华科大无损检测新技术课件04-2数字化磁性检测技术的磁场测量技术

磁场测量技术-概论磁场测量探头实现磁场信号的转换，它是数字化磁性无损检测技术的核心，决定着检测电信号的信噪比、分辨率、稳定性等多项性能，进而决定磁性检测装置或系统的性能，不同的磁电转换元件和磁场测量方法将带来不同的探头结构和检测性能指标。磁场测量技术-基本要求1.根据不同的检测目的和检测方法选择最佳的敏感元件。一般而言，随着磁场测量灵敏度的提高，元件和测量装置的成本增高。为了获得最优的性能价格比，灵敏度的选择应根据被测磁场的强弱选用适当的元件，并满足信号传输的不失真或干扰影响最小的要求。2.磁场信号是一空间域信号，测量元件的敏感区域是局部的，一般由元件的尺寸和性能决定。为了能够测量出空间域变化频率较高的磁场信号，必须要求测量元件或单元具有相应的空间分辨能力。对应于空间域中的磁场信号，这一分辨能力可在一维、二维或三维空间中来描述。空间分辨力是反映测量元件或单元敏感区大小的指标，具有方向性，沿不同的方向，空间分辨能力会不同。3.在磁性检测中，信噪比可定义为电信号中有用信号幅度(如裂纹检测信号)与无用信号幅度(如测量中的电噪声和被测磁场中的磁噪声)之比。在这里，幅度为一广义量值，它可以指信号幅度，也可以指测量信号中经信号处理后的相关特征的量值。一般而言，测量过程中的上述信噪比必须大于1，否则被测对象(如裂纹)将无法识别。磁场测量技术-基本要求4.磁场在空间上是广泛分布的，因而每一测量元件或单元均只能在有限的范围或区间上对磁信号敏感。随着测量元件或方法的不同，在与扫描方面垂直的平面上有效敏感区间也将不同。将测量元件或单元有效检测被测对象(如裂纹)，即在垂直于扫描方向上信噪比大于1时，被测对象相对于测量单元中心可以变动的最大空间范围称为测量单元的覆盖范围。在检测中，如果要求一次测量较大的空间区域或防止检测时的漏检，则需要适当安置和选择多组测量单元。很明显，在某一方面上覆盖范围越大，在该方向上的空间分辨力将越差，因而，又必须根据测量的目的和要求，最优设计和选择测量单元。5.测量单元应具备对检测环境和状态的适应性，测量信号特征应不受环境条件影响。因此，应对测量单元结构进行考虑，减小检测过程中随机因素的影响。6.由于测量信号大小与测量点同被测磁场信号源间位置远近关系密切，重复检测时上述位置关系会有所改变，测量方法选择不当时会增大几次测量信号的差异。可以通过多次检测保证信号的重复性。7.当采用多测量单元进行测量时，一次检测的信号量由多单元提供，同时检测中的有用信息量也将由它们均分。对于单个单元而言，其测量的有效信息比为有用信息与总信息之比。因此，为了提高每个单元的有效信息比，对同一测量则应减少测量单元，这就要在不降低信噪比的前提下，提高每个单元的覆盖范围或对多单元信号进行适当组合处理。8.选择检测元件和测量方法时，根据测量目的和要求设计最优性能价格比的检测探头。磁场测量技术-原理与元件磁场测量原理和元件磁场测量技术-原理与元件1.感应线圈通过线圈切割磁力线产生感应电压。感应电压大小与线圈匝数、穿过线圈的磁通量变化率或者线圈切割磁力线的速度呈线性关系。感应线圈测量的是磁场的相对变化量，并对空间域上高频率磁场信号更敏感。根据测量目的不同，感应线圈可以做成多种形式。线圈的匝数和相对运动速度决定了测量的灵敏度，线圈缠绕的几何形状和尺寸决定了测量的空间分辨力、覆盖范围、有效信息比等。2.磁通门磁通门传感器原理是建立在法拉第电磁感应定律和某些材料的磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系上。典型的磁通门一般有三个绕组，即激励绕组、输出绕组和控制绕组，磁芯通常是跑道形的。这种磁通门的灵敏度很高，可以测量10－5～10－7T弱磁场，输出依赖于磁芯的磁特性，分辨力等随磁芯和线圈尺寸变化。