高灵敏隧道磁阻传感器在铝合金材料检测中的应用

王 维,徐大诚

(苏州大学微纳传感技术研究中心,江苏苏州 215006)

0 引言

铝合金材料广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域[1]。通常采用无损检测技术[2],如射线、超声、渗透、涡流、磁粉等方法。涡流检测技术被广泛应用于导电材料材质检验[3]、厚度测量[4]以及裂纹检测[5]等领域。传统的涡流传感器由激励线圈和感应线圈组成,但线圈匝数较多、功耗较大,因此减小尺寸和降低功耗具有重要的意义。

有关涡流检测方面,文献[6]提出利用涡流分选技术对有色金属进行分选,但分选不同型号铝合金的准确率低于90%。文献[7]提出基于单频涡流同时测量金属电导率和厚度的方法,但激励线圈匝数较多、功耗较大。隧道磁阻(tunnel magneto-resistance,TMR)传感器具有灵敏度高、尺寸小、功耗低等特点。文献[8]设计了一种以TMR传感器为传感单元的涡流阵列传感器监测地下裂纹。文献[9]采用TMR传感器阵列检测并定位生产线上直径为1 mm的金属颗粒。文献[10]提出基于TMR传感器的微细裂纹漏磁检测方法,实现不同直径轴承滚子的高速、高精度自动化无损检测。

本文设计了一种用高灵敏TMR传感器替代涡流传感器中敏感线圈的涡流检测装置,能有效降低激励线圈的体积和功耗,并采用正交锁相放大器低噪声信号处理电路,实现了高灵敏铝合金材料性能检测。

1 金属识别原理

金属块置于交变磁场中会在金属内部产生对应的感应涡流,并产生感应磁场。感应磁场会影响原磁场,影响程度受金属自身因素(如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等)限制。不同金属具有不同的电导率和磁导率,可以通过测量不同金属对线圈的影响程度识别金属。

图1 涡流检测原理图

图2 等效电路

图2中2个回路的电压方程为:

(1)

(2)

联立式(1)、式(2)解得受金属影响后线圈的等效阻抗:

(3)

由式(3)可知,当电源频率、被测金属尺寸等参数一定时,线圈的等效阻抗只与被测金属的电导率和磁导率有关。由毕奥萨伐尔定律可知,感应磁场强度与线圈的电流成正比:

(4)

式中:μ0为真空磁导率,N/A2;I为线圈电流,A;r为电流源点与观测点之间的距离,mm。

因此,当被测金属的电导率和磁导率不同时,线圈的等效阻抗会发生变化,所产生的感应磁场也会随之变化。首先使用TMR传感器将磁场信号转化为电压信号,再利用正交锁相放大器测量电压信号的幅值,可实现对不同金属的识别。

2 系统设计

2.1 检测装置

检测装置由激励线圈、TMR2102传感器、被测金属和固定板组成,如图3所示。激励线圈匝数为10匝,激励线圈、TMR2102传感器和被测金属的中心在同一轴线上。表1为检测装置尺寸参数。

表1 检测装置尺寸参数 mm

图3 检测装置示意图

2.2 信号处理电路设计

2.2.1 前置电路设计

前置电路包含TMR2102传感器、缓冲器与无源调零电路,如图4所示。TMR2102传感器可等效成图4中的4个磁阻(R1～R4)。实际的隧道磁阻的阻值是围绕标准值波动的,因此构成TMR传感器的桥臂值在空载下是不同的,可通过无源调零电路进行补偿。补偿原理如下,当TMR传感器空载时,其差分输出信号表达式为:

图4 前置电路

(5)

由于R1～R4是围绕标准值波动的,因此V+≠V-,通过无源调零电路进行调整,设分压值分别为K1和K2,使得:

K1V+=K2V-

(6)

当TMR传感器感应到磁场后,TMR传感器桥臂的变化量是等值反向的,设变化量为V0,差分输出信号可以表示为

=K1(V++V0)-K2(V--V0)=(K1+K2)V0

(7)

由式(7)可以看出,经过调零电路补偿的TMR传感器差分输出信号只与磁场的变化有关,与初始桥臂值无关。

2.2.2 正交锁相放大器设计

正交锁相放大器由信号通道、参考通道、相关器组成,结构框图如图5所示。信号通道对输入信号进行放大、滤波来提高信噪比。参考通道对参考信号移相和整形,产生2个相位正交且占空比为50%的方波,作为相敏检波器的开关信号。相关器对处理后的输入信号和参考信号进行乘法运算,经低通滤波器输出1个与输入信号成正比的直流信号。

