 项目“大型乙烯裂解装置中高温损伤构架的寿命预测 技术研究及应用”的基础上展开的研究。 论文首先概述了国内外渗碳层厚度检测的方法，分析涡流测量厚度的原理，针对电 涡流无损检测技术存在的不足，应用了基于巨磁阻传感器的渗碳层厚度检测技术，设计 g m r 渗碳层厚度检测探头的方案。 完成了基于g m r 渗碳层厚检测实验系统的搭建与实验分析。硬件设计方面主要完 成传感器的选择，调理电路的设计，探头设计。通过实验得出：炉管中渗碳的磁性与薄 铁片的磁性相差不大；论证了薄铁片模拟渗碳层厚度变化的可行性；激励频率在8 0 h z 产生的磁场能穿透整个裂解炉管；激励频率在2 5 0 h z 产生的磁场刚好能穿透裂解炉管表 面的氧化层。最后做出电压与模拟渗碳厚度的拟合曲线。 为了有效进行数据的后处理和利用p c 机的资源，设计基于p c 机上的渗碳层厚检测 系统。使用相关滤波原理对测试信号滤波。在p c 机上开发了基于l a b v i e w 的采集和相 关滤波软件。 论文最后在探头及后处理软件可行性的基础上论证了设计渗碳层厚度检测便携仪器 的可行性。主要完成了c p u 处理模块的选择、激励磁场的电路与调理电路设计、接口、 显示模块设计，以及相关软件设计的流程。 关键词：g m r 传感器裂解炉管渗碳层厚度相关滤波虚拟仪器 a b s t r a c t a b s t r a c t c a r b u r i z i n gi st h em a i nd a m a g ei nc r a c k i n gf u m a c et u b e d e t e c t i n gt h ec a r b u r i z e dl a y e r s t h i c k n e s si sn e c e s s a r yb e f o r et h ec r a c k i n gf u r n a c ed on o tw o r k t h er e s e a r c ha b o u tt h em e t h o d o fc a r b u r i z i n gt h i c k n e s si n s p e c t i o no fc r a c k i n gf u r n a c et u b ei ss u p p o r t e db yn a t i o n a l8 6 3 f u n d a t i o no fc h i n a f i r s t l y , c a r b u r i z e dl a y e r s t h i c k n e s st e s t i n gm e t h o d sa r es u m m a r i z e da th o m ea n d a b r o a d t h ep i n c i p l eo ft h ee c tt h i n c k n e s st e s t i n gi si n t r o d u c e db r i e f l y a i m i n ga tt h es h a r t a g e o nt h ee c tt h i c k n e s st e s t i n gt e c h n o l o g y , t h ec a r b u r i z e dl a y e r st h i c k n e s st e s t i n gs y s t e mb a s e d o ng m rs e n s o ri sp u tf o r w a r d f i n a l l yt h ed e s i g no nt h es t r u c t u r eo ft h eg m k t e c h n o l o g y t h i c k n e s st e s t i n gi sd i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n t a lt e s t i n gs y s t e mo ft h ec a r b u r i z e dl a y e r st h i c k n e s sb a s e do ng m ri s s e t t e du pb yt h eh a r d w a r ei n c l u d e dd e s i g n i n gp r o b e ，m a g n i f y i n ga n df i l t e r i n gc i r c u i t t h e c o n c l u s i o n sa r eg o ti nt h ee x p e r i m e n t t h em a g n e t i s mb e t w e e nt h ef u r n