專利名稱：：具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭。技術背景電渦流檢測技術成本低、檢測速度快，是一種檢測導電材料表層及隱藏缺陷的有效方法，在航空航天、核工業、運輸等領域已經被廣泛用于關鍵部件在役檢測及故障診斷。航空航天、核工業等行業對安全性要求極高，為了減少事故發生，必須及時檢測關鍵系統、關鍵零部件的疲勞裂紋，尤其是隱藏在多層導電結構深層的以及位于零部件、鉚釘孔邊緣的疲勞裂紋和腐蝕等。因趨附效應限制，缺陷越深，檢測系統工作頻率越低，導致探頭輸出信號的變化率也越小；缺陷越靠近邊緣和鉚釘孔，邊緣效應對探頭信號影響越大。然而快速準確的識別及定量化檢測多層或者較厚導電結構深層缺陷、導電結構邊緣以及鉚釘孔邊緣缺陷是航空航天、核電等領域的關鍵部件檢測中經常需要解決的問題。因此，電渦流檢測技術在深層缺陷及邊緣缺陷檢測方面的應用仍然是一項挑戰性課題。為了解決深層缺陷和邊緣缺陷檢測的難題，需要研制高靈敏度的電渦流探頭。要檢測深層缺陷，必須降低工作頻率以增加滲透深度；然而常規式電渦流探頭采用線圈作為磁場傳感器，其靈敏度與磁場的變化率成正比，因此降低工作頻率也就降低了線圈式探頭的靈敏度。近幾年，基于巨磁電阻效應(巨磁電阻效應是微弱的磁場變化可以使得某些材料的電阻值發生明顯變化)原理制作的磁場傳感器一巨磁電阻(GiantMagnetoresistance,GMR)，因其靈敏度高、尺寸小，在電渦流無損檢測
技術領域：
日益得到重視。與線圈式電渦流探頭不同的是，巨磁電阻電渦流探頭采用靈敏度很高的巨磁電阻作為磁場傳感器，它直接測量磁場大小，靈敏度與磁場的交變頻率無關，在很寬的頻率范圍(DC-幾MHz)內具有很高的靈敏度，且靈敏度幾乎不變，因此巨磁電阻電渦流探頭特別適用于多層導電結構深層缺陷檢測。要解決多層導電結構深層缺陷和邊緣缺陷檢測的難題，不僅需要高靈敏度的巨磁電阻電渦流探頭，還需要提高巨磁電阻電渦流探頭輸出信號的動態范圍(即探頭調零)。因為多層導電結構以及邊緣本身產生的信號往往很大，足以淹沒缺陷信號。常規的電渦流探頭一般采用雙傳感器以差動連接方式實現探頭調零。這種調零方式方法簡單、有效，從而使得差動調零式探頭得到了廣泛應用。然而，雙傳感器差動式調零方法的主要缺陷是(1)需要參數非常一致的兩個傳感器，對加工制作要求很高；(2)雙傳感器差動式調零探頭在檢測過程中需要參考件，不方便用于檢測大型裝備、零部件和需要小尺寸探頭的場合。
發明內容本發明的目的就是提供一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭。本發明不僅靈敏度高，而且具有自調零功能，可用于航空航天等重要領域的多層導電結構里層和深層缺陷的無損檢測與評估。具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭硬件組成部分及連接關系為激勵線圈與數控移相器、數控幅值調節器、減法器相連接，激勵線圈與相位差測量電路、單片機、調零觸發電路相連接，巨磁電阻與相位差測量電路、單片機相連接，巨磁電阻與幅值測量電路、單片機相連接，巨磁電阻與減法器相連接，單片機與數控移相器、數控幅值調節器相連接。具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭，采用線圈產生激勵磁場，線圈底端固定有巨磁電阻。