近年来，某些学者采用非晶态合金作为磁通门的磁芯，使得磁通门的灵敏度又有大幅度的提高。磁场测量技术-原理与元件3.霍尔元件霍尔元件基于霍尔效应原理工作，测量绝对磁场大小。元件的灵敏度、空间分辨力、覆盖范围等由其敏感区域的几何尺寸、形状以及晶体性质决定。由于它制造工艺成熟、稳定性、温度特性等均较好，在磁场测量中得到广泛应用。随着集成线路技术的发展，将霍尔感应元件和线性集成电路相结合生产出的集成霍尔元件在灵敏度上得到很大提高，一般在7V／T（特斯拉）左右，且具有了较好的封装，因而可望得到更好的应用。4.磁敏电阻灵敏度是霍尔元件裸件的20倍左右，工作温度在－40℃～150℃，灵敏度为0.1V/T，具有较宽的温度使用范围。空间分辨力等与元件感应面积有关。磁场测量技术-原理与元件5.磁敏二极管、磁敏三极管磁敏二极管是继磁敏电阻和霍尔元件之后发展起来的新型磁电转换器件。与后二者相比，磁敏二极管具有体积小、灵敏度高等特点。在磁敏二极管加一正向电压后，其内阻的大小随周围磁场的大小和方向的变化而变化。通过磁敏二极管的电流越大，则在同样磁场下输出电压越大；而所加的电压一定时，在正向磁场的作用下，电流减小，反向磁场时电流加大。磁敏二极管工作电压和灵敏度随温度升高而下降，通常需要补偿。磁敏三极管是一类对磁场敏感的半导体三极管，与磁敏二极管一样，为一种新型的磁敏传感器件。磁敏三极管也分为NPN和PNP型两大类。6.磁共振法原子核磁性的直接和精密的测量是利用核磁共振的方法。核磁共振是原子核磁矩系统在相互垂直的恒定（直流）磁场B和角频率为ω的交变磁场的同时作用下，满足条件时，原子核系统对交变磁场产生的强烈吸收（共振吸收）现象，γ为原子核的旋磁比，即原子核的磁矩与角动量之比。由上式可以看出，当精密测量出核磁共振的频率和磁场，并知道核的角动量或核自旋后，便可精密测定原子核磁矩。磁场测量技术-原理与元件7.磁光克尔效应当线偏振光被磁化了的铁磁体表面反射时，反射光将是椭圆偏振的，且以椭圆的长轴为标志的偏振面相对于入射线偏振光的偏振面旋转了一定的角度，旋转角度的大小反映了铁磁体表面及内部的磁感应强度大小。磁光效应目前在磁光记录和光传输控制技术两个领域中得到广泛应用，将它用于磁性无损检测具有更重要的意义：①它可以远距离测量铁磁体表面或内部的磁感应强度，而其它原理或元件只能测量元件所在点或面上的磁感应强度；②由于直接测得的是铁磁性构件表面的磁场，因而无提离距离的影响，而在磁性检测中，测量元件到被测场源间的距离直接影响测量电信号的幅度大小，对定量的检测十分不利；③在高分辨力、高精度、自动测量中，可以方便地通过控制光束大小或扫描运动，实现点、线或面磁场的精确测量；④测量为非接触式测量且不受构件结构形状的影响。磁场测量技术-方法1.单元件单点测量单元件测量的是其敏感面内的平均磁感应强度，当元件的敏感面积很小时，可以认为测得的是点磁场。单元件一般用在主磁通法、磁阻法和磁导法中。例如，在管棒类铁磁性构件表面裂纹的漏磁检测中，通过绕制管状感应线圈并让这类细长构件从中穿过，则可探测到构件整个外表面缺陷产生的漏磁场，而单个半导体元件将很难实现这类构件整周上漏磁场的测量。单元件测量时后续的信号处理电路和设备相对较简单，花费的成本较低，检测时的有效信息比较大。2.多元件阵列多点测量当需要提高测量的空间分辨力、覆盖范围和防止漏检测时，可采用多元件阵列组合起来进行测量。在测量信号的处理上，当需要提高空间分辨力时，采用相互独立的通道处理每个元件输出，但增大了信息量输出，降低了有效信息比。为了得到灵敏度一致的输出，对每个元件和对应通道应进行严格的标定；当只需要增大检测时覆盖范围时，可以将多元件测量信号叠加，以单通道或小于元件数目的通道输出，通过电路上的组合，可选择到最佳分辨力、覆盖范围、灵敏度的检测探头结构。