基于GMR传感器的多层金属结构裂纹缺陷脉冲涡流检测

姚立东，付跃文

（南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063）

脉冲涡流（pulsed eddy current，PEC）检测是涡流检测方法中的一个重要的分支，在航空航天领域有着重要的应用。目前，采用脉冲涡流检测方法对飞机多层金属结构检测是一种非常有效地手段。相比较传统涡流检测，首先，其一个脉冲信号可以展开成无限多个谐波分量之和，在频域中具有很宽的频谱，因而检测信号可以获得试件多种参数信息，实现一次检测扫描中，可同时获得深层和浅层的缺陷信息；其次，在时域范围内检测信号依然富含丰富的信息，通过分析时域信号可直接对缺陷进行定量和定性分析［1－3］。

传统的脉冲涡流以检测线圈来检测信号，而检测线圈并不是直接测量磁场本身的大小，而是感应试件中涡流所产生磁场的变化率，对于低频信号灵敏度低，而磁传感器代替检测线圈的优势在于检测灵敏度高，检测信号带宽更宽，这种磁传感器可直接将磁场按比例转化为电压值。巨磁阻（GMR）效应是指微弱的磁场变化可以使得某些材料的电阻值发生明显变化，是一种材料的电阻率随着材料磁化状态发生显著变化的现象。GMR除了具有较高的磁阻变化及对微弱的磁场高度敏感外，还具有良好的方向性，非敏感方向磁场对敏感方向磁场影响仅为15%～20%，GMR芯片可直接测量磁场大小［4－5］。

GMR芯片是由四个磁致电阻构成的惠斯登电桥结构，如图1所示。其中Ucc为GMR芯片的供电电压；R0为四个磁电阻初始阻值。对其中两个做屏蔽处理，在无外加磁场时，输出电压Uout＝0；当外加磁场时，屏蔽两个电阻阻值发生改变，其变化量为ΔR，则此时输出电压为：

图1 GMR结构示意

在GMR线性工作区满足关系ΔR＝KB，K为芯片线性度的常数，B为磁感应强度。令＝K0，则：Uout＝K0B，可以看出GMR芯片输出只与磁感应强度大小有关系。使用MTG－T2F型全桥结构的GMR芯片，标称阻值为190kΩ，工作电压0～5V，工作磁场范围（0±15）Gs，灵敏度为12mV／V／Oe，频率响应范围0～10MHz，线性度小于1%。

1 检测原理

脉冲涡流检测是通过对激励线圈两端施加电流脉冲激励，在金属试块内部感应出涡流，测量涡流感应磁场和线圈产生磁场的叠加磁场大小来获得金属试块内部信息。脉冲涡流检测一般使用时域分析法。

图2为脉冲涡流时域差分方法的示意。将探头置于无缺陷位置处，GMR传感器测出此时试块中涡流感应磁场与线圈产生磁场叠加磁场的大小（测得信号如图2中所示），取此信号为参考信号。若探头移动至有缺陷位置处，则由于涡流遇到缺陷时，其传播方向会发生偏转，导致其涡流感应磁场发生畸变，GMR传感器此时测出的叠加后的磁场曲线将与参考位置不再重合，如图2中的缺陷信号所示。有缺陷时，检测信号和参考信号的差分后信号将不为零，因此可通过观察差分信号来判断缺陷有无。若差分后信号有峰值出现，则表示此位置存在缺陷，反之，则说明此位置无缺陷。同时，试块中缺陷大小与深度的不同，还将导致差分信号的峰值大小和峰值时间不相同，据此可以判断缺陷的埋藏深度和缺陷当量大小［6－8］。

2 检测系统

2.1 系统总设计

脉冲涡流检测系统是基于模块化的设计，系统包括软件部分和硬件部分。硬件部分包括计算机、脉冲信号发生器、多层铝合金试块、传感器模块、信号调理模块、数据采集模块；软件部分主要由数据采集及保存程序和信号处理程序，整套系统结构框图如图3所示。

图2 脉冲涡流时域差分示意图

图3 GMR脉冲涡流检测系统框图

GMR脉冲涡流检测系统以计算机为核心工作，计算机通过软件程序控制数据采集卡工作，包括采集数据及控制调理电路工作，信号通过调理电路处理被采集、存储和处理，数据采集同步性通过触发脉冲来控制［9］。

2.2 传感器设计

脉冲涡流检测传感器主要由线圈、GMR传感器和导磁体构成。采用矩形线圈绕法，线圈内加导磁体，可以增大磁场强度，将GMR传感器置于矩形线圈下方，离试块更近，减小提离效应，以检测到更小的畸变磁场，传感器设计如图4所示。

图4 传感器设计

图4线圈尺寸长×宽×高为50mm×30mm×10mm，共绕600匝，线圈内部导磁体为铁氧体，GMR芯片位于矩形线圈中心位置。

2.3 试块设计

多层金属结构试块采用10层铝合金板试块叠合在一起，每块铝合金板规格为250mm×700mm×1mm。在其中一块铝合金板上制备长度分别为2，3，4，6mm 的穿透裂纹缺陷，宽度为0.39mm，两端缺陷到边缘距离为200mm，缺陷与缺陷之间距离为100mm，缺陷中心至上下边缘距离为125mm，如图5所示。10块铝合金板可任意分离组合，将带有缺陷的铝合金板分别放置于不同层，以达到测试不同深度缺陷的目的。

