一種無損探傷裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明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(yīng)部分和相應(yīng)的電路，所述感應(yīng)部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)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(chǎn)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。本發(fā)明的無損探傷裝置通過設(shè)置多個以巨磁電阻元件（磁性隧道結(jié)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁性傳感器領(lǐng)域，尤其是一種采用磁性傳感器的渦流無損探傷裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]無損探傷檢測是利用物質(zhì)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(zhì)以及數(shù)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(yè)生產(chǎn)；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(jié)果受人的主觀影響較大；磁粉探傷法具有顯示直觀的優(yōu)勢，但是不適用于非導(dǎo)磁材料的檢測，其無法探測待測物內(nèi)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(dǎo)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(jié)果受操作程序以及清洗效果的影響；用現(xiàn)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(fù)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(xiàn)有的無損探傷裝置不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的高精度、高靈敏度、使用便利的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提供一種高精度、高靈敏度、高分辨率、動態(tài)范圍寬、滲透深度深、使用便捷的無損探傷裝置。
[0006]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
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(yīng)部分和相應(yīng)的電路，所述感應(yīng)部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)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(chǎn)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數(shù)據(jù)。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]上述傳感單元固定在硬質(zhì)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。
[0010]上述傳感單元的感應(yīng)部分為單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，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(jié)元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
[0011]上述傳感單元的感應(yīng)部分也可以為梯度半橋或梯度全橋結(jié)構(gòu)，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(jié)元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
[0012]以上所述的巨磁電阻元件以及磁性隧道結(jié)元件包含自由層、非磁性層以及釘扎層三個納米級薄膜層。
[0013]本發(fā)明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】
[0014]圖1是條形掃描式無損探傷裝置的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是條形掃描式無損探傷裝置的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3是環(huán)形掃描式無損探傷裝置的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4是陣列式無損探傷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5是巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)示意簡圖。
[0019]圖6是磁電阻元件的輸出曲線示意圖。
[0020]圖7是是半橋式傳感單元的電連接示意圖。
[0021]圖8是半橋式傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0022]圖9是全橋式傳感單元的電連接示意圖。
[0023]圖10是全橋式傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0024]圖11是梯度全橋式傳感單元的磁電阻的物理位置圖。
[0025]圖12是多個傳感單元的感應(yīng)部分的電連接示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
作進一步的描述。
[0027]實施例1:掃描式無損探傷裝置。
[0028]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(zhì)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(jù)所測量的材料設(shè)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(zhì)以及平整度相關(guān)，不同的材質(zhì)具有其標(biāo)準(zhǔn)譜線，若待測物表面平整，而其表面、近表面以及內(nèi)部有缺陷，則會影響渦流場32的分布，從而導(dǎo)致信號的變化，進而達到探傷的目的。
[0029]實施例2:貼附式無損探傷裝置。
[0030]由于在戶外作業(yè)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(shè)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(biāo)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(chǎn)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(dāng)然，貼附式無損探傷設(shè)備也不僅限于使用陣列式，例如只是測量鋼材的結(jié)合處，制成單列條狀貼附在關(guān)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(shù)和陣列密度是根據(jù)需求設(shè)計的。
[0031]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(guān)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(tài)范圍窄且無法測量材料表面下更深處的渦流信號，因此本發(fā)明的傳感單元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(jié)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(qū)域，因此可以設(shè)計為一個大的線圈或者采用多個線圈組成陣列?？刂茊卧?3不僅僅用來數(shù)據(jù)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，比單個傳感單元測量單一部位的磁信號具有更高的精度。
[0032]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(qū)域，也可以設(shè)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(chǎn)生漏磁場，當(dāng)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。
[0033]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(jié)元件。其中電感線圈是通過電磁感應(yīng)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(yīng)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(huán)結(jié)構(gòu)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(yōu)勢的以巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)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(yōu)選擇。
[0034]圖5是巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，巨磁電阻元件(磁性隧道結(jié)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(gòu)成。自由層51由磁性材料構(gòu)成,也可以是鐵磁層-間隔層-鐵磁層的SAF結(jié)構(gòu)，其磁矩61隨外場變化；非磁性層52由非磁性材料構(gòu)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(jié)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(fù)合式結(jié)構(gòu)或SAF層-反鐵磁層結(jié)構(gòu)。頂電極層56和底電極層55由金屬導(dǎo)體材料組成，實際應(yīng)用中可通過頂電極層56和底電極層55將多個元件串聯(lián)或并聯(lián)，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(dǎo)晶格生長的帽子層和種子層。當(dāng)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(dāng)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(xiàn)有的技術(shù)，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(shè)置永磁體,或者是在元件周圍設(shè)置電流線，或者是將元件設(shè)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。
[0035]圖6是巨磁電阻元件(磁性隧道結(jié)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(dāng)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。
[0036]傳感單元包括感應(yīng)部分和相應(yīng)的電路，其感應(yīng)部分可以是單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)。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(lián)和/或并聯(lián)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(jié)構(gòu)含有一個磁電阻，半橋結(jié)構(gòu)由兩個物理性質(zhì)相同的磁電阻串聯(lián)組成，全橋結(jié)構(gòu)由四個物理性質(zhì)相同的磁電阻連接構(gòu)成，使用時都要通入穩(wěn)恒電壓或電流。由于單電阻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)詳細闡述。
[0037]圖7是半橋結(jié)構(gòu)的電連接示意圖。磁電阻71和73串聯(lián)起來，由焊點Vbias和GND之間通入穩(wěn)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(nèi)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)隨外場變化的輸出曲線示意圖如圖8所示。
[0038]圖9是全橋結(jié)構(gòu)的電連接示意圖。磁電阻71和72串聯(lián)，73和74串聯(lián)，串聯(lián)的兩個電阻對再并聯(lián)，由焊點Vbias和GND之間通入穩(wěn)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生電勢差，即輸出電壓，進而測量磁場。全橋結(jié)構(gòu)隨外場變化的輸出曲線示意圖如圖10所示。
[0039]降低磁電阻靈敏度的以構(gòu)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(dǎo)率高的軟磁材料，設(shè)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。
[0040]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(wěn)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(dāng)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。
[0041]圖12是多組傳感單元的感應(yīng)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(lián)，統(tǒng)一由控制單元13提供穩(wěn)恒電壓或穩(wěn)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。
[0042]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(yīng)的電路(圖中未標(biāo)示)處理后再輸出到控制單元13，例如可根據(jù)需求將模擬信號轉(zhuǎn)化為方波或數(shù)字信號。
[0043]應(yīng)當(dāng)理解，以上借助優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明說明書的基礎(chǔ)上可以對各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)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(yīng)部分和相應(yīng)的電路，所述感應(yīng)部分由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)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(chǎn)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。
2.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(zhì)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(jù)權(quán)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(yīng)部分為單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，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(jié)元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
6.根據(jù)權(quán)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(yīng)部分半橋或全橋結(jié)構(gòu)為梯度半橋或梯度全橋結(jié)構(gòu)，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(jié)元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
7.根據(jù)權(quán)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(jié)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】G01N27/90GK103675094SQ201310694636
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】白建民, 王建國, 黎偉 申請人:無錫樂爾科技有限公司