多元件测量时，要精心选择灵敏度、温度特性较一致的元件。均匀布置元件的数量应使多元件覆盖范围总和大于被测区域。很明显，多元件陈列测量相对复杂得多。磁场测量技术-方法3.对管测量技术在直流磁场测量中，半导体敏感元件的温漂将会影响测量的精度、稳定性。为减小温漂的影响，除了在信号处理上采用低温漂放大电路之外，在测量中可采用对管技术，将特性相近的两元件的感应面尽可能靠在一起，并让它们的磁敏感方向相反，形成“对管”。由于相同材料的半导体温度特性基本一致，两元件测量信号差分的结果是检测信号温漂影响减小，同时，灵敏度可提高一倍。例如，对美国Sprague公司生产的集成霍尔元件UGN3501T(灵敏度7V/T，温漂0.1mV/℃)采用对管测量技术后，测量灵敏度达14V/T，而温漂只有0.01mV/℃。该公司用该法生产的差动元件UGN3501M，其温漂特性更好，但体积稍大。4.差动测量技术为了排除测量过程中振动、晃动以及被测构件中非被测特征的影响，提高测量的稳定性、信噪比和抗干扰能力，检测中适当布置一对冗余测量单元，并将两单元测量信号进行差分处理，形成差动测量。当在平行于测量磁场方向的测量面上布置对该方向敏感的测量元件并差动输出时，形成差分测量技术，可消除测量间隙等变动带来的影响；当在测量的磁场方向上间隔布置对该方向敏感的两测量元件并差动输出时，可对磁场的梯度进行测量，形成梯度测量技术，可在较强的背景磁场下测量微弱的磁场变化。磁场测量技术-方法5.聚磁检测技术聚磁检测采用高导磁材料(如工业纯铁、坡莫合金等)将测量磁场主动引导至测量元件中，如图所示。由高导磁材料做成的聚磁器在这里起着收集、引导、均化测量磁场的作用。根据被测构件表面形状和测量要求设计聚磁器的形状尺寸，最大限度地收集有用磁场，并可通过设计磁场通路较好地将磁场集中引导至测量元件中。对空间上高频变化的磁场而言，聚磁器相当于一空间上的低通滤波器，因而这一测量技术的空间分辨力将差一些。聚磁检测的关键在于聚磁器的设计，当聚磁器的形状、尺寸选择不当时，测量信号质量将很差或者根本得不到感兴趣的信号。因此，必须针对测量的特点设计聚磁器。在聚磁器设计中，总的原则是确保其收集磁场和引导磁场的路径畅通，也即聚磁器的每一局部都不应该有磁饱和现象发生。磁场测量技术-方法6.磁屏蔽技术磁场测量最易受到外界磁场的干扰，采用磁屏蔽技术后可以减弱杂散磁场的影响。在测量中，通常采用高导磁材料做成壳体(箱体)以使腔体内的测量单元免受体外磁场的影响，一般可将体外磁场减至1/5~1/8之间，好的屏蔽体可减小得更小。磁屏蔽是保证测量稳定性和可靠性必不可少的措施，对弱磁场的测量尤为重要。磁场测量技术-探头设计1.主动式测量探头当检测过程中探头与被测构件的相对运动关系可精确控制或可通过设计实现时，一般通过检测装置或系统的设计来保证单个探头的扫描覆盖范围、提离距离、敏感方向等，此时探头可以是一个独立的单元，其运动关系由检测装置控制。例如，油管自动检验线上的磁性探伤设备，其探头与油管的相对运动关系由控制机构实现，有探头旋转油管直线输送、油管旋转探头直线扫描、探头固定而油管螺旋输送等多种形式。在运动机构的设计上，根据探头的覆盖范围选择自动输送的进程，保证沿钢管表面不发生漏检，并采用较小的测量间隙来减小“提离效应”影响。由于磁性测量探头一般只能测量某一方向上的磁场分量，而缺陷产生的漏磁场与其形状和走向相关，因而应让探头的敏感方向与相对扫描运动方向一致，以获得被扫描路径上较高的缺陷检测敏感性。磁场测量技术-探头设计2.被动式测量探头与主动式测量探头相反，当检测的运动关系只能由被测构件决定时，测量探头本身的结构就需要特殊考虑。例如，在钢丝绳芯输送带的检测中，输送带只能有纵向运动，为了测量每根钢丝绳的状况，需采用阵列检测方法；为了减小“提离效