漏磁场有两种拾取方法,既可以测量漏磁感应强度的绝对值,也可以测量漏磁感应强度的梯度值。


  磁场传感器的作用是将磁场转换为电信号。按原理可分为体效应元件、面效应元件、P-N节注入和表面复合效应元件、量子效应元件、磁致伸缩效应元件和光纤磁传感器等。磁场传感器都是建立在各种效应和物理现象的基础之上的,表3-1给出了不同种类磁场传感器的测量范围,它们的敏感范围差异较大。在具体应用过程中,需要根据测量对象的特点来选择适合的传感器。


  在不锈钢管漏磁检测中,常使用的有下列几种磁敏传感器。


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1. 各向异性磁阻传感器


  各向异性磁阻传感器 AMR(Anisotropic Magneto-Resistive sensors)由沉积在硅片上的坡莫合金(Ni80Fe20)薄膜形成电阻,沉积时外加磁场,形成易磁化轴方向。易磁化轴方向是指各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向,也就是无外界磁干扰时磁畴整齐排列的方向。铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有关,电流与磁化方向平行时电阻R最大,电流与磁化方向垂直时电阻Rmin最小,电流与磁化方向成0角时,电阻可表示为


  R=Rmin+(Rmax-Rmin)cos2θ   (3-2)


  在磁阻传感器中,为了消除温度等外界因素对输出的影响,一般由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥。理论分析与实践表明,采用45°偏置磁场,当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场,且外磁场强度不太大时,电桥输出与外加磁场强度呈线性关系。


2. 磁通门


  磁通门传感器又称为磁饱和式磁敏传感器,它是利用某些高磁导率的软磁性材料(如坡莫合金)做磁心,以其在交直流磁场作用下的磁饱和特性以及法拉第电磁感应原理研制的磁场测量装置。


  这种磁敏传感器的最大特点是适合测量零磁场附近的弱磁场。传感器体积小,重量轻,功耗低,不受磁场梯度影响,测量的灵敏度可达0.01nT,并且可以和磁秤混合使用。该装置已普遍应用于航空、地面、测井等方面的磁法勘探工作中。在军事上,也可用于寻找地下武器(炮弹、地雷等)和反潜。还可用于预报天然地震及空间磁测等。


3. 巨磁阻元件


  物质在一定磁场作用下电阻发生改变的现象,称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下,物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化,但在某种条件下,电阻变化的幅度相当大,比通常情况下高十余倍,称为巨磁阻效应(GMR)。这种效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同,因而导致电阻值的变化。GMR是一个量子力学效应,它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的,这种结构由铁磁材料和非磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时,载流子与自旋有关的散射最小,材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反向平行时,与自旋有关的散射最强,材料的电阻最大。


  构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀(spin valve)元件。它的基本结构是由钉扎磁性层(如Co)、Cu间隔层和自由磁性层(如NiFe等易磁化层)组成的多层膜。由于钉扎磁性层的磁矩与自由磁性层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR元件的电阻值改变,进而使输出电流发生变化。运用SV-GMR元件的磁传感器,其检测灵敏度比使用MR元件的高几个数量级,更容易集成化,封装尺寸更小,可靠性更高。它不仅可以取代以前的MR传感器,还可以制成传感器阵列,实现智能化,用来表述通行车辆、飞机机翼、建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征,跟踪地磁场的异常现象等。当前,GMR传感器已在液压气缸位置传感、真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用。


4. 霍尔元件


  霍尔元件在漏磁检测中应用较为广泛。霍尔元件是由半导体材料制成的一种晶体。当给晶体材料通以电流并置于磁场之中时,在晶体的两面就会产生电压,电压的大小与磁场强度成正比关系。


  固体导电材料几乎可以使电子畅通无阻地流过,就像传统的台球模型演示的那样,晶体点阵上的离子不会使传导电子发生折射。当电流由晶体的一端输入时,电子或者相互之间发生折射,或者向着晶体的另一端折射。