所述的幅值測量電路為第一乘法器的第1腳接第一乘法器的第8腳，第一乘法器的第2腳接地，第一乘法器的第3腳接負電源-5v，第一乘法器的第4腳與第一電阻的一端、第二電阻的一端相連接，第一乘法器的第5腳與第二電阻的另一端、第三電阻的一端相連接，第一乘法器的第6腳接正電源+5v，第一乘法器的第7腳接地，第一電阻的另一端接地，第三電阻的另一端與第一電容的一端、第四電阻的一端相連接，第四電阻的另一端與第二電容的一端、第一運放的第3腳相連接，第二電容的另一端接地，第一電容的另一端與第一運放的第2腳、第一運放的第6腳相連接。所述的相位差測量電路為第二乘法器的第1腳接巨磁電阻輸出信號，第二乘法器的第2腳接地，第二乘法器的第3腳接負電源-5v，第二乘法器的第4腳與第五電阻的一端、第六電阻的一端相連接，第二乘法器的第5腳與第六電阻的另一端、第七電阻的一端相連接，第二乘法器的第6腳接正電源+5v，第二乘法器的第7腳接地，第二乘法器的第8腳接探頭激勵信號，第五電阻的另一端接地，第七電阻的另一端與第三電容的一端、第八電阻的一端相連接，第八電阻的另一端與第四電容的一端、第二運放的第3腳相連接，第四電容的另一端接地，第三電容的另一端與第二運放的第2腳、第二運放的第6腳相連接，比較器的第2、4、6腳接地，比較器的第3腳接巨磁電阻輸出信號，比較器的第5腳接探頭激勵信號，比較器的第7腳與觸發器的第3腳、第十電阻的一端相連接，比較器的第1腳與第九電阻的一端、觸發器的第5腳相連接，比較器的第8腳與第九電阻的另一端、電源+5v、第十電阻的另一端相連接，觸發器的第4、6腳接地，觸發器的第1腳的輸出信號為相位差超前滯后判斷信號。所述的數控移相器電路為加法器與數控幅值調節器、模擬開關、反相器、模擬開關、數控幅值調節器、加法器相連接，反相器與90度移相器、模擬開關相連接，反相器與90度移相器、模擬開關相連接。所述的數控幅值調節器電路為數字電位器的第1腳懸空，數字電位器的第2腳接地，數字電位器的第3腳接片選信號5，數字電位器的第4腳接單片機SPI總線的SDI信號，數字電位器的第5腳接單片機SPI總線的CLK信號，數字電位器的第6腳接正電源+5v，數字電位器的第7腳與第三運放的第6腳、第十二電阻的一端相連接，數字電位器的第8腳與第三運放的第2腳、第十一電阻的一端相連接，輸入信號Uin接第十一電阻的另一端，第三運放的第3腳接地，第十二電阻的另一端與第四運放的第2腳、第十三電阻的一端相連接，第四運放的第3腳接地，第十三電阻的另一端接第四運放的第6腳。本發明具有的有益效果-1)本發明僅需單個巨磁電阻就可實現探頭調零，避免了兩個巨磁電阻參數不匹配產生的問題，提高了探頭調零精度，進而增大了探頭輸出信號的動態范圍；2)本發明采用巨磁電阻作為檢測元件，提高了探頭的靈敏度和分辨率，尤其適用于低頻(<100Hz)工作范圍；3)本發明在檢測前已經完成了調零工作，因此在檢測過程中不再需要參考件，可方便用于檢測大型裝備和需要小尺寸探頭的場合。4)探頭調零電路與單片機技術、集成電路技術結合，提高了巨磁電阻電渦流探頭的智能化水平。圖1是具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭結構框圖；圖2是本發明的幅值測量電路圖；圖3是本發明的相位差測量電路圖；圖4是本發明的數控移相器電路框圖；圖5是本發明的數控幅值調節器電路圖。具體實施方式如圖1所示，具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭中的激勵線圈與數控移相器、數控幅值調節器、減法器相連接，激勵線圈與相位差測量電路、單片機、調零觸發電路相連接，巨磁電阻與相位差測量電路、單片機相連接，巨磁電阻與幅值測量電路、單片機相連接，巨磁電阻與減法器相連接，單片機與數控移相器、數控幅值調節器相連接。探頭采用線圈產生激勵磁場，線圈底端固定有巨磁電阻。巨磁電阻是基于巨磁電阻效應的磁場測量傳感器。