一種基于tmr磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭及其檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭及其檢測方法，屬于電磁檢測裝置領域。本發明包括矩形雙層印刷電路板、平面直角螺旋線圈Ⅰ、平面直角螺旋線圈Ⅱ、平面直角螺旋線圈Ⅲ、平面直角螺旋線圈Ⅳ、TMR磁場傳感器組Ⅰ、TMR磁場傳感器組Ⅱ、TMR磁場傳感器組Ⅲ、TMR磁場傳感器組Ⅳ、一維線形傳感器陣列、跳線Ⅰ、跳線Ⅱ、跳線Ⅲ。本發明解決了常規線圈式探頭在檢測深層缺陷時靈敏度與空間分辨率無法兼得的問題；本發明通過使用邏輯開關電路實現不同的檢測方式，可以達到多種檢測目的；克服了常規線圈式探頭對缺陷方向的依賴性；大大提高了檢測效率；克服了常規線圈式探頭對缺陷方向的依賴性；探頭樣式簡潔且方便組裝。
【專利說明】—種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭及其檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭及其檢測方法，屬于電磁檢測裝置領域。
【背景技術】
[0002]電渦流檢測是建立在電磁感應原理基礎上的一種常規無損檢測方法。電渦流檢測的原理是:當導體處于變化的磁場中或相對于磁場運動時，導體內部會產生感應電流，電流的流通路徑往往猶如水中的漩渦，因此稱為渦電流或者電渦流，簡稱渦流。渦流的大小、相位及分布受試件的影響，反作用于線圈，使檢測線圈阻抗發生變化，通過測定檢測線圈阻抗變化，就可以獲得被測試件的內部結構、材質分布、是否存在缺陷以及試件與線圈的耦合情況等信息。若保持系統的若干參數不變，就可以對另外一些參數做出評估。常規渦流檢測一般使用線圈式檢測探頭，線圈式探頭適合檢測導體材料中深度較淺、尺寸較大的缺陷，缺點是低頻性能較差，降低激勵頻率會導致探頭靈敏度大幅減弱，這意味著線圈式探頭不適合檢測深層微小缺陷。另外，在常規渦流檢測中，線圈式探頭一般在沿著能明顯切斷渦流流通路徑的方向上掃描時才可以有效檢出缺陷，而且通常只使用單個探頭進行檢測，這些因素都不同程度地制約了渦流檢測系統效率的提高。
[0003]本發明選用最新一代磁場傳感器-隧穿磁阻(Tunneling Magnetoresistance,
TMR)傳感器作為檢測探頭陣列單元。TMR磁場傳感器與巨磁電阻(Giant MagnetoResistance, GMR)傳感器相比，在更微弱的磁場下就能獲得顯著的電阻改變，可以利用其研制和開發更多適用于各種場合的高性能新式探頭。
【發明內容】
[0004]針對上述現有技術，為解決探頭不適合檢測深層微小缺陷、傳統的單一渦流檢測探頭檢測效率較低、常規線圈式探頭在檢測深層缺陷時靈敏度與空間分辨率無法兼得、常規線圈式探頭對缺陷方向的依賴性的問題，本發明提供了一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭及其檢測方法。
[0005]本發明的技術方案是:一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，包括矩形雙層印刷電路板1、平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈1114、平面直角螺旋線圈IV 5、TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組III 8、TMR磁場傳感器組IV 9、一維線形傳感器陣列10、跳線I 11、跳線II 12、跳線III 13 ；
所述矩形雙層印刷電路板1為檢測探頭的基底，利用其上、下兩層的外表面和兩層間的接合面布置檢測探頭的部件；
所述矩形雙層印刷電路板1上層外表面:使用印刷電路板制作工藝，按照四象限的分布形式將平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈IV 5等間隔地印刷在矩形雙層印刷電路板1上層外表面；其中，平面直角螺旋線圈每匝導線線寬相等，相鄰平面直角螺旋線圈間距相同，相鄰兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相反，對角兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相同，4個平面直角螺旋線圈的內外端點各有一個焊點，分別為a、b, c、d, e、f, g、h,并引出抽頭；
所述矩形雙層印刷電路板1下層外表面:矩形雙層印刷電路板1下層外表面在對應基底上層外表面4個平面直角螺旋線圈各自中心位置分別放置TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組III 8、TMR磁場傳感器組IV 9 ;其中，每組TMR磁場傳感器包含3枚兩兩相互垂直且感應軸方向與激勵磁場方向垂直的TMR磁場傳感器，共需12枚TMR磁場傳感器；在中心軸上放置一組5枚TMR磁場傳感器組成的一維線形傳感器陣列10 ；其中，5枚TMR磁場傳感器間距相等，感應軸方向相同且垂直于線圈對稱軸，幾何中心成一條直線且與線圈對稱軸重合，中間一枚位于基底幾何中心；
所述矩形雙層印刷電路板1兩層接合面上層:設置跳線I 11、跳線II 12、跳線III13，分別連接焊點a和h、d和e、g和f ;