a c et u b ea n di r o ni sn o t d i f f e r ；t h ef e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i n gc a r b u r i z e dl a y e r st h i c k n e s sw i t ht h et h i n m e t a li s d e m o n s t r a t e d t h ec r a c k i n gf u r n a c et u b ec a nb ep e n e t r a t e db yi n c e n t i v e 行e q u e n c ym a g n e t i c f i e l di n8 0 h z o x i d a t i o nl a y e r so nt h ec a r c k i n gf u r n a c et u b ec a nb ep e n e t r a t e db yi n c e n t i v e f r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l di n2 5 0 h z f i n a l l yt h ef i t t i n gc u r v eo fv o l t a g ea n dc a r b u r i z e dl a y e r s t h i c k n e s sa r em a d e i no r e d e rt od a t ap o s tp r o c e s s i n ga n du s et h er e s o u r c e so fp ce f f e c t i v e l y ，t h ec a r b u r i z e d t h i c k n e s st e s t i n gs y s t e mi nt h ep ci sd e s i g n e d t h et e s t i n gs i g n a li sf i l t e r e dw i t ht h ep r i n c i p l e o fc o r r e l a t i o nf i l t e r i n g t h es o f t w a r eb a s e do nt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o r r e l a t i o nf i l t e r i n gi s d e v e l o p e di nt h ep c b a s e do na c c o m p l i s h i n gt h ep r o b ea n dp o s t - p r o c e s s i n gs o f t w a r e ，t h ef e a s i b i l i t yo f p o r t a b l e i n s t r u m e n ti sp u tf o r w a r d t h ed e s i g no fh a r d w a r es y s t e mb ea c c o m p l i s h e d ，w h i c hi n c l u d e s c h o o s i n gc p up r o c e s s i n gm o d u l e ，d e s i g n i n gi n c e n t i v em a g n e t i cf i e l dc i r c u i t ，p h a s e - s e n s i t i v e d e t e c t i o nc i r c u i ta n df i l t e rc i r c u i t t h ep r o c e s so fi n t e r r e l a t e ds o f t w a r ei sd e s i g n e d k e yw o r d s ：g m rs e n s o r ；c r a c k i n gf u m a c et u b e ；c a r b u r i z e dl a y e r st h i c k n e s s ；c o r r e l a t i o n f l l t e r i n g ；l a b v i e w 1 1 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题的背景和研究意义1 1 2 国内外渗碳层厚检测方法的研究2 1 2 1 感应式线圈检测法3 1 2 2 霍尔检测法3 1 2 3 巨磁阻检测法4 1 3 涡流检测技术的研究现状及发展5 