图5 含缺陷铝合金的试块

3 试验结果及分析

3.1 纵向跨过裂纹的扫描结果

基于GMR传感器的脉冲涡流检测系统可实现对试块的实时扫描检测及分析，在粗扫描过程中若检测信号有峰值出现，表示附近位置有缺陷的存在，经过粗扫描定位后进行细扫描，找到差分后信号峰值最大位置处，此时，可粗略地认为探头位于裂纹缺陷正上方。试验分别对多层铝合金裂纹试块的2～6mm各深度裂纹缺陷检测，具体差分后检测信号峰值如表1所示。

表1 裂纹缺陷检测差分后信号峰值电压 V

从上表可以看出随着缺陷埋藏深度的增加，系统检测能力随之下降，6mm深度处可检测到的最小的裂纹缺陷为4mm，最小的2mm裂纹缺陷长度只有在4mm深度或小于4mm深度处信号才有明显峰值出现。

根据脉冲涡流检测原理，对于不同深度的裂纹缺陷，涡流在试块中传播时间随深度增加而增加，在传播过程中亦会有能量损失，对于同一深度裂纹缺陷，涡流传播距离相同，峰值时间相同，其检测信号峰值主要与裂纹缺陷大小有关。图6为6mm裂纹缺陷检测信号随埋藏深度的变化图形，图7为2mm埋藏深度处2，3，4，6mm裂纹缺陷的检测信号峰值变化图。

故对于不同深度裂纹缺陷，其峰值出现的时间随深度增加而增大，幅值随之变小。对于同一深度裂纹缺陷，其检测信号峰值出现时间相同，检测信号峰值大小随着裂纹缺陷长度增加其峰值变大。

3.2 与裂纹同向时的扫描结果

试验同时发现，探头在垂直裂纹缺陷移动时，检测信号随着探头接近或者远离裂纹缺陷会出现峰值的连续变化，而对于探头在缺陷上方沿着缺陷横向移动时，缺陷信号也会发生连续的变化，在探头移动到达裂纹缺陷边缘时，缺陷信号峰值渐变为零，当探头继续移动时缺陷信号出现向下的峰值。图8所示为探头位于试块裂纹缺陷5个不同位置示意图，图9为探头位于2mm深度处6mm裂纹缺陷上方，沿着缺陷横向移动检测信号波形图的变化。

图8 探头位于试块裂纹缺陷5个不同位置示意

探头位于裂纹缺陷正上方第3位置时，检测信号出现最大的峰值，探头沿着缺陷向左右两个方向移动时移动至2或4位置时检测信号峰值消失，测得2和4位置之间的距离，此时可估算2和4位置之间的长度为裂纹缺陷的长度。随着探头继续向1和5位置移动时，检测信号出现向下为负值的峰值。根据其检测信号峰值变化，可估计多层金属结构裂纹走向，并可分析涡流在多层金属试块传播时遇到裂纹缺陷时其涡流变化，如图10所示。

图10 涡流在多层金属试块传播遇到裂纹缺陷后的变化

结合图9，10分析，可推理出检测信号出现峰值向下原因，感应涡流在多层金属结构无缺陷处传播时，感应涡流均匀分布向前传播，当涡流遇到裂纹缺陷会改变其传播方向，如图10所示，位于多层铝合金板裂纹缺陷中间位置处传播的涡流可由缺陷上下方绕过传播，而裂纹缺陷两尖端处的涡流会有部分涡流由缺陷两端绕过传播。由右手螺旋定则可知，两边绕过的涡流会感应出相当于磁铁N极和S极的磁场，该磁场在裂纹尖端附近的水平分量和原有磁场叠加的结果，均为增强原有磁场而不是减弱，又因为GMR是单轴传感器，对垂直试块方向感应磁场的敏感度几乎为零，所以在裂纹缺陷两尖端外磁场叠加后的检测信号会出现向下峰值而不是像裂纹中间位置处一样是向上峰值。

4 结论

通过使用矩形线圈和能够产生巨磁电阻效应的GMR芯片设计传感器，对多层铝合金试块的裂纹缺陷进行检测。对于多层铝合金试块在4，5，6mm深度处可检测到的最小裂纹长度依次为2，3，4mm，并通过对电磁场分析可得出峰值时间、峰值大小与深度的对应关系；同时，试验通过探头在裂纹缺陷上方横向移动时，检测信号峰值的变化来判断裂纹缺陷走向，估算裂纹缺陷长度，及分析涡流在多层金属试块传播过程中遇裂纹缺陷后涡流走向变化，并利用GMR单轴传感器的特点分析其涡流及磁场变化，进而判断出涡流所感应出磁场的分布情况。

［1］杨宾峰，罗飞路，杨玉华，等.脉冲涡流在飞机铆接结构无损检测中的应用研究［J］.计量技术，2005（12）：15－17.

［2］杨宾峰，罗飞路，杨玉华，等.飞机多层结构中裂纹的定量检测及分类识别［J］.机械工程学报，2006，42（2）：63－67.

［3］DOGTRU T，SMITH S T.Giant magnetoresistancebased eddy－current sensor［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2001，5（7）：3831－3838.

［4］DOGTRU T，SMITH S T.Edge crack detection using agiant magnetoresistance based eddy current sensor［J］.Nondestructive Testing and Evaluation，2000，16（1）：31－35.

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