每個平面直角螺旋線圈的內外端點處的焊點，分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關電路，再與激勵信號源相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應的4組TMR磁場傳感器組輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；檢測探頭各部件的連接線全部集成在矩形雙層印刷電路板1上；TMR磁場傳感器電源引腳Vcc與3V穩壓直流電源相連，接地引腳GND與檢測系統公共接地端相連。
[0006]所述信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數據采集卡三部分，三者依次連接，數據采集卡的輸出端與上位機連接，激勵信號源、邏輯開關電路、數據采集卡、上位機分別與控制器相連。
[0007]一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭的檢測方法，
根據被測對象的實際情況和檢測要求確定檢測方式分別為單象限循環單傳感器組方式、四象限全時四傳感器組方式、四象限全時線形陣列方式:
如果為單象限循環單傳感器組方式:按照平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈
II3、平面直角螺旋線圈III4、平面直角螺旋線圈IV 5的循環順序，控制激勵信號源給相應的平面直角螺旋線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對被測對象進行掃描且渦流檢測探頭中的對應被激勵線圈中心位置的一組TMR磁場傳感器對擾動磁場的幅值進行測量后輸出對應TMR磁場傳感器組的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，得到被測對象缺陷的相關參數，實現缺陷的定量化評估。這種方式能對以檢測探頭為中心區域內的缺陷進行精細檢測準確給出缺陷的相關參數，以便對被測對象進行定量化評估，同時可根據需要實時改變加載的激勵信號的平面直角螺旋線圈，對相應區域進行重點檢測，使用方便靈活。
[0008]如果為四象限全時四傳感器組方式:3條跳線I 11、跳線III 13、跳線II 12連接平面直角螺旋線圈的內外端點a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈IV 5、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈II 3的順序連接相鄰兩個平面直角螺旋線圈中前一個線圈的內端點與后一個線圈的外端點，不連接平面直角螺旋線圈I 2的外端點b和平面直角螺旋線圈II 3的內端點c，于是4個平面直角螺旋線圈由3條跳線首尾連接構成統一的激勵線圈，控制激勵信號源在b和C兩點給激勵線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對被測對象進行掃描且渦流檢測探頭中的四組TMR磁場傳感器同時對擾動磁場的幅值進行測量后輸出四組TMR磁場傳感器的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，得到被測對象缺陷的相關參數。這種檢測方式可同時對4個線圈對應的范圍進行全面檢測，相對位置分布較合適的4組TMR磁場傳感器可以對擾動磁場進行全面地測量，因此適合應用于對試件進行快速大面積掃查，并給出缺陷范圍和相關參數；在高頻激勵下可以較準確的得到被測材料表面的平整度和檢測探頭提離等信息，抑制了被測對象形狀不規則或內部物理特性變化不均勻引起的信號差異，適合對焊接區進行檢測。
[0009]如果為四象限全時線形陣列方式:3條跳線I 11、跳線III 13、跳線II 12連接平面直角螺旋線圈的內外端點a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈IV 5、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈II 3的順序連接相鄰兩個平面直角螺旋線圈中前一個線圈的內端點與后一個線圈的外端點，不連接平面直角螺旋線圈I 2的外端點b和平面直角螺旋線圈II 3的內端點c，于是4個平面直角螺旋線圈由3條跳線首尾連接構成統一的激勵線圈，控制激勵信號源在b和c兩點給激勵線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對被測對象進行掃描且渦流檢測探頭中的一維線形傳感器陣列5枚TMR磁場傳感器同時對擾動磁場的幅值進行測量后輸出一維線形傳感器陣列5枚TMR磁場傳感器的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，得到被測對象缺陷的相關參數。這種檢測方式適合對較大范圍進行快速掃描，例如對大面積板狀或大直徑管狀的被測材料如板材、機翼等進行快速檢測。
[0010]其中，擾動磁場為激勵線圈產生的初級磁場和被測對象中的渦流產生的次級磁場合成的磁場。
[0011]當3條跳線將焊點a和h、d和e、g和f斷開后，則可分別對任何一個平面直角螺旋線圈加載激勵型號，此時相當于探頭包含4個激勵線圈；當3條跳線將焊點3和1!、(1和6、g和f連接后，4個平面直角螺旋線圈可構成一個統一激勵線圈。所謂統一激勵線圈，就是當激勵線圈通入交變激勵信號時，激勵線圈可產生統一的時變磁場。當激勵信號源在b和c兩焊點給激勵線圈加載激勵信號時，激勵信號流經全部4個平面直角螺旋線圈，產生一個統一的時變激勵磁場。
