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一種無損探傷裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公布了一種無損探傷裝置，其特征在于：其包括多個(gè)磁場敏感方向相同的傳感單元、勵磁以及控制單元；所述多個(gè)傳感單元分別包括感應(yīng)部分和相應(yīng)的電路，所述感應(yīng)部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件組成，用以檢測待測物的不同位置的渦流場或漏磁場；所述勵磁為永磁體或電磁鐵，用以提供激勵磁場使待測物產(chǎn)生渦流場或漏磁場；所述控制單元用以供電和處理傳感單元的信號。本實(shí)用新型的無損探傷裝置通過設(shè)置多個(gè)以巨磁電阻元件（磁性隧道結(jié)元件）為傳感元件的傳感單元檢測待測物的渦流場或漏磁場分布，通過處理得到一個(gè)高分辨率的待測物的磁信號組，從而達(dá)到高精度無損探傷的目的。
【專利說明】一種無損探傷裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及磁性傳感器領(lǐng)域，尤其是一種采用磁性傳感器的渦流無損探傷裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]無損探傷檢測是利用物質(zhì)的聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷大小、位置、性質(zhì)以及數(shù)量等信息。目前廣泛使用的無損探傷方法有X光射線探傷、Y射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷以及渦流探傷等物理式方法。
[0003]用射線探傷的方法可直接觀察圖像，具有高靈敏度，但是檢查時(shí)間長，成本非常高且需要建造一個(gè)專門的曝光室，占用體積很大，不適用于工業(yè)生產(chǎn)；超聲波探傷法對人工要求很高，需要待測物品表面平滑，缺陷定性及定量困難，檢測結(jié)果受人的主觀影響較大；磁粉探傷法具有顯示直觀的優(yōu)勢，但是不適用于非導(dǎo)磁材料的檢測，其無法探測待測物內(nèi)部的缺陷，且對待測物的表面光潔度具有較高的要求，與磁力線平行的缺陷也不易檢測出；滲透探傷適用于非導(dǎo)磁材料的表面開性缺陷的檢測，但是表面不開口的以及近表面的缺陷無法檢出，而且清洗著色時(shí)容易造成污染，其測量結(jié)果受操作程序以及清洗效果的影響；用現(xiàn)有的電感式渦流探傷法可高速檢測，不需接觸，但是其不適用于形狀復(fù)雜的零件，只能檢測材料的表面和近表面缺陷。
[0004]我們不難看出，現(xiàn)有的無損探傷裝置不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的高精度、高靈敏度、使用便利的要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提供一種高精度、高靈敏度、高分辨率、動態(tài)范圍寬、滲透深度深、使用便捷的無損探傷裝置。
[0006]本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種無損探傷裝置，其特征在于:其包括多個(gè)傳感單元、勵磁以及控制單元；
[0008]所述多個(gè)傳感單元分別包括感應(yīng)部分和相應(yīng)的電路，所述感應(yīng)部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件組成，用以檢測待測物的渦流場或漏磁場分布；
[0009]所述勵磁為永磁體或電磁鐵，用以提供激勵磁場使待測物產(chǎn)生渦流場或漏磁場；
[0010]所述控制單元用以供電和接收傳感單元的數(shù)據(jù)。
[0011]其進(jìn)一步特征在于:所述電磁鐵提供的激勵磁場為方波脈沖。
[0012]所述多個(gè)傳感單元排成一列或組成陣列，每個(gè)傳感單元的磁場敏感方向相同。
[0013]上述傳感單元固定在硬質(zhì)骨架上，便于掃描待測物，或者固定在軟性材料上，用于貼附在待測物上檢測。
[0014]上述傳感單元的感應(yīng)部分為單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。[0015]上述傳感單元的感應(yīng)部分也可以為梯度半橋或梯度全橋結(jié)構(gòu)，所述梯度半橋或梯度全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
[0016]以上所述的巨磁電阻元件以及磁性隧道結(jié)元件包含自由層、非磁性層以及釘扎層三個(gè)納米級薄膜層。
