一種無損探傷裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公布了一種無損探傷裝置，其特征在于：其包括多個磁場敏感方向相同的傳感單元、勵磁以及控制單元；所述多個傳感單元分別包括感應部分和相應的電路，所述感應部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結元件組成，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。本實用新型的無損探傷裝置通過設置多個以巨磁電阻元件（磁性隧道結元件）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，通過處理得到一個高分辨率的待測物的磁信號組，從而達到高精度無損探傷的目的。
【專利說明】一種無損探傷裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及磁性傳感器領域，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】
[0002]無損探傷檢測是利用物質的聲、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、性質以及數量等信息。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，但是檢查時間長，成本非常高且需要建造一個專門的曝光室，占用體積很大，不適用于工業生產；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，檢測結果受人的主觀影響較大；磁粉探傷法具有顯示直觀的優勢，但是不適用于非導磁材料的檢測，其無法探測待測物內部的缺陷，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，而且清洗著色時容易造成污染，其測量結果受操作程序以及清洗效果的影響；用現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，現有的無損探傷裝置不能滿足現代工業的高精度、高靈敏度、使用便利的要求。
實用新型內容
[0005]本實用新型目的在于針對現有技術的缺陷提供一種高精度、高靈敏度、高分辨率、動態范圍寬、滲透深度深、使用便捷的無損探傷裝置。
[0006]本實用新型為實現上述目的，采用如下技術方案:
[0007]一種無損探傷裝置，其特征在于:其包括多個傳感單元、勵磁以及控制單元；
[0008]所述多個傳感單元分別包括感應部分和相應的電路，所述感應部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結元件組成，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據。
[0011]其進一步特征在于:所述電磁鐵提供的激勵磁場為方波脈沖。
[0012]所述多個傳感單元排成一列或組成陣列，每個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部分為單電阻、半橋或全橋結構，所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個或多個巨磁電阻元件或磁性隧道結元件并聯和/或串聯組成。[0015]上述傳感單元的感應部分也可以為梯度半橋或梯度全橋結構，所述梯度半橋或梯度全橋的橋臂由一個或多個巨磁電阻元件或磁性隧道結元件并聯和/或串聯組成。
[0016]以上所述的巨磁電阻元件以及磁性隧道結元件包含自由層、非磁性層以及釘扎層三個納米級薄膜層。
[0017]本實用新型無損探傷裝置通過多個傳感單元檢測待測物的渦流場或漏磁場分布，通過處理得到一個高分辨率的待測物的磁信號組，從而達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構示意圖。
[0019]圖2是條形掃描式無損探傷裝置的側視結構示意圖。
[0020]圖3是環形掃描式無損探傷裝置的截面結構示意圖。
[0021]圖4是陣列式無損探傷裝置的結構示意圖。
[0022]圖5是巨磁電阻元件和磁性隧道結元件的結構示意簡圖。
[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是多個傳感單元的感應部分的電連接示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖及實施例對本實用新型的實用新型內容作進一步的描述。
[0031]實施例1:掃描式無損探傷裝置。
[0032]如圖1所示，本實施例包括多個傳感單元(I la、I lb、I Ic......1 In)、勵磁12以及控
制單元13。多個傳感單元位于硬質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，或者根據所測量的材料設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，每個傳感單元的磁場敏感方向I相同。使用時，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，同時待測物21產生電渦流，而在電渦流附近則形成渦流場32，每個傳感單元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，因此在后期處理數據的時候需要將脈沖場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以及平整度相關，不同的材質具有其標準譜線，若待測物表面平整，而其表面、近表面以及內部有缺陷，則會影響渦流場32的分布，從而導致信號的變化，進而達到探傷的目的。
[0033]實施例2:貼附式無損探傷裝置。
[0034]由于在戶外作業時，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計。如圖4所示,本實施例包括多個傳感單元(lla、llb、llc......lln)、勵磁12以及控制單元13 (圖中未標示出)。多個傳感單元位于軟性材料上固定，使用的時候貼附在待測物上，勵磁12對待測物施以磁場脈沖，同時待測物產生電渦流，而在電渦流附近則形成渦流場32，每個傳感單元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。其測量機理與實施例1相同，在此不再贅述。當然，貼附式無損探傷設備也不僅限于使用陣列式，例如只是測量鋼材的結合處，制成單列條狀貼附在關鍵部位測量也是可行的。實施例1和實施例2中傳感單元的個數和陣列密度是根據需求設計的。
[0035]勵磁12的脈沖場31為方波，由于方波可以傅里葉展開，可以認為是全頻段的，脈沖場31的滲透深度和其頻率相關且成反比，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的測量區域，因此可以設計為一個大的線圈或者采用多個線圈組成陣列。控制單元13不僅僅用來數據處理，同時也是勵磁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面的渦流場信號組，t匕單個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盡可能覆蓋于多個傳感單元11的測量區域，也可以設計為一個大的永磁體或多個永磁體的陣列，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，就會產生漏磁場，當無損探傷裝置掃描或貼附在待測物上時，會檢測到漏磁場信號，從而達到探傷的目的。
