一種基于tmr磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，屬于電磁檢測裝置領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的一種常規(guī)無損檢測方法。電渦流檢測的原理是:當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場中或相對于磁場運動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流的流通路徑往往猶如水中的漩渦，因此稱為渦電流或者電渦流，簡稱渦流。渦流的大小、相位及分布受試件的影響，反作用于線圈，使檢測線圈阻抗發(fā)生變化，通過測定檢測線圈阻抗變化，就可以獲得被測試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)分布、是否存在缺陷以及試件與線圈的耦合情況等信息。若保持系統(tǒng)的若干參數(shù)不變，就可以對另外一些參數(shù)做出評估。常規(guī)渦流檢測一般使用線圈式檢測探頭，線圈式探頭適合檢測導(dǎo)體材料中深度較淺、尺寸較大的缺陷，缺點是低頻性能較差，降低激勵頻率會導(dǎo)致探頭靈敏度大幅減弱，這意味著線圈式探頭不適合檢測深層微小缺陷。另外，在常規(guī)渦流檢測中，線圈式探頭一般在沿著能明顯切斷渦流流通路徑的方向上掃描時才可以有效檢出缺陷，而且通常只使用單個探頭進行檢測，這些因素都不同程度地制約了渦流檢測系統(tǒng)效率的提高。
[0003]本實用新型選用最新一代磁場傳感器--隧穿磁阻(Tunneling
Magnetoresistance, TMR)傳感器作為檢測探頭陣列單元。TMR磁場傳感器與巨磁電阻(Giant Magneto Resistance, GMR)傳感器相比，在更微弱的磁場下就能獲得顯著的電阻改變，可以利用其研制和開發(fā)更多適用于各種場合的高性能新式探頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，為解決探頭不適合檢測深層微小缺陷、傳統(tǒng)的單一渦流檢測探頭檢測效率較低、常規(guī)線圈式探頭在檢測深層缺陷時靈敏度與空間分辨率無法兼得、常規(guī)線圈式探頭對缺陷方向的依賴性的問題，本實用新型提供了一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案是:一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，包括矩形雙層印刷電路板1、平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III4、平面直角螺旋線圈IV 5、TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組III 8、TMR磁場傳感器組IV 9、一維線形傳感器陣列10、跳線I 11、跳線II 12、跳線III 13 ;
[0006]所述矩形雙層印刷電路板I為檢測探頭的基底，利用其上、下兩層的外表面和兩層間的接合面布置檢測探頭的部件；
[0007]所述矩形雙層印刷電路板I上層外表面:使用印刷電路板制作工藝，按照四象限的分布形式將平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈IV 5等間隔地印刷在矩形雙層印刷電路板I上層外表面；其中，平面直角螺旋線圈每匝導(dǎo)線線寬相等，相鄰平面直角螺旋線圈間距相同，相鄰兩個平面直角螺旋線圈導(dǎo)線繞行方向相反，對角兩個平面直角螺旋線圈導(dǎo)線繞行方向相同，4個平面直角螺旋線圈的內(nèi)外端點各有一個焊點，分別為a、b, C、d，e、f，g、h，并引出抽頭；
[0008]所述矩形雙層印刷電路板I下層外表面:矩形雙層印刷電路板I下層外表面在對應(yīng)基底上層外表面4個平面直角螺旋線圈各自中心位置分別放置TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組III 8、TMR磁場傳感器組IV 9 ;其中，每組TMR磁場傳感器包含3枚兩兩相互垂直且感應(yīng)軸方向與激勵磁場方向垂直的TMR磁場傳感器，共需12枚TMR磁場傳感器；在中心軸上放置一組5枚TMR磁場傳感器組成的一維線形傳感器陣列10 ;其中，5枚TMR磁場傳感器間距相等，感應(yīng)軸方向相同且垂直于線圈對稱軸，幾何中心成一條直線且與線圈對稱軸重合，中間一枚位于基底幾何中心；
[0009]所述矩形雙層印刷電路板I兩層接合面上層:設(shè)置跳線I 11、跳線II 12、跳線III 13，分別連接焊點a和h、d和e、g和f ；
[0010]每個平面直角螺旋線圈的內(nèi)外端點處的焊點，分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關(guān)電路，再與激勵信號源相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應(yīng)的4組TMR磁場傳感器組輸出信號引腳并行連接到邏輯開關(guān)電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關(guān)電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；檢測探頭各部件的連接線全部集成在矩形雙層印刷電路板I上；TMR磁場傳感器電源引腳Vcc與3V穩(wěn)壓直流電源相連，接地引腳GND與檢測系統(tǒng)公共接地端相連。
[0011]所述信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡三部分，三者依次連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與上位機連接，激勵信號源、邏輯開關(guān)電路、數(shù)據(jù)采集卡、上位機分別與控制器相連。