1 4 基于巨磁效应的检测技术7 1 4 1 巨磁效应3 8 l 7 1 4 2 基于巨磁效应的无损检测8 1 5 基于虚拟仪器技术的无损检测技术9 1 5 1 虚拟仪器的简介9 1 5 2 虚拟仪器软件开发平台1 0 1 6 论文的主要研究内容和技术路线1 0 1 7 本章小结1 1 第二章基于巨磁阻传感器的渗碳层厚度检测技术1 2 2 1 引言1 2 2 2 巨磁阻传感器的研究1 2 2 2 1 巨磁阻传感器的原理1 2 2 2 2巨磁阻传感器的应用1 3 2 3 基于巨磁阻传感器的渗碳层厚度检测技术1 6 2 4 本章小结1 7 第三章基于g m r 的渗碳层厚检测实验系统的搭建与实验分析18 3 1 引言1 8 3 2 检测系统硬件的设计1 8 3 2 1 巨磁阻传感器探头的设计1 8 目录 3 2 2 调理电路的设计2 1 3 2 3 线圈的特征频率2 3 3 3 模拟渗碳层厚度与影响因数的实验2 5 3 3 1实验目的2 5 3 3 2 实验对象2 5 3 3 3实验条件2 6 3 3 4g m r 传感器最佳放置位置实验2 6 3 3 5 寻找最佳激励频率2 8 3 3 6 渗碳厚度变化的输出拟合曲线3 5 3 4 本章小结一3 7 第四章基于p c 机上的渗碳层厚度检测系统的设计3 8 4 1 检测系统的硬件平台的搭建3 8 4 1 1 硬件的总体设计3 8 4 1 2 硬件的选择3 8 4 2 检测系统软件的设计4 0 4 2 1 相关滤波的工作原理4 3 4 2 2 相关滤波的软件设计4 5 4 3 本章小结一5 0 第五章便携式渗碳层厚度检测仪的设计51 5 1 前言5l 5 2 基于单片机测试系统的硬件设计51 5 2 1 交流激励电路的设计5 2 5 2 2 调理电路设计5 3 5 2 3单片机的接口电路设计5 4 5 3 基于单片机的软件测试模块一5 7 5 3 1 软件设计的总体模块图5 7 5 3 2 模数转处理5 8 5 3 3 l c d 驱动模块5 8 5 4 本章小结一5 9 第六章结论与展望6 0 硕士学位论文 6 1 文章主要结论一6 0 6 2 展望一6 1 参考文献6 2 攻读硕士期间参与科研项目以及发表论文情况6 6 参与科研项目6 6 发表论文情况6 6 致谢一6 7 硕士学位论文 第一章绪论 先进流程制造追求生产过程的高效化与绿色化，工艺条件的极端化和系统的大型化 已成为实现这一目标的必然途径，这也成为了大型流程工业装备面临安全可靠的问题。 随着乙烯装置规模的不断扩大，乙烯裂解炉管( 关键设备) 就向着高温、高压和大型化 发展，这就对乙烯裂解炉管安全可靠性提出了更高的要求，由于在生产的过程中复杂的 环境因素常常使得炉管在没有达到预定的寿命之前就发生了严重的损坏，造成非计划的 停车。甚至引发安全事故，给生产带来巨大的影响和损失。鉴于目前国内外仍缺乏对裂 解炉管的寿命有效的评估和预测，发展和建立基于性能衰减的裂解炉管寿命预测技术和 方法刻不容缓，对提高乙烯工业重大装备水平和保障大型裂解装置的安全可靠性具有重 要的经济和社会的意义。 1 1 课题的背景和研究意义 我国是世界上石化产品生产大国，产品产量和生产能力都是名列世界前茅。到今年， 我国乙烯装置的平均规模将达到5 4 万吨。乙烯生产能力将达到1 4 5 5 万吨，位居世界第 二n 1 。乙烯是石油化学工业中最重要的基础原料，随着乙烯装置规模的不断的扩大，乙 烯装置中最重要的设备( 裂解炉管) 的规模也将不断扩大，乙烯裂解炉管的大型化将成 为必然的趋势。为了提高乙烯的产量效率国际上通过设计先进的乙烯裂解炉管，提高了 烃类的裂解反应，从而提高了乙烯的产量。如l u m m u s 公司的s r t - v i 裂解炉管、l i n g d e 公司的p y r o c r a c k l - 1 裂解炉管、k t i 公司的g k v 裂解炉管以及k w k e l l o g g 公司的毫 秒炉管等乜1 。这些大型的裂解炉管的共同特点就是能在较短的时间内能升到非常的高的 温度，这样就提高了裂解的深度，这对裂解炉管的耐高温和高传热强度提出了更高的要 求。 但是这些裂解炉管在强高温下和介质的环境下工作，承受高温所引起的各种损伤。 早期的裂解炉管的材料是瞰型，但是随着裂解反应温度地迅速提高，对炉管的材料也提 出了更高的要求，目前用于裂解炉管的材料主要是抗渗碳和蠕变断裂强度高于陬型的 胛型炉管b 1 。日本曾对裂解炉管的失效形式进行了统计，渗碳引起的炉管开裂失效占 4 9 = 4 3 。渗碳的研究主要在与渗碳机理和规律以及渗碳层组织方面t6 卅，研究表明渗碳层 第一章绪论 中的碳化物主要成分为m ，c 。而非渗碳层中的碳化物m 。c 。鉴于渗碳是裂解炉管的主要损 伤形式，国内外的研究人员着眼与渗碳层厚度的无损检测的研究，来评估和预测裂解炉 管的寿命，保证裂解炉管的安全可靠运行。 