[0017]本實(shí)用新型無損探傷裝置通過多個(gè)傳感單元檢測待測物的渦流場或漏磁場分布，通過處理得到一個(gè)高分辨率的待測物的磁信號組，從而達(dá)到高精度無損探傷的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是條形掃描式無損探傷裝置的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是條形掃描式無損探傷裝置的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是環(huán)形掃描式無損探傷裝置的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4是陣列式無損探傷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖5是巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)示意簡圖。
[0023]圖6是磁電阻元件的輸出曲線示意圖。
[0024]圖7是是半橋式傳感單元的電連接示意圖。
[0025]圖8是半橋式傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0026]圖9是全橋式傳感單元的電連接示意圖。
[0027]圖10是全橋式傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0028]圖11是梯度全橋式傳感單元的磁電阻的物理位置圖。
[0029]圖12是多個(gè)傳感單元的感應(yīng)部分的電連接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型的實(shí)用新型內(nèi)容作進(jìn)一步的描述。
[0031]實(shí)施例1:掃描式無損探傷裝置。
[0032]如圖1所示，本實(shí)施例包括多個(gè)傳感單元(I la、I lb、I Ic......1 In)、勵磁12以及控
制單元13。多個(gè)傳感單元位于硬質(zhì)非磁性材料的骨架上，排成一列直線型如圖2所示，或者排成圈形如圖3所示，或者根據(jù)所測量的材料設(shè)置為矩形或其他形狀，使待測物穿過閉合的傳感單元組以便于掃描，每個(gè)傳感單元的磁場敏感方向I相同。使用時(shí)，探傷裝置沿方向2掃過待測物21，勵磁12向待測物21施加激勵磁場脈沖31，同時(shí)待測物21產(chǎn)生電渦流，而在電渦流附近則形成渦流場32，每個(gè)傳感單元11則測量其附近的渦流場32和脈沖場31的疊加場沿其磁場敏感方向I的分量，每個(gè)傳感單元的輸出信號傳遞至控制單元13，由于傳感單元11測得的磁場分布是脈沖場31和渦流場32的疊加場，因此在后期處理數(shù)據(jù)的時(shí)候需要將脈沖場31的信號除去，將原始信號差分，即可得到待測物21的渦流場32的信號。該信號和待測物的材質(zhì)以及平整度相關(guān)，不同的材質(zhì)具有其標(biāo)準(zhǔn)譜線，若待測物表面平整，而其表面、近表面以及內(nèi)部有缺陷，則會影響渦流場32的分布，從而導(dǎo)致信號的變化，進(jìn)而達(dá)到探傷的目的。
[0033]實(shí)施例2:貼附式無損探傷裝置。
[0034]由于在戶外作業(yè)時(shí)，掃描式無損探傷裝置在使用上并不便利，因此貼附式裝置為此而設(shè)計(jì)。如圖4所示,本實(shí)施例包括多個(gè)傳感單元(lla、llb、llc......lln)、勵磁12以及控制單元13 (圖中未標(biāo)示出)。多個(gè)傳感單元位于軟性材料上固定，使用的時(shí)候貼附在待測物上，勵磁12對待測物施以磁場脈沖，同時(shí)待測物產(chǎn)生電渦流，而在電渦流附近則形成渦流場32，每個(gè)傳感單元11則測量其附近的渦流場32和脈沖場31的疊加場沿其磁場敏感方向I的分量。其測量機(jī)理與實(shí)施例1相同，在此不再贅述。當(dāng)然，貼附式無損探傷設(shè)備也不僅限于使用陣列式，例如只是測量鋼材的結(jié)合處，制成單列條狀貼附在關(guān)鍵部位測量也是可行的。實(shí)施例1和實(shí)施例2中傳感單元的個(gè)數(shù)和陣列密度是根據(jù)需求設(shè)計(jì)的。
[0035]勵磁12的脈沖場31為方波，由于方波可以傅里葉展開，可以認(rèn)為是全頻段的，脈沖場31的滲透深度和其頻率相關(guān)且成反比，因此低頻段的滲透深度高，但是其渦流場密度小，而通常采用的電感線圈傳感單元的靈敏度和精度都很低，無法測得低頻段的渦流場，其輸出信號動態(tài)范圍窄且無法測量材料表面下更深處的渦流信號，因此本實(shí)用新型的傳感單元11采用靈敏度和精度非常高的巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件。由于脈沖場31要盡可能寬地覆蓋于傳感單元11的測量區(qū)域，因此可以設(shè)計(jì)為一個(gè)大的線圈或者采用多個(gè)線圈組成陣列?？刂茊卧?3不僅僅用來數(shù)據(jù)處理，同時(shí)也是勵磁12和傳感單元11的電源。通過掃描式或陣列式無損探傷裝置測量渦流場，可以得到待測物一個(gè)面的渦流場信號組，t匕單個(gè)傳感單元測量單一部位的磁信號具有更高的精度。
[0036]如果待測物為磁性材料，則勵磁12可以是永磁體，同樣的，為了使激勵磁場31盡可能覆蓋于多個(gè)傳感單元11的測量區(qū)域，也可以設(shè)計(jì)為一個(gè)大的永磁體或多個(gè)永磁體的陣列，其對待測物21施加的勵磁場31為恒磁場，而待測物則被磁化，若其表面或近表面處有缺陷，就會產(chǎn)生漏磁場，當(dāng)無損探傷裝置掃描或貼附在待測物上時(shí)，會檢測到漏磁場信號，從而達(dá)到探傷的目的。