[0012]當(dāng)3條跳線將焊點a和h、d和e、g和f斷開后，則可分別對任何一個平面直角螺旋線圈加載激勵型號，此時相當(dāng)于探頭包含4個激勵線圈；當(dāng)3條跳線將焊點a和h、d和e、g和f連接后，4個平面直角螺旋線圈可構(gòu)成一個統(tǒng)一激勵線圈。所謂統(tǒng)一激勵線圈，就是當(dāng)激勵線圈通入交變激勵信號時，激勵線圈可產(chǎn)生統(tǒng)一的時變磁場。當(dāng)激勵信號源在b和c兩焊點給激勵線圈加載激勵信號時，激勵信號流經(jīng)全部4個平面直角螺旋線圈，產(chǎn)生一個統(tǒng)一的時變激勵磁場。
[0013]本實用新型的工作原理是:
[0014]選用多維科技生產(chǎn)的MMLH45F型TMR磁場傳感器作為陣列探頭檢測單元，其芯片引腳如圖8所示，使用3V穩(wěn)壓直流電源供電，單片MMLH45F的尺寸為6mmX 5mmX 1.7mm，采用SOP8封裝形式；MMLH45F型TMR磁場傳感器中封裝了 4枚非屏蔽磁敏感元件，構(gòu)成推挽式惠斯通電橋，當(dāng)外加磁場沿平行于磁敏感元件方向變化時，惠斯通電橋有差分電壓輸出。
[0015]實際使用本實用新型渦流檢測探頭進行缺陷檢測之前，按照如圖7所示連接方法將本實用新型與相關(guān)渦流檢測系統(tǒng)進行連接。渦流檢測探頭通過邏輯開關(guān)電路與激勵信號源和信號采集裝置進行連接，具體連接方法是:4個平面直角螺旋線圈的8個焊點a?h分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關(guān)電路，然后將邏輯開關(guān)電路與激勵信號源輸出端相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應(yīng)的4組TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關(guān)電路，然后將邏輯開關(guān)電路與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關(guān)電路，然后將邏輯開關(guān)電路與信號采集裝置的低通濾波器相連。渦流檢測探頭與3V穩(wěn)壓直流電源輸出端直接相連，即將3V穩(wěn)壓直流電源輸出端直接連接到TMR磁場傳感器的電源引腳Vcc。TMR磁場傳感器的接地弓I腳GND與渦流檢測系統(tǒng)的公共接地端連接。激勵信號源通過邏輯開關(guān)電路連接渦流檢測探頭的平面直角螺旋線圈，后者加載激勵信號產(chǎn)生空間激勵磁場。信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡三部分，三者依次連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與上位機連接，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器輸出信號并輸送給上位機，上位機對采集到的輸出信號進行分析得到檢測結(jié)果?？刂破鞣謩e與激勵信號源、邏輯開關(guān)電路、數(shù)據(jù)采集卡、上位機相連，控制、協(xié)調(diào)檢測系統(tǒng)中各個部分的運行與通訊。
[0016]使用一定占空比的脈沖方波作為激勵信號，可以使用數(shù)字頻率合成(DDS)電路作為脈沖激勵信號源；脈沖渦流檢測技術(shù)可對被測試件大面積不同深度缺陷進行掃描檢測，操作簡單，可以大大提高檢測速度和效率。為實現(xiàn)不同的“激勵一檢測”方式，邏輯開關(guān)電路在控制器控制下導(dǎo)通或斷開某些支路，給相應(yīng)的平面直角螺旋線圈加載激勵信號、采集加載激勵信號的平面直角螺旋線圈對應(yīng)的TMR磁場傳感器輸出信號。默認(rèn)情況下，邏輯開關(guān)電路均為斷開狀態(tài)，需要產(chǎn)生特定的激勵磁場時對應(yīng)的平面直角螺旋線圈才會被選中并通入激勵信號，不參與測量磁場的TMR磁場傳感器不會將輸出信號傳輸給信號采集裝置。邏輯開關(guān)電路使用高速模擬開關(guān)芯片ADG1414搭建，ADG1414是一組獨立八通道單刀單擲(SPST)開關(guān)，通過一個三線式串行接口進行控制，能夠以最高50MHz的時鐘速率工作，與DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。數(shù)據(jù)以8位形式寫入ADG1414，每一位對應(yīng)一個通道，利用移位寄存器的輸出，可以將若干ADG1414以菊花鏈形式相連擴展。
[0017]由于輸出信號幅值較弱且含有噪聲，通常先將輸出信號經(jīng)低通濾波和信號放大處理后再由數(shù)據(jù)采集卡進行采集，所以信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器和數(shù)據(jù)采集卡三部分。數(shù)據(jù)采集卡可以使用NI的PCIe-6343型數(shù)據(jù)采集卡，它提供32路模擬量輸入和4路模擬量輸出，使用PCI Express總線與PC上位機交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的輸出信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸送給上位機，上位機對輸出信號進行分析，得到檢測結(jié)果。其中，低通濾波器使用MAX275有源濾波器芯片搭建；功率放大器采用甲乙類推挽放大電路；上位機對信號采集裝置采集的TMR磁場傳感器信號進行分析處理，得到檢測結(jié)果并由顯示器顯示?？梢允褂肔abview軟件編寫的渦流檢測程序，先通過對TMR磁場傳感器的信號進行處理和計算得到渦流信號的幅值、相位等信息，再由渦流檢測程序進一步分析渦流信號得到被測對象中缺陷的相關(guān)參數(shù)等信息。
[0018]控制器用