  根据固体物理理论可知,晶体上的电压Vh为: Vh=RhIBz/b  (3-3)


  式中,1为所使用的电流;Bz为磁场强度在垂直于电流方向上的分量;b为晶体在磁场方向上的厚度;Rh为霍尔系数。


  一般情况下,如果晶体与磁场B之间成一定夹角,则 B2=Beosθ。


  由金属制成的霍尔元件并不是最好的,因为金属的霍尔系数都很低。根据霍尔元件工作原理,霍尔系数越大,霍尔电压也就越高。因此,在制作霍尔元件时,一般选用元素周期表中第II和第IV族元素混合制作,而且其对温度的变化也最不敏感。此区域的元素,载流子一般为空位而不是电子。


5. 感应线圈


  感应线圈是钢管漏磁检测中应用最为广泛的磁敏传感器,主要有水平和垂直线圈两种布置方式,如图3-2所示。根据提离效应和法拉第电磁感应定律,为了使检测信号与缺陷特征之间具有良好的对应关系,感应线圈提离距离以及扫查速度应尽量保持恒定。


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  水平线圈以速度v穿越缺陷上部漏磁场时所产生的感应电动势应为线圈前沿和尾部感应电动势之差。设线圈长度为l、宽度为2w、提离值为h1、匝数为,线圈前沿产生电动势为SueR,线圈尾部产生电动势为eL,线圈产生感应电动势为Δe,根据法拉第电磁感应定律可得


  此外,从图3-3中可以看出,水平线圈输出感应电动势本质为处于同一提离高度的前后导线在同一时刻的电动势差动输出。因此,感应线圈电动势输出与线圈宽度有关,并存在最佳宽度使得线圈输出最大感应电动势。此时,线圈运动至缺陷中间位置,并且前沿产生正向极值电动势而尾部产生反向极值电动势,经过差动后可获取最高感应电动势输出。根据式(3-11),当x=0时,可获得感应线圈位于缺陷中间位置时电动势Δeo与线圈宽度参数w的关系式Δeo(w),即



  同样,设置缺陷宽度2b为0.5mm,深度d为0.75mm以及感应线圈提离高度h1为0.25mm,根据式(3-13)可获得最佳线圈宽度参数wo为0.3253mm。根据线圈最佳宽度参数重新计算感应线圈前沿、尾部以及整体输出感应电动势曲线,如图3-4所示。从图中可以看出,当线圈移动到缺陷正上方时,线圈前沿感应电动势输出极小值而尾部输出极大值,经差动后水平线圈输出电动势达到最大值。检测线圈的最优宽度参数与缺陷尺寸和传感器提离值有关。在实际生产过程中,可根据钢管轧制过程中产生的自然缺陷特征对检测线圈宽度进行优化设计,以达到最佳的检测效果。


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  下面进一步讨论垂直线圈漏磁信号输出特性。


  如图3-5所示,垂直线圈以速度,穿越缺陷上部漏磁场时所产生的电动势输出应为线圈顶部和底部感应电动势之差。设线圈长度为l、匝数为、宽度为2w、中心提离值为,线圈顶部产生电动势为er,线圈底部产生电动势为eB,线圈产生整体感应电动势为Δe,根据法拉第电磁感应定律可得


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  从图3-5中可以看出,eт、eB和e三者波形相似,垂直线圈输出感应电动势本质为上下两根导线在同一时刻的电动势差动输出。在缺陷中心位置,垂直线圈感应电动势输出为零,而在缺陷两端附近感应电动势具有最大输出值。垂直线圈顶部和底部距离越大,整体感应电动势输出越大。因此,在条件允许的情况下,垂直线圈应尽量贴近钢管表面并可通过增大线圈的宽度来提高电动势输出。但在设计线圈宽度时必须考虑背景噪声的影响,垂直线圈宽度越大,线圈包含的背景噪声越多,从而会降低缺陷漏磁信号的信噪比。



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