[0037]常用的磁性傳感元件有電感線圈、霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件以及磁性隧道結(jié)元件。其中電感線圈是通過電磁感應(yīng)測量磁場，其靈敏度和精度都非常低；霍爾元件是通過霍爾效應(yīng)的原理測量磁場，其飽和場很大，測量范圍寬，但是靈敏度低，精度也低，無法制成陣列式，也無法檢測到待測物較深處的缺陷，且通常需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)增加其靈敏度，因此體積也很大。我們不難看出，具有高精度、高靈敏度、低功耗、體積小、溫度特性高等優(yōu)勢的以巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件為代表的磁電阻元件成為無損探傷裝置的敏感元件的最優(yōu)選擇。
[0038]圖5是巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，巨磁電阻元件(磁性隧道結(jié)元件)位于基底54上，由納米級薄膜頂電極層56、自由層51、非磁性層52、釘扎層53、底電極層55構(gòu)成。自由層51由磁性材料構(gòu)成,也可以是鐵磁層-間隔層-鐵磁層的SAF結(jié)構(gòu)，其磁矩61隨外場變化；非磁性層52由非磁性材料構(gòu)成，如果是巨磁電阻元件，則非磁性層52為金屬材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道結(jié)元件，則為非金屬材料，如A10x、MgO等；釘扎層53的磁矩63不變，通常是鐵磁層-反鐵磁層復(fù)合式結(jié)構(gòu)或SAF層-反鐵磁層結(jié)構(gòu)。頂電極層56和底電極層55由金屬導(dǎo)體材料組成，實(shí)際應(yīng)用中可通過頂電極層56和底電極層55將多個(gè)元件串聯(lián)或并聯(lián)，或串并混合連接為一個(gè)等效電阻來使用，同時(shí)頂電極層56和底電極層55還包含引導(dǎo)晶格生長的帽子層和種子層。當(dāng)自由層磁矩61和釘扎層磁矩63平行時(shí)，元件的阻值R最小，為當(dāng)自由層磁矩61和釘扎層磁矩63反平行時(shí)，元件的阻值R最大，為Rh。通過現(xiàn)有的技術(shù)，可以使元件的阻值R在&和Rh之間線性變化，例如在自由層51的上方或下方沉積反鐵磁材料,或是在元件周圍設(shè)置永磁體,或者是在元件周圍設(shè)置電流線，或者是將元件設(shè)計(jì)為狹長的形狀，例如矩形、橢圓形、長菱形等，利用其形狀各向異性能偏置自由層磁矩以達(dá)到線性化的目的。
[0039]圖6是巨磁電阻元件(磁性隧道結(jié)元件)的輸出曲線示意圖，其電阻值R隨外場H在其飽和場-Hs和Hs之間線性變化，當(dāng)施加的外場沿其敏感方向的場強(qiáng)的絕對值大于其飽和場的絕對值時(shí)，其阻值不變。
[0040]傳感單元包括感應(yīng)部分和相應(yīng)的電路，其感應(yīng)部分可以是單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)。所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)相同的磁性傳感元件串聯(lián)和/或并聯(lián)組成，每個(gè)橋臂我們可以等價(jià)于一個(gè)磁電阻，每個(gè)橋臂中的磁性傳感元件的磁場敏感方向都相同。前述的單電阻結(jié)構(gòu)含有一個(gè)磁電阻，半橋結(jié)構(gòu)由兩個(gè)物理性質(zhì)相同的磁電阻串聯(lián)組成，全橋結(jié)構(gòu)由四個(gè)物理性質(zhì)相同的磁電阻連接構(gòu)成，使用時(shí)都要通入穩(wěn)恒電壓或電流。由于單電阻結(jié)構(gòu)只含有一個(gè)等效磁電阻，其輸出就是其兩端電壓，在此不再贅述，下文將對半橋和全橋結(jié)構(gòu)詳細(xì)闡述。
[0041]圖7是半橋結(jié)構(gòu)的電連接示意圖。磁電阻71和73串聯(lián)起來，由焊點(diǎn)Vbias和GND之間通入穩(wěn)恒電壓或電流。半橋可以是參考半橋、推挽半橋或梯度半橋。參考半橋的一個(gè)橋臂(磁電阻)73的靈敏度非常低，在測量范圍內(nèi)的阻值變化可近似認(rèn)為是零，另一個(gè)橋臂(磁電阻)71的阻值變化導(dǎo)致其兩端輸出電壓Vott變化，從而以此測量出磁場；推挽半橋則是兩個(gè)橋臂71、73的磁場敏感方向相反，在受到同一個(gè)外場作用下一個(gè)阻值增大，一個(gè)阻值減小，從而導(dǎo)致輸出電SVott的變化測量出磁場；梯度半橋測量的是梯度場，沿著梯度場的方向場強(qiáng)不同，導(dǎo)致兩個(gè)敏感方向相同的磁電阻阻值變化不同，從而引起輸出電壓Vott的變化進(jìn)而測量出磁場。半橋結(jié)構(gòu)隨外場變化的輸出曲線示意圖如圖8所示。