所謂巨磁電阻效應是微弱的磁場變化可以使得某些材料的電阻值發生明顯變化。與線圈不同的是，巨磁電阻直接測量磁場大小，其靈敏度與磁場的交變頻率無關，在很寬的頻率范圍(DC-幾MHz)內具有很高的靈敏度，且靈敏度幾乎不變。目前測量磁場的傳感器有很多。基于超導量子干涉(SQUID)原理的磁場傳感器雖然靈敏度非常高，但是結構復雜、體積龐大且價格昂貴，目前多用于醫療及材料磁性研究領域；線圈式的磁場傳感器制作簡單、成本低，但在靜態或者低頻磁場測量方面性能較差；基于磁通門原理的磁場傳感器具有較高的分辨率和良好的魯棒性，但體積大、價格昂貴、頻率響應差；各向異性磁阻傳感器(AMR)靈敏度比較高，響應快，但AMR磁場傳感器可測量磁場范圍小，抗干擾能力差；霍爾傳感器雖然成本低，應用非常廣泛，但霍爾傳感器的靈敏度比較低、偏移大、溫度穩定性低；而巨磁電阻則不僅靈敏度高、溫度穩定性好，而且成本低，抗干擾能力強，可測量磁場范圍大。不同類型的磁場傳感器性能比較對照表如表1和表2所示。表1不同類型磁場傳感器的比較<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2不同磁場傳感器可探測磁場范圍及市場價格<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>較之傳統的線圈式和HALL等磁場傳感器式探頭，巨磁電阻電渦流探頭具有以下優點(1)巨磁電阻直接檢測磁場強度大小，因而靈敏度不受激勵頻率的影響；(2)巨磁電阻尺寸小，檢測信號畸變也非常小；(3)溫度穩定性好，因此測量結果受溫度影響小，可適應溫度變化大的工作條件；(4)與SQUID、FLUXGATE、AMR、HALL等眾多磁場傳感器相比，巨磁電阻成本低、可測量磁場范圍寬、信噪比高、功耗低。巨磁電阻電渦流探頭的自調零過程如下將巨磁電阻電渦流探頭放置于參考件之上，由調零觸發電路啟動探頭調零過程。由幅值測量電路和相位差測量電路分別測量巨磁電阻輸出信號的幅值、巨磁電阻輸出信號與探頭激勵信號的相位差。測量結果經單片機處理后用于確定移相電路和幅值調節電路的參數。使探頭激勵信號依次經過數控移相器和數控幅值調節器，從而獲得與巨磁電阻輸出信號的幅值和相位完全一致的信號，并作為探頭調零參考信號。巨磁電阻輸出信號與參考信號的差作為探頭的最終輸出信號，且調零過程不需要人工干預，從而實現了巨磁電阻電渦流探頭的自調零。本發明在檢測前已經完成了調零工作，因此在檢測過程中不再需要參考件，可方便用于檢測大型裝備和需要小尺寸探頭的場合。如圖2所示，幅值測量電路為第一乘法器Ui的第1腳接第一乘法器"的第8腳，第一乘法器"的第2腳接地，第一乘法器Q的第3腳接負電源-5v，第一乘法器Q的第4腳與第一電阻Ri的一端、第二電阻R2的一端相連接，第一乘法器Ui的第5腳與第二電阻R2的另一端、第三電阻R3的一端相連接，第一乘法器"的第6腳接正電源+5v，第一乘法器Ui的第7腳接地，第一電阻R,的另一端接地，第三電阻R3的另一端與第一電容d的一端、第四電阻R4的一端相連接，第四電阻R4的另一端與第二電容C2的一端、第一運放U2的第3腳相連接，第二電容C2的另一端接地，第一電容Q的另一端與第一運放U2的第2腳、第一運放U2的第6腳相連接。本發明的幅值測量電路以模擬乘法器AD835和運放U2為核心，如圖2所示。因AD835的兩路輸入信號都來自巨磁電阻輸出信號，因此幅值測量電路輸出與巨磁電阻輸出信號幅值關系如下式所示t/=*|^2cos>+,=^~(1)式中f/為幅值測量電路輸出；r為巨磁電阻輸出信號周期；Z為巨磁電阻輸出信號幅值；"為巨磁電阻輸出信號角頻率；0為巨磁電阻輸出信號相位；r為時間積分變量。