[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元件。其中電感線圈是通過電磁感應測量磁場，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結構增加其靈敏度，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、溫度特性高等優勢的以巨磁電阻元件和磁性隧道結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選擇。
[0038]圖5是巨磁電阻元件和磁性隧道結元件的結構示意圖。如圖所示，巨磁電阻元件(磁性隧道結元件)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構成。自由層51由磁性材料構成,也可以是鐵磁層-間隔層-鐵磁層的SAF結構，其磁矩61隨外場變化；非磁性層52由非磁性材料構成，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-反鐵磁層復合式結構或SAF層-反鐵磁層結構。頂電極層56和底電極層55由金屬導體材料組成，實際應用中可通過頂電極層56和底電極層55將多個元件串聯或并聯，或串并混合連接為一個等效電阻來使用，同時頂電極層56和底電極層55還包含引導晶格生長的帽子層和種子層。當自由層磁矩61和釘扎層磁矩63平行時，元件的阻值R最小，為當自由層磁矩61和釘扎層磁矩63反平行時，元件的阻值R最大，為Rh。通過現有的技術，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,或是在元件周圍設置永磁體,或者是在元件周圍設置電流線，或者是將元件設計為狹長的形狀，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到線性化的目的。
[0039]圖6是巨磁電阻元件(磁性隧道結元件)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，當施加的外場沿其敏感方向的場強的絕對值大于其飽和場的絕對值時，其阻值不變。
[0040]傳感單元包括感應部分和相應的電路，其感應部分可以是單電阻、半橋或全橋結構。所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個或多個相同的磁性傳感元件串聯和/或并聯組成，每個橋臂我們可以等價于一個磁電阻，每個橋臂中的磁性傳感元件的磁場敏感方向都相同。前述的單電阻結構含有一個磁電阻，半橋結構由兩個物理性質相同的磁電阻串聯組成，全橋結構由四個物理性質相同的磁電阻連接構成，使用時都要通入穩恒電壓或電流。由于單電阻結構只含有一個等效磁電阻，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構詳細闡述。
[0041]圖7是半橋結構的電連接示意圖。磁電阻71和73串聯起來，由焊點Vbias和GND之間通入穩恒電壓或電流。半橋可以是參考半橋、推挽半橋或梯度半橋。參考半橋的一個橋臂(磁電阻)73的靈敏度非常低，在測量范圍內的阻值變化可近似認為是零，另一個橋臂(磁電阻)71的阻值變化導致其兩端輸出電壓Vott變化，從而以此測量出磁場；推挽半橋則是兩個橋臂71、73的磁場敏感方向相反，在受到同一個外場作用下一個阻值增大，一個阻值減小，從而導致輸出電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不同，導致兩個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的變化進而測量出磁場。半橋結構隨外場變化的輸出曲線示意圖如圖8所示。
[0042]圖9是全橋結構的電連接示意圖。磁電阻71和72串聯，73和74串聯，串聯的兩個電阻對再并聯，由焊點Vbias和GND之間通入穩恒電壓或電流。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橋臂71和74的靈敏度非常低，在測量范圍內的阻值變化可近似認為是零，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-之間產生電勢差，即輸出電壓，進而測量磁場。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72和73的阻值減小(或者71和74阻值減小的同時72和73阻值增大)，從而輸出端V+和V-之間產生電勢差，即輸出電壓，進而測量磁場。全橋結構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率高的軟磁材料，設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。當外場32施加于四個磁電阻上時，由于該磁場是梯度場，沿著梯度場方向的場強大小不同，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部分的電連接示意圖。多個磁電阻組成的多個梯度全橋并聯，統一由控制單元13提供穩恒電壓或穩恒電流，多組輸出信號傳遞至控制單元13進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也可以通過相應的電路(圖中未標示)處理后再輸出到控制單元13，例如可根據需求將模擬信號轉化為方波或數字信號。
[0047]應當理解，以上借助優選實施例對本實用新型的技術方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領域的普通技術人員在閱讀本實用新型說明書的基礎上可以對各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種無損探傷裝置，其特征在于:其包括多個傳感單元、勵磁以及控制單元； 所述多個傳感單元分別包括感應部分和相應的電路，所述感應部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結元件組成，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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述多個傳感單元排成一列或組成陣列，每個傳感單元的磁場敏感方向相同。
4.根據權利要求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.根據權利要求1-4任一項所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述傳感單元的感應部分為單電阻、半橋或全橋結構，所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個或多個巨磁電阻元件或磁性隧道結元件并聯和/或串聯組成。
6.根據權利要求1-4任一項所述的無損探傷裝置，其特征在于:所述傳感單元的感應部分半橋或全橋結構為梯度半橋或梯度全橋結構，所述梯度半橋或梯度全橋的橋臂由一個或多個巨磁電阻元件或磁性隧道結元件并聯和/或串聯組成。
7.根據權利要求1-4任一項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元件包含自由層、非磁性層以及釘扎層三個納米級薄膜層。
【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 優先權日:2013年12月16日
【發明者】白建民, 王建國, 黎偉 申請人:無錫樂爾科技有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