[0042]圖9是全橋結(jié)構(gòu)的電連接示意圖。磁電阻71和72串聯(lián)，73和74串聯(lián)，串聯(lián)的兩個(gè)電阻對再并聯(lián)，由焊點(diǎn)Vbias和GND之間通入穩(wěn)恒電壓或電流。全橋可以是參考全橋、推挽全橋或梯度全橋。參考全橋分別位于左右半橋的兩個(gè)橋臂71和74的靈敏度非常低，在測量范圍內(nèi)的阻值變化可近似認(rèn)為是零，橋臂73和74的磁場敏感方向相同，在同一外場作用下其阻值變化相同，從而輸出端V+和V-之間產(chǎn)生電勢差，即輸出電壓，進(jìn)而測量磁場。推挽全橋的橋臂71和74的磁場敏感方向相同，72和73的磁場敏感方向相同，71和72的磁場敏感方向相反，在同一外場的作用下，71和74阻值變大的同時(shí)72和73的阻值減小(或者71和74阻值減小的同時(shí)72和73阻值增大)，從而輸出端V+和V-之間產(chǎn)生電勢差，即輸出電壓，進(jìn)而測量磁場。全橋結(jié)構(gòu)隨外場變化的輸出曲線示意圖如圖10所示。
[0043]降低磁電阻靈敏度的以構(gòu)成參考半/全橋的橋臂可以采用但不局限于以下方式:如在磁電阻元件上沉積磁導(dǎo)率高的軟磁材料，設(shè)置偏置場大的永磁體或沉積厚的反鐵磁層等。通過以上方式可在一張晶圓上一次制備出參考全橋芯片。
[0044]圖11是梯度全橋磁電阻的物理位置圖，如圖所示，沿著梯度磁場32的方向，磁電阻71和74的位置相同，磁電阻72和73的位置相同，在端口 Vbias和GND之間輸入穩(wěn)恒電壓。在沒有外場的作用下，磁電阻71、72、73、74的阻值相同，輸出端沒有電勢差，無輸出。當(dāng)外場32施加于四個(gè)磁電阻上時(shí)，由于該磁場是梯度場，沿著梯度場方向的場強(qiáng)大小不同，則沿著梯度方向位置相同的磁電阻71和74的電阻值變化相同，磁電阻72和73的電阻值變化相同，磁電阻71和72 (73和74)的阻值變化不同，則梯度全橋的輸出端V+和V-之間具有輸出電壓其輸出曲線可參考圖10。[0045]圖12是多組傳感單元的感應(yīng)部分的電連接示意圖。多個(gè)磁電阻組成的多個(gè)梯度全橋并聯(lián)，統(tǒng)一由控制單元13提供穩(wěn)恒電壓或穩(wěn)恒電流，多組輸出信號傳遞至控制單元13進(jìn)行后期的處理和分析。
[0046]傳感單元11的輸出信號可以直接輸出到控制單元13也可以通過相應(yīng)的電路(圖中未標(biāo)示)處理后再輸出到控制單元13，例如可根據(jù)需求將模擬信號轉(zhuǎn)化為方波或數(shù)字信號。
[0047]應(yīng)當(dāng)理解，以上借助優(yōu)選實(shí)施例對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行的詳細(xì)說明是示意性的而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本實(shí)用新型說明書的基礎(chǔ)上可以對各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種無損探傷裝置，其特征在于:其包括多個(gè)傳感單元、勵磁以及控制單元； 所述多個(gè)傳感單元分別包括感應(yīng)部分和相應(yīng)的電路，所述感應(yīng)部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件組成，用以檢測待測物的渦流場或漏磁場分布； 所述勵磁為永磁體或電磁鐵，用以提供激勵磁場使待測物產(chǎn)生渦流場或漏磁場； 所述控制單元用以供電和接收傳感單元的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述電磁鐵提供的激勵磁場為方波脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述多個(gè)傳感單元排成一列或組成陣列，每個(gè)傳感單元的磁場敏感方向相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述傳感單元固定在硬質(zhì)骨架上，便于掃描待測物，或者固定在軟性材料上，用于貼附在待測物上檢測。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述傳感單元的感應(yīng)部分為單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述傳感單元的感應(yīng)部分半橋或全橋結(jié)構(gòu)為梯度半橋或梯度全橋結(jié)構(gòu)，所述梯度半橋或梯度全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述巨磁電阻元件以及磁性隧道結(jié)元件包含自由層、非磁性層以及釘扎層三個(gè)納米級薄膜層。
【文檔編號】G01N27/90GK203616286SQ201320830799
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】白建民, 王建國, 黎偉 申請人:無錫樂爾科技有限公司