正交锁相放大器检测原理如下:

设待测信号为

x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)

(8)

式中:s(t)为待测信号中的有效信号;Vs为s(t)的幅值;ω0为s(t)的角频率;θ为s(t)的初始相位;n(t)为噪声。

2个相位正交的参考信号分别为:

(9)

(10)

将输入信号与参考信号接入相敏检波器,再经低通滤波器滤除高频分量和噪声分量后,得到两路直流输出:

(11)

(12)

通过式(11)、式(12)可计算有效信号的幅值。

正交锁相放大器的原理图如图6所示。前置放大器采用两级放大,第一级为采用仪表放大器INA849设计的放大器,增益为67,第二级为采用OPA1611高精度低噪声运算放大器设计的增益为10的反相比例放大器,前置放大器总增益为670。

图6 正交锁相放大器原理图

设计了四阶巴特沃斯带通滤波器用于滤除待测信号中的部分高频噪声,其增益为1,中心频率为90 Hz,带宽为20 Hz。

选定ADG1434芯片作为相敏检波器,ADG1434芯片内置4个独立可选的单刀双掷开关,参考信号仅作为其开关信号,使正交锁相放大器的输出不受参考信号的幅值所影响,提高了系统分辨率。

低通滤波器设计为二阶巴特沃斯低通滤波器,其增益为1,截止频率为3.6 Hz。

2.2.3 电路输入输出动态范围

如图7所示,将TMR2102传感器置于亥姆霍兹线圈中心,感应亥姆霍兹线圈所产生的交变磁场。设定幅值为0～62 μT的90 Hz交变磁场,改变磁场大小测量相应的系统直流输出,实验结果如图8所示,电路输入输出动态范围如表2所示。

表2 电路输入输出动态范围

图7 亥姆霍兹线圈

图8 基于TMR的正交锁相放大器测试结果

实验结果显示,当TMR2102传感器的工作电压为3 V时,系统分辨率为68 nT,且系统直流输出与磁场大小呈线性正相关关系,相关系数高于0.999 7,表明该检测电路能够准确的检测微弱磁场。

3 实验验证

如图9所示,选定3种电导率差值小于0.4×107S/m的铝合金材料为被测金属以验证该系统的正确性。表3为3种铝合金材料的电导率。

表3 3种铝合金材料的电导率 107 S/m

(a)Al2024 T4

实验系统如图10所示,信号发生器CH1端的输出模式为50 Ω输出,产生幅值为2 V,频率为90 Hz的激励电压赋予激励线圈,经计算和测试得出激励电流幅值约为0.038 A,激励磁场幅值约为40 μT。信号发生器的CH2端连接正交锁相放大器的参考信号输入端,产生幅值为1 V、频率为90 Hz的正弦信号。直流电源向TMR2102传感器和正交锁相放大器分别提供3 V、±5 V驱动电源。通过NI数据采集卡和上位机采集并记录正交锁相放大器的直流输出。

图10 实验系统

3.1 铝合金材料型号识别实验

从3种尺寸均为50 mm×50 mm×4 mm的铝合金材料中各取20块样品进行实验。当未放置铝合金材料时,系统直流输出为2.527 9 V。测量放置不同型号铝合金材料时系统直流输出变化ΔV并计算出对应的磁场变化ΔB,各样品对应的ΔV如图11所示,ΔV和ΔB的范围由表4给出。实验结果表明,通过测量系统直流输出可以区分出铝合金材料的型号。

表4 3种铝合金材料的ΔV及对应ΔB

图11 3种铝合金材料型号测试结果

3.2 铝合金材料厚度区分实验

从厚度差为1 mm的铝合金Al6061 T6中各取20块进行实验。测量放置不同厚度铝合金材料时系统直流输出变化ΔV并计算出对应的磁场变化ΔB,各样品对应的ΔV如图12所示,ΔV和ΔB的范围由表5给出。实验结果表明:通过测量系统直流输出可以准确的区分出铝合金材料的厚度。

图12 铝合金Al6061 T6厚度测试结果

4 结束语

本文针对铝合金材料型号和厚度的区分问题,设计了一种基于TMR传感器的涡流检测装置。通过实验进行验证,结果表明:正交锁相放大器的分辨率为10 μV,增加TMR2102传感器后,当其工作电压为3 V时,系统的磁场分辨率达68 nT。测量系统直流输出能区分电导率差值小于0.4×107S/m,厚度差为1 mm的铝合金材料。本设计具有体积小、灵敏度高等特点,为铝合金材料型号和厚度的区分提供了有价值的参考。