最近，我国政府陆续发布若干个政策文件，支持装备制造业的发展，在国务院的关 于加快振兴装备制造业的若干意见提出重点选择一批重大技术装备和产品，实现关键 领域和掌握核心技术的重大突破，其中就有百万吨的大型乙烯成套设备技术的吸收和再 创造和自主研发口7 】。这种百万吨的大型乙烯的成套设备中核心的装备之一就是裂解炉管。 但是由于裂解材料的复杂和反应温度的变高，裂解反应生成的焦炭会对裂解炉管内壁加 剧渗碳，使得炉管承受更为复杂的高温损伤即蠕变和渗碳损伤。本课题主要研究裂解炉 管渗碳层厚度，来确定炉管的寿命，为裂解炉管剩余寿命预测提供可靠的数据。 1 2国内外渗碳层厚检测方法的研究 到目前为止，对于渗碳层厚的检测常用的有宏观断口法、显微组织法和等温淬火法 来测定，这些方法都是有破坏性的，并且无法实现百分百的检测。在渗碳层厚度无损伤 检测技术中，主要有研究磁力检测渗碳层厚度呻一1 、电磁检测渗碳层厚度n0 | ，和电涡流检 测渗碳层厚度阻1 i ，然而这些无损检测的方法多数在实验中以标定居多，尚不能应用在实 际工程中，这使得在服役的裂解炉管中渗碳层厚的无损检测成为亟待解决的技术问题。 虽然裂解炉管渗碳层厚无损检测展开了以上几种方法的研究，但是裂解炉管高温损伤的 裂解炉管的寿命预测技术和检测方法的研究鲜见报道。如李晓刚等人研制的红外成像在 线炉管的剩余寿命评估，只是通过裂解炉管表面温度场的红外测试，来实现炉管的剩余 寿命评估口2 】，谭毅和王富岗等人曾对裂解炉管蠕变造成的损伤和减薄造成的损伤进行炉 管的寿命评估n3 l ，但是较多的还是以烃类蒸汽转化炉管的寿命来评估n 4 。1 5 3 ，巩建鸣等人 针对转化炉炉管的高温损伤，提出了基于微观组织损伤级别的寿命预测方法n6 j ，周昌玉 等人发展了转化炉炉管损伤的概率计算模型n 副，然而这些研究和方法仅仅考虑在不复杂 的环境因素下( 如渗碳等) 高温对炉管造成的损伤口2 | 。对于乙烯裂解炉管渗碳层厚度的 研究早在上个世纪8 0 年代就开始了，目前对于渗碳层厚无损检测的方法除了x 射线探伤 法外主要有：感应式线圈检测法、霍尔检测法、巨磁阻检测法。 2 硕士学位论文 1 2 1 感应式线圈检测法 最早研制感应式线圈检测法的渗碳层厚度检测仪器是日本k e t t 研制的l s t 一2 2 0 0 h 型渗碳层厚度检测装置嘶1 。此仪器有两个线圈一个激励线圈，一个检测线圈。激励线圈 向裂解炉管发出激励磁场，炉管中的渗碳层厚和线圈决定了磁通的密度。当线圈靠近裂 解炉管的时候，其磁通密度就会相应的增加，激励线圈与检测线圈的涡合系数也增大。 当线圈加以交流电时，检测线圈的感应电压就会随着线圈即探头与炉管的距离变小而增 大。这就是感应式线圈的检测渗碳的原理。但是这种检测方法存在着一个相当严重的问 题：随着炉管服役时间的增加，炉管表面难免有氧化铁锈，而这种铁锈也有铁磁性。这 种检测方法没有考虑裂解炉管表面的铁磁性。对于这个问题，大连理工大学在1 9 8 8 年研 制出的渗碳层厚度自动检测装置很好的解决这个问题。其激励磁场为8 0 h z 的交流电，这 个时候检测主线圈和检测副线圈都有电压，而检测主线圈测的电压是反应炉管表层和内 部的渗碳厚度，检测副线圈得到是裂解炉管表层渗碳的电压，只要将这两个电压值相减 就能得到反应裂解炉管内部渗碳层厚度的信息。在采用交流磁场激励情况下，感应式线 圈的信噪比很低，一旦渗碳层厚低于0 5 m m 时，往往很难检测到n9 2 伽。探头的设计如图 】一】。 主 1 2 2 霍尔检测法 图i - i 感应线圈检测法 f i g i - 1i n d u c t i o nc o i l sa s s a y 基于表面氧化层的问题，日本k u b o t a 公司在1 9 9 2 年还推出了消除裂解炉管表面氧化 层影响的渗碳层厚度检测装置乜。该装置是利用采用永磁铁作为恒磁场激励源，用霍尔 传感器来检测裂解炉管表面的漏磁场。如图l 一2 所示。 第一章绪论 、： g 堑 、j 传感器 、。 i 、 j j 化层 夕t j 图1 - 2 霍尔检测法 f i g 1 - 2h a l la s s a y 当永磁体与裂解炉管表面平行放置的时候，发出的磁场能穿过氧化层和炉管，当永 磁体和炉管垂直放置的时候，那么磁场仅仅集中在裂解炉管表面的氧化层。此技术用的 是永磁体，所以不能用线圈作为传感器，故选用了霍尔传感器，然后根据永磁体放置位 置的情况由霍尔传感器输出进行差分处理，就能得出反应渗碳层厚的电信号眨1 j 。 1 2 3 巨磁阻检测法 随着科技的发展，特别是巨磁阻抗的出现和发展，出现了大量的新型传感器( 巨磁 阻传感器) 这种传感器以体积小，在低频情况下仍有极高的灵敏度特点，因此这种传感 器非常适合检测裂解炉管的缺陷和渗碳层厚度的检测。