(1)式給出了幅值測量電路的輸出f/與巨磁電阻輸出信號幅值X的關系。幅值測量電路采用了鎖相放大技術，從而提高了幅值測量精度。如圖3所示，相位差測量電路為第二乘法器U3的第1腳接巨磁電阻輸出信號，第二乘法器U3的第2腳接地，第二乘法器U3的第3腳接負電源-5v，第二乘法器U3的第4腳與第五電阻R5的一端、第六電阻R6的一端相連接，第二乘法器U3的第5腳與第六電阻R6的另一端、第七電阻R7的一端相連接，第二乘法器U3的第6腳接正電源+5v，第二乘法器U3的第7腳接地，第二乘法器U3的第8腳接探頭激勵信號，第五電阻R5的另一端接地，第七電阻R7的另一端與第三電容C3的一端、第八電阻Rs的一端相連接，第八電阻Rs的另一端與第四電容C4的一端、第二運放U4的第3腳相連接，第四電容C4的另一端接地，第三電容C3的另一端與第二運放U4的第2腳、第二運放U4的第6腳相連接，比較器Us的第2、4、6腳接地，比較器U5的第3腳接巨磁電阻輸出信號，比較器U5的第5腳接探頭激勵信號，比較器U5的第7腳與觸發器U6的第3腳、第十電阻Rk)的一端相連接，比較器U5的第1腳與第九電阻R9的一端、觸發器U6的第5腳相連接，比較器U5的第8腳與第九電阻R9的另一端、電源+5v、第十電阻Ru)的另一端相連接，觸發器U6的第4、6腳接地，觸發器U6的第1腳的輸出信號為相位差超前滯后判斷信號。本發明的相位差測量電路也是以模擬乘法器AD835和運放U4為核心。但與幅值測量電路不同，相位差測量電路的兩路輸入信號分別為巨磁電阻輸出信號和探頭激勵信號。因此，相位差測量電路輸出和巨磁電阻輸出信號與探頭激勵信號的相位差關系如下式表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(2)式中t/為相位差測量電路輸出；r為信號周期；X為巨磁電阻輸出信號幅值;^為信號角頻率；^為巨磁電阻輸出信號相位；S為探頭激勵信號幅值；f為時間積分變量。(2)式給出了相位差測量電路輸出C/與巨磁電阻輸出信號幅值^、激勵信號幅值5以及巨磁電阻輸出信號與激勵信號相位差^的關系。巨磁電阻輸出信號幅值已由探頭幅值測量電路測得，而探頭激勵信號幅值是已知量，所以由表達式(2)可以求得巨磁電阻輸出信號與探頭激勵信號的相位差。相位差測量電路采用了鎖相放大技術，提高了相位差測量精度。為了判斷巨磁電阻輸出信號的相位是超前還是滯后于探頭激勵信號，相位差測量電路中包含了相位超前滯后判斷電路。由比較器LM393將巨磁電阻輸出信號、探頭激勵信號轉換為方波。與巨磁電阻輸出信號對應的方波信號和D觸發器MC14013的第5腳數據輸入端連接；與探頭激勵信號對應的方波信號作為D觸發器MC14013的時鐘信號。為了保證D觸發器MC14013的復位端和置位端不影響輸出，兩者均接地。因此，根據MC14013真值表可得，若巨磁電阻輸出信號的相位超前，則MC14013的輸出端(第l腳)為l;反之，則MC14013的輸出端(第1腳)為0。單片機讀取MC14013的輸出端(第1腳)信號，并由此判斷巨磁電阻輸出信號是超前于探頭激勵信號還是滯后于探頭激勵信號。測得巨磁電阻輸出信號幅值和巨磁電阻輸出信號與探頭激勵信號的相位差后，通過對激勵信號進行移相和幅值調整，產生探頭調零參考信號。如圖4所示，數控移相器電路為加法器與數控幅值調節器、模擬開關、反相器、模擬開關、數控幅值調節器、加法器相連接，反相器與卯度移相器、模擬開關相連接，反相器與卯度移相器、模擬開關相連接。本發明的移相電路采用矢量合成法實現。矢量合成法移相原理如下Ccos一+6>)=4cos(紐)+5sin(紐)(3)式中^、5、C分別為信號幅值，w為信號角頻率，,為時間，0為相位。