国外的研究人员做了大量的关于 巨磁阻测缺陷的研究，其中最有影响的为美国n a s a 的研究报告n 伽，该报告w i n c h e s k i 等人采用磁屏蔽和巨磁元件来配置巨磁阻传感器，并且通过施加激励磁场的反向同频率 相位的磁场来实现自调零和减小输出电压的纹波，使其能够测得深埋在非铁磁性材料 1 0 m m 的缺陷，图1 - 3 为探头设计的原理图。 图卜3 不锈钢缺陷检测系统 f 逗i - 3t h ed e t e c t i o ns y s t e mo f s t a i n l e s ss t e e ld e f e c t 巴西s i l v a a 巨磁阻传感器用于裂解炉管渗碳层厚度检测乜剁。其方法是：把巨磁阻传 感器平放在一永恒磁体下，用恒磁场来作为激励磁场，通过计算i n d e x = ( b 。；，一b 山。) b a i t 来确定渗碳层的厚度。b a i t 为远离裂解炉管的磁场强度，b a 懈；。，为裂解炉管表面的磁场 4 硕士学位论文 强度。由于方法和检测手段比较简单，所以只能将裂解炉管的渗碳层分为三个阶段，其 渗碳轻微i n d e x 大约在0 1 m m 左右，中等渗碳i n d e x 大约在o 5 m m 左右，而严重渗碳i n d e x 在0 7 衄到1 o m m 。如图i - 4 为此种检测方法的原理图。 ，一一一、 永磁体7 一一、 图卜4 巨磁阻渗碳层检测示意图 f 追i - 4g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ec a r b u r i z e dl a y e r sd e t e c t i o nd i a g r a m 日本h i r o n o b uy a m a d a 等晗3 1 人也做过相应的研究，在低频情况下，巨磁阻传感器能 检测到2 m m 到1 0 m m 多层结构和连续铝板下的缺陷，研究表明多层铝板下的缺陷检测深度 大于连续结构。 南京工业大学的程磊啪1 等人根据巨磁阻传感效应，应用涡流原理，提出了基于g m r 渗碳层厚度检测系统。该种测试系统其探头的设计有一定的缺陷，尚不能很好的检测裂 解炉管微弱磁性的变化。 1 3 涡流检测技术的研究现状及发展 涡流检测技术是一种以电磁原理为基础的最为常见的无损检测技术。其示意图如 卜5 所示。 l 图i - 5 涡流检测原理 f i g 1 - 5e d d yc u r r e n tt e s t i n gp r i n c i p l e 5 第一章绪论 由法拉第电磁感应定律可知，当给线圈通交变电流时，在线圈的周围会长生交变的 磁场，在金属导体中会产生涡流，涡流的强弱与金属导体有密切的关系，涡流也会引起 空间磁场的变化。如果通过线圈、霍尔等磁传感器测量磁场的变化，就能知道金属导体 各种内部信息，如金属内部是否存在腐蚀、裂纹、渗碳等缺陷。 涡流现象的发现和应用已有很长的历史。早在1 9 世纪的初期，法国科学家就在试验 中发现了涡流现象，在1 8 9 7 年英国人d e h u g h e s n 利用产生感应电流对不同合金的金 属进行了判断，首次将涡流现象同检测技术联系到一起，拉开了涡流无损检测序幕。到 了二十世纪五十年代，德国f r i e d r i c hf o r s t e r 等人提出了阻抗分析法4 | ，为涡流检测 技术装置的研制提供了可行的途径。标志着涡流检测技术实用化的的来临。至今，以阻 抗法的涡流检测技术仍是使用最为广泛的检测方法。在后来，美国l i b b y 与1 9 7 0 年提出 了多频涡流检测( m u l t i f r e q u e n c ye c t ) 瞳别，这项技术能根据各个激励频率信号，能很 好的对相应阻抗的分析，从而得到更多的检测信号。很好的抑制干扰信号，提高了涡流 检测的使用性。1 9 8 4 年，s c h m i d t 的远场涡流现象中能量耦合通道和耦合方式的假说， 及电磁波瞳司建立的半经验模型大大的促进了远场涡流技术的发展。 随着科学技术的发展，无损检测技术得到越来越广泛的应用，目前涡流检测技术主 要有几个方面的研究热点口7 2 8 ，2 引： ( 1 ) 涡流检测正向问题研究：包括各种检测情况下涡流场正向模型的建立；三维 涡流场的解析及数值建模、仿真技术。 ( 2 ) 涡流检测逆向问题研究：包括缺陷、厚度等的快速识别及成像；信号一缺陷逆 向数学模型的建立、逆向问题数值计算。 ( 3 ) 高新能涡流检测系统开发：硬件、软件技术( 包括信号获取、检测系统参数 优化、信号处理) ，测量参数的选择、包括工作频率提离距离等。 ( 4 ) 高性能探头的设计：探头的结构和参数设计；特征值的测定；屏蔽；探头列 阵；智能探头设计；与计算机结合技术。 ( 5 ) 涡流检测的可靠性研究：用检测概率对待定类型、特定尺寸缺陷的检测可靠 性进行定量化评价。 ( 6 ) 新理论技术的应用：形态学算法、模式识别、小波分析、a n n 技术应用等。 随着材料技术发展与进步，出现巨磁电阻效应，基于巨磁电阻效应的无损检测技术 是涡流检测技术中的一种新发现，在许多工业领域都有了很多成功的尝试，其应用前景 广泛。 硕士学位论文 1 4 基于巨磁效应的检测技术 1 4 1巨磁效应 1 9 8 8 年的法国巴黎大学物理系f e r t 教授科研组工作的巴西学者m n b a i b i c h 在研究 f e c r 磁性超晶薄膜的电子输运性质时发现了大的磁电阻效应，由于这种效应产生的电阻 变化率a p lp 远远的大于一般的磁致电阻效应，故称为巨磁电阻( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 效应。所谓的巨磁电阻效应就是材料电阻率p p 随着材料磁 化状态的变化而显著变化的现象。随后科学家们分别在c o c u 颗粒薄膜、钙钛矿铁磁薄膜、 类钙钛矿等发现了巨磁阻效应。1 9 8 6 年德国人p g r ii n b e r g 在f e g r f e 三明治中，发现f e 层之间可以通过c r 层进行反铁磁交换耦合，他们用分子束外延( m b e ) 方法制备了( f e c r ) n 多层膜，发现对特定c r 层厚度的样品在4 2 k 温度下施加2 0 k o e 的磁场可以极大地改变样 品的电阻值。此时，电流平行于膜面时的电阻比不加外磁场时下降了一半，即电阻的变化 率( r o - r s ) r o 达到5 0 ，r o 为零场时的电阻值，r s 为饱和时的电阻值，如图卜6 所示。 , q l - - - - 匠z 物 一 匠z z 物 一 匠z z 物 - _ 匠z z 勿 _ 图卜6 铁磁耦合不恿图 f i g 1 6f e r r o m a g n e t i cc o u p l i n gd i a g r a m 当外场为零时整个系统磁矩为零，这是由于铁磁层之间的耦合是反铁磁的。这个物 理图像由图1 - 6 的中间小图表示。其中阴影部分为非磁性的c r ，空白部分为铁层，小 箭头表示每一个铁层自己的磁化方向。由于中间小图中的相邻铁层磁化方向相反，所以 宏观上的磁性被抵消了。当外加一个向左的磁场，可以迫使所有铁层的磁矩都转变到与 外场相同的方向，这就是图卜6 中左边小图所描绘的情况，此时将出现向左宏观的磁性， 同样道理，向右施加外磁场也会出现向右的宏观磁化。根据m o t t 的双流体模型，若导电电 子自旋方向与局域磁矩反平行，则受到非常强的散射，电阻较大；而当导电电子自旋方 向与局域磁矩平行时，则受到的散射就弱的多，电阻较小。由于磁性材料中两种自旋取 向的传导电子数目大体相等，所以当导电电子流经反铁磁耦合系统( 图卜6 中间小图所 示) 时，有一半自旋“向右”的电子在向右极化的铁磁层中会受到较弱的散射，感受到较 小的电阻r 。但是由于铁磁层很薄，电子又不是直线运动，自旋“向右”的电子会有5 0 7 鍪啪 第一章绪论 的程处在向左磁化的铁磁层中，它们将感受到较大的电阻r 。那么平均效果就是自旋“向 右”的电子的电阻为r + r 。同样道理，自旋“向左”的电子也平均感受到电阻r + r 但是这 两类电子是各自行走的，整个系统就相当于两条电阻为r + r 的线路并联，如图卜7 ( a ) 所 示。再考查铁磁耦合的情况，图卜6 中的右边小图表示。此时自旋“向右”的电子在全 部旅程中都是小电阻情况，表示为r + r 同样道理，自旋“向左”的电子则要受到r + r 的大电阻。这样整个系统相当于两个电阻分别为r + r 和r + r 的线路并联，如图卜7 ( b ) 所示，其电阻自然小n 4 l 。 r r 一一一- 一 兰寸 ( a ) n ) ) 图1 7 ( a ) 反铁磁耦合，( b ) 铁磁耦合 f i g 1 7 ( a ) a n t i f e r r o m m a g n e t i cc o u p l i n g ( b ) f r e r r o m a g n e t i cc o u p l i n g 1 4 2 基于巨磁效应的无损检测 在无损检测方面，巨磁阻传感器发挥着巨大作用，在很多检测领域有这成功的尝试， 并且应用前景广阔。深圳华夏磁电子技术开发公司肖又专和中国西南应用磁学研究所的 曾荣伟口引与2 0 0 1 年研究发表了弱磁场检测的高线性巨磁阻传感器的特性、应用领域以及 工作原理；北京航空航天大学自动化学院测控系的钱政等人口副与2 0 0 3 年研究巨磁阻传感 器在电力系统中的应用，并对特性及其工作原理做了综合性的论述；在同一年石油大学 应用物理系的胡松青等人铂在研究巨磁阻材料在高密度读出探头、磁性随机存储器、磁 性传感等领域的应用后，做出了今后要研究的工作与展望。