根據三角函數兩角和公式，可知C-VZ7F，tane=2。根據矢量合成法移相原理，由卯'移相器及反相器分別獲得與探頭激勵信號相差90。、180。、270。的信號，從而實現探頭激勵信號在0—36(T范圍內移相。為了簡化矢量合成中的加法器，根據巨磁電阻輸出信號與探頭激勵信號相位差，通過單片機控制兩個模擬開關，一個在探頭激勵信號和與探頭激勵信號相差90'的兩路信號中選擇一路，另一個在探頭激勵信號的反相信號和與探頭激勵信號相差270'的兩路信號中選擇一路。這兩路信號分別通過兩路數控幅值調節器進行幅值調整，最后由加法器獲得與巨磁電阻輸出信號同相位的信號。如圖5所示，數控幅值調節器電路為數字電位器U7的第1腳懸空，數字電位器U7的第2腳接地，數字電位器U7的第3腳接片選信號&，數字電位器117的第4腳接單片機SPI總線的SDI信號，數字電位器117的第5腳接單片機SPI總線的CLK信號，數字電位器117的第6腳接正電源+5v，數字電位器U7的第7腳與第三運放U8的第6腳、第十二電阻R12的一端相連接，數字電位器U7的第8腳與第三運放U8的第2腳、第十一電阻Rn的一端相連接，輸入信號Uin接第十一電阻Rn的另一端，第三運放U8的第3腳接地，第十二電阻Ru的另一端與第四運放U9的第2腳、第十三電阻Ru的一端相連接，第四運放119的第3腳接地，第十三電阻R13的另一端接第四運放U9的第6腳。為了實現探頭輸出調零，還需要對移相后的信號進行幅值調整。本發明裝置的數控幅值調節器采用了高精度的數字電位器AD8400。單片機采用SPI總線方式控制AD8400，結合運放Us和運放U9實現了放大(衰減)倍數的自動控制，從而獲得與巨磁電阻輸出信號幅值、相位完全一致的調零參考信號。將巨磁電阻輸出信號與參考信號的差作為探頭輸出信號，從而實現電渦流探頭的調零。因調零過程無需人工干預，是自動實施的，所以本發明的巨磁電阻電渦流探頭具有自調零功能。權利要求1、一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭，其特征在于，激勵線圈與數控移相器、數控幅值調節器、減法器相連接，激勵線圈與相位差測量電路、單片機、調零觸發電路相連接，巨磁電阻與相位差測量電路、單片機相連接，巨磁電阻與幅值測量電路、單片機相連接，巨磁電阻與減法器相連接，單片機與數控移相器、數控幅值調節器相連接。2、一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭，其特征在于，探頭采用線圈產生激勵磁場，線圈底端固定有巨磁電阻。3、根據權利要求l所述的一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭，其特征在于，所述的幅值測量電路為第一乘法器(U,)的第1腳接第一乘法器(U,)的第8腳，第一乘法器(UO的第2腳接地，第一乘法器(UO的第3腳接負電源-5v，第一乘法器(UD的第4腳與第一電阻(RJ的一端、第二電阻(R2)的一端相連接，第一乘法器(UO的第5腳與第二電阻(R2)的另一端、第三電阻(R3)的一端相連接，第一乘法器(U,)的第6腳接正電源+5v，第一乘法器(U,)的第7腳接地，第一電阻(R,)的另一端接地，第三電阻(R3)的另一端與第一電容(C,)的一端、第四電阻(R4)的一端相連接，第四電阻(R4)的另一端與第二電容(C2)的一端、第一運放(U2)的第3腳相連接，第二電容(C2)的另一端接地，第一電容(d)的另一端與第一運放(U2)的第2腳、第一運放(U2)的第6腳相連接。