但是应用巨磁阻传感器对裂 解炉管的渗碳层的厚度检测方面的研究很少，多数是用巨磁阻传感器来检测深埋在裂解 炉管中的裂纹、缺陷。国外也有研究人员做过相应的研究，其中影响最大的要为国n a s a 研究报告h 0 j 。 巨磁阻传感器用于涡流检测领域的尝试，在国内外也是近几年开始的。美国的t e o d o r d o g a r u 和s t u a r tts m i t h 与2 0 0 1 年副首先提出了使用巨磁阻传感器用于涡流的可行性； 接着日本的sy a m a d a 等人畸剐与2 0 0 4 年用巨磁阻传感器制作涡流探头来检测印制电路板； 美国s n d e e pb a j j u r i 等人用巨磁阻传感器以涡流的方法用于高温环境。 r 硕士学位论文 在国内，2 0 0 4 年上海交通大学的陈亮、颜冲等人采用巨磁阻传感器的原理，和巨磁 阻传感器的阵列，用p c i 采集数据装置，进行实验，结果表明当缺陷深度为0 2 5 m m 时， 检测系统可以检测出缺陷，但是效果不太明显。近几年浙江大学也有类似的研究文献 5 7 中，主要用于涡流法和巨磁阻传感器测磁性，由于传感器出来的是电信号，让其他因素 不变，如电导率，磁导率，提离距离等因素不变，那么电信号就只跟磁场强度有关，而 磁场强度的变化反应的是金属板厚度的变化，只要磁场发生了变化，那么巨磁阻传感器 出来的电信号也相应发生变化。然后定出磁场与电信号的具体关系，用数值拟合法，来 确定关系，本文也采用了类似的方法。 1 5 基于虚拟仪器技术的无损检测技术 1 5 1 虚拟仪器的简介 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是仪器学科的一个重要发展方法，是计 算机检测体统开发中的现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅 助测试领域的一项重要技术娜1 。虚拟仪器技术的开发和应用起源于1 9 8 6 年美国国家仪器 公司( n i ) 设计的l a b v i e w 软件，这是一种与图形开发、调试和运行的软件平台洲。虚 拟仪器的发展大致可分为三个阶段，第一阶段利用计算机来增强传统仪器的功能；第二 阶段主要是在硬件上基本也可以分为两种，其一是在计算机的总线槽上插入数据采集卡， 其二是v x i 仪器总线标准的确立。这两种新技术奠定了虚拟仪器硬件的基础。第三阶段 采用面向对象的编程技术的出现构建起了虚拟仪器的平台，并且逐渐成为了标准软件开 发工具。目前仪器和计算机是虚拟仪器发展的趋势。图1 - 8 为虚拟仪器常用的方案。 厂、 厂、厂、厂、 测信数数 试 口 据据丐 对 卜 处 采处 象 理 集 理 图1 - 8 虚拟仪器常用方案 f i g 1 - 8v i r t u a li n s t r u m e n tc o m m o ns o l u t i o n 第一章绪论 1 5 2 虚拟仪器软件开发平台 目前用虚拟仪器软件开发平台主要有：美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 、l a b v i e w 和惠 普公司的h pv e e 。l a b w i n d o w s c v i 是美国n i 公司开发的交互式c 语言开发平台，是熟悉c 语言的开发设计人员编写程序的理想工具。t t pv e e 是惠普公司开发的用于仪器和信号分 析的图形化编程化境。l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国n i 公司的创新产品，也是目前应 用最广、发展最快、功能最强大的图形化软件开发集成环境口6 一引。 l a b v i e w 是美国n i 公司在2 0 世纪8 0 年代提出的一种基于g 语言的专门用于虚拟仪器开 发的图形化软件。l a b v i e w 适用于测试、测量、仪器控制、过程监控和工业自动化等方面 的工程应用软件开发。它利用计算机强大软件功能实现信号的运算、分析和处理，并利 用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器 系统。作为一种开放式的开发环境，用户可以将其与任何测量硬件轻松连接，再结合图 形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试测量与自动化控制应用设计的高性能与 配置功能，使得用户使用起来非常方便。 现在虚拟仪器和l a b v i e w 已经在无损检测领域得到了广发的应，各种关于虚拟仪器 和l a b v i e w 在无损检测领域的研究成果层出不穷9 4 0 i ，本文也将用l a b v i e w 软平台来设 计检测渗碳层厚软件测试系统。 1 6 论文的主要研究内容和技术路线 本文以巨磁电阻效应为理论基础，以裂解炉管为检测对象，论述了巨磁电阻效应技 术，结合传统的电涡流检测技术，开发了基于巨磁阻传感器为探头的裂解炉管内部渗碳 层厚度检测系统，以虚拟仪器为平台用图形化l a b v i e w 编程语言开发渗碳层厚度的软件 检测系统，实现了基于p c 机上虚拟仪器的渗碳层厚检测系统，最后利用单片机提出了测 试仪器便携化的可能性。图卜9 论文的技术路线。 硕士学位论文 1 7 本章小结 图卜9 技术路线 f i g 1 9t e c h n i c a lr o u t e v 论述了渗碳在裂解炉管剩余寿命评估中的重要性以及渗碳层厚度检测的研究意义和 研究价值；论述了目前国内外检测渗碳层厚的各种方法和发展趋向；分析了巨磁效应的 发展现状和发展方向；论述了涡流检测技术的发展现状；简单介绍了虚拟仪器以及其开 发平台的发展与特点；给出了论文的技术路线。 第二章基于巨磁阻传感器的渗碳层厚度检测技术 第二章基于巨磁阻传感器的渗碳层厚度检测技术 巨磁阻效应技术是一门新兴技术。用它来制成巨磁阻传感器具有很多优点：体积小、 灵敏度高、频响快、温度漂移小。而最重要的是巨磁阻传感器能够检测周围磁场微弱变 化。本章首先在巨磁阻效应的基础上给出了巨磁阻传感器的原理，然后再在涡流原理的 基础上，提出基于巨磁阻传感器渗碳层厚检测的设计。 2 2巨磁阻传感器的研究 2 2 1 巨磁阻传感器的原理 巨磁阻传感器是应用巨磁磁阻效应开发出来的一种磁性传感器。巨磁阻传感器芯片 主要是利用具有巨磁电阻效应的磁性纳米金属多层膜材料，通过半导体集成工艺与集成 电路相兼容的一类元件h 引。巨磁阻传感器是有四个巨磁电阻组成，由四个巨磁电阻构成 一个惠斯等桥路，其内部结构如2 3 图所示口4 | 。 一 o b 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 口r i r z il r 4 il 由。 图2 1 巨磁阻传感器内部结构图 f i g 2 1g m r s e n s o ri n t e r n a ls t r u c t u r ed i a g r a m 其中r 。和r 。作为参考电阻，r ：和r 。作为工作电阻。d 。为两个磁场集中区之间的间隔 长度，d ：为磁场集中区的长度。两个巨磁感应电阻r 。和r 。位于两个磁场集中区的间隙中 间，而参考电阻r 。和r 。密封在磁场集中区内部，它与外部磁场隔绝，阻值不会由外部磁 1 2 硕士学位论文 场的变化而变化。由于4 个电阻都是有相同的材料制作的，稳定系数特性相同，因此巨 磁传感器的温度漂移小。当施加外部磁场时，参考电阻r 。和r 。的阻值不变，两个巨磁感 应电阻r 。和r 。的阻值会随着外部磁场的变化而显著变化，导致电桥不平衡，将磁场信号 转换为电压信号输出，这就是巨磁电阻传感器的工作原理h 引。巨磁阻传感器能够检测与 芯片平行方向的磁场，尤其对与敏感轴方向一致的磁场，但不能检测垂直芯片方向的磁 场。此结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，增加传感器的灵敏度。 2 2 2巨磁阻传感器的应用 基于巨磁电阻效应的巨磁阻传感器有许多优点，尤其是巨磁阻传感器能测周围磁场 的变化，所以该种传感器被广发的应用于各种磁场检测的场合，漏磁检测、电涡流检测、 角速度检测等方面。本章将重点介绍巨磁阻传感器在这些场合的应用。巨磁阻传感器一 般有一下几种应用4 引： ( 1 ) 检测微小的位移 巨磁阻传感器检测位移是利用一个永磁铁，把永磁铁作为参照物相对巨磁阻传感器 运动可以等效为磁敏元件在均匀梯度磁场中的运动，因此巨磁阻传感器的输出就能反应 出巨磁阻传感器或永磁铁的位置。图2 4 位移传感器的工作原理图。 巨磁阻传感器 l m m mm 图2 - 2 位移传感器示意图 f i g 2 2d i s p l a c e m e n ts e n s o rd i a g r a m 最近已研制出了一种能同时检测x y 方向的位移磁场传感器。这种传感器采用的 集成技术相当高，能使得测磁场传感器做的相当小，同时也提高了精度。该种传感器以 经用于机器人和机械手臂的控制系统中，并能使其智能化的拿去、放置物体，还能使机 器人具有了识别物体的功能。这种位移磁场传感器还能用于电梯以及相应的升降系统的 控制系统中。g m r 位移传感器也可用于再精密机床上，用来提高机械加工的精度。 第二章基于巨磁阻传感器的渗碳层厚度检测技术 ( 2 ) 用与导航以及高速公路的车辆监控系统 地球是一个很大的永恒磁铁，地球表面的磁场大约为0 50 e ，地磁场总是平行地球 表面而且始终是指向北方的。可以利用g m r 薄膜来做