4、根據權利要求l所述的一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭，其特征在于，所述的相位差測量電路為第二乘法器(U3)的第1腳接巨磁電阻輸出信號，第二乘法器(U3)的第2腳接地，第二乘法器(U3)的第3腳接負電源-5v，第二乘法器(U3)的第4腳與第五電阻(Rs)的一端、第六電阻(&)的一端相連接，第二乘法器(U3)的第5腳與第六電阻(R6)的另一端、第七電阻(R7)的一端相連接，第二乘法器(U3)的第6腳接正電源+5v，第二乘法器(U3)的第7腳接地，第二乘法器(U3)的第8腳接探頭激勵信號，第五電阻(Rs)的另一端接地，第七電阻(R》的另一端與第三電容(C3)的一端、第八電阻(Rs)的一端相連接，第八電阻(Rs)的另一端與第四電容(C4)的一端、第二運放(U4)的第3腳相連接，第四電容(C"的另一端接地，第三電容(C3)的另一端與第二運放(U4)的第2腳、第二運放(U4)的第6腳相連接，比較器(Us)的第2、4、6腳接地，比較器(U5)的第3腳接巨磁電阻輸出信號，比較器(U5)的第5腳接探頭激勵信號，比較器(U5)的第7腳與觸發器016)的第3腳、第十電阻(Ri。)的一端相連接，比較器(Us)的第1腳與第九電阻(R9)的一端、觸發器(U6)的第5腳相連接，比較器(U5)的第8腳與第九電阻(R9)的另一端、電源+5v、第十電阻(Ru))的另一端相連接，觸發器(U6)的第4、6腳接地，觸發器(U6)的第1腳的輸出信號為相位差超前滯后判斷信號。5、根據權利要求l所述的一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭，其特征在于，所述的數控移相器電路為加法器與數控幅值調節器、模擬開關、反相器、模擬開關、數控幅值調節器、加法器相連接，反相器與卯度移相器、模擬開關相連接，反相器與90度移相器、模擬開關相連接。6、根據權利要求l所述的一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭，其特征在于，所述的數控幅值調節器電路為數字電位器(U7)的第1腳懸空，數字電位器(U7)的第2腳接地，數字電位器(U7)的第3腳接片選信號C^，數字電位器(U7)的第4腳接單片機SPI總線的SDI信號，數字電位器(U7)的第5腳接單片機SPI總線的CLK信號，數字電位器(U7)的第6腳接正電源+5v，數字電位器(U7)的第7腳與第三運放(Us)的第6腳、第十二電阻(Ro)的一端相連接，數字電位器(U7)的第8腳與第三運放(Us)的第2腳、第十一電阻(Ru)的一端相連接，輸入信號Uin接第十一電阻(Ru)的另一端，第三運放(U8)的第3腳接地，第十二電阻(Ru)的另一端與第四運放(U9)的第2腳、第十三電阻(RH)的一端相連接，第四運放(U9)的第3腳接地，第十三電阻(Ri3)的另一端接第四運放(U9)的第6腳。全文摘要本發明公開了一種具有自調零功能的巨磁電阻電渦流探頭。激勵線圈與數控移相器、數控幅值調節器、減法器相連接，激勵線圈與相位差測量電路、單片機、調零觸發電路相連接，巨磁電阻與相位差測量電路、單片機相連接，巨磁電阻與幅值測量電路、單片機相連接，巨磁電阻與減法器相連接，單片機與數控移相器、數控幅值調節器相連接。本發明采用巨磁電阻作為檢測元件，且采用單個巨磁電阻就能實現自調零，提高了探頭的靈敏度和調零精度。本發明可用于航空航天等重要領域的多層導電結構里層和深層缺陷的無損檢測與評估。文檔編號G01N27/90GK101210905SQ200710164610公開日2008年7月2日申請日期2007年12月21日優先權日2007年12月21日發明者候迪波,波葉,周澤魁,張光新,范孟豹,賀光琳,陳佩華,高揚華,黃平捷,翔龔申請人:浙江大學