[0012]本發明的工作原理是:
選用多維科技生產的MMLH45F型TMR磁場傳感器作為陣列探頭檢測單元，其芯片引腳如圖8所示，使用3V穩壓直流電源供電，單片MMLH45F的尺寸為6mmX 5mmX 1.7mm,采用S0P8封裝形式；MMLH45F型TMR磁場傳感器中封裝了 4枚非屏蔽磁敏感元件，構成推挽式惠斯通電橋，當外加磁場沿平行于磁敏感元件方向變化時，惠斯通電橋有差分電壓輸出。
[0013]實際使用本發明渦流檢測探頭進行缺陷檢測之前，按照如圖7所示連接方法將本發明與相關渦流檢測系統進行連接。渦流檢測探頭通過邏輯開關電路與激勵信號源和信號采集裝置進行連接，具體連接方法是:4個平面直角螺旋線圈的8個焊點a?h分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關電路，然后將邏輯開關電路與激勵信號源輸出端相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應的4組TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，然后將邏輯開關電路與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，然后將邏輯開關電路與信號采集裝置的低通濾波器相連。渦流檢測探頭與3V穩壓直流電源輸出端直接相連，即將3V穩壓直流電源輸出端直接連接到TMR磁場傳感器的電源引腳Vcc。TMR磁場傳感器的接地引腳GND與渦流檢測系統的公共接地端連接。激勵信號源通過邏輯開關電路連接渦流檢測探頭的平面直角螺旋線圈，后者加載激勵信號產生空間激勵磁場。信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數據采集卡三部分，三者依次連接，數據采集卡的輸出端與上位機連接，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器輸出信號并輸送給上位機，上位機對采集到的輸出信號進行分析得到檢測結果。控制器分別與激勵信號源、邏輯開關電路、數據采集卡、上位機相連，控制、協調檢測系統中各個部分的運行與通訊。
[0014]使用一定占空比的脈沖方波作為激勵信號，可以使用數字頻率合成(DDS)電路作為脈沖激勵信號源；脈沖渦流檢測技術可對被測試件大面積不同深度缺陷進行掃描檢測，操作簡單，可以大大提高檢測速度和效率。為實現不同的“激勵一檢測”方式，邏輯開關電路在控制器控制下導通或斷開某些支路，給相應的平面直角螺旋線圈加載激勵信號、采集加載激勵信號的平面直角螺旋線圈對應的TMR磁場傳感器輸出信號。默認情況下，邏輯開關電路均為斷開狀態，需要產生特定的激勵磁場時對應的平面直角螺旋線圈才會被選中并通入激勵信號，不參與測量磁場的TMR磁場傳感器不會將輸出信號傳輸給信號采集裝置。邏輯開關電路使用高速模擬開關芯片ADG1414搭建，ADG1414是一組獨立八通道單刀單擲(SPST)開關，通過一個三線式串行接口進行控制，能夠以最高50MHz的時鐘速率工作，與DSP接口標準兼容。數據以8位形式寫入ADG1414，每一位對應一個通道，利用移位寄存器的輸出，可以將若干ADG1414以菊花鏈形式相連擴展。
[0015]由于輸出信號幅值較弱且含有噪聲，通常先將輸出信號經低通濾波和信號放大處理后再由數據采集卡進行采集，所以信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器和數據采集卡三部分。數據采集卡可以使用NI的PCIe-6343型數據采集卡，它提供32路模擬量輸入和4路模擬量輸出，使用PCI Express總線與PC上位機交換數據。數據采集卡將采集到的輸出信號經過A/D轉換后輸送給上位機，上位機對輸出信號進行分析，得到檢測結果。其中，低通濾波器使用MAX275有源濾波器芯片搭建；功率放大器采用甲乙類推挽放大電路；上位機對信號采集裝置采集的TMR磁場傳感器信號進行分析處理，得到檢測結果并由顯示器顯示。可以使用Labview軟件編寫的渦流檢測程序，先通過對TMR磁場傳感器的信號進行處理和計算得到渦流信號的幅值、相位等信息，再由渦流檢測程序進一步分析渦流信號得到被測對象中缺陷的相關參數等信息。
[0016]控制器用于控制、協調檢測系統中各個部分的運行與通訊，可以使用單片機或FPGA。具體作用包括:控制激勵信號源產生脈沖激勵信號；控制通斷邏輯開關電路及其通斷頻率；選擇對應加載脈沖激勵信號的平面直角螺旋線圈的焊點(抽頭)；控制數據采集卡采集對應TMR芯片的輸出信號；控制數據采集卡的采樣率。
[0017]本發明的有益效果是:
1、本發明選用最新一代磁場傳感器TMR作為檢測探頭陣列單元，與前幾代磁場傳感器相比，TMR具有更寬的線性范圍、更低的功耗和更好的溫度穩定性。TMR磁場傳感器的電阻變化率最大可達200%以上，保證了使用TMR磁場傳感器的檢測探頭具有非常高的靈敏度和空間分辨率。
[0018]2、本發明使用TMR磁場傳感器代替常規線圈式探頭，具有較好的低頻性能，在低頻激勵時能有效檢出深層缺陷，解決了常規線圈式探頭在檢測深層缺陷時靈敏度與空間分辨率無法兼得的問題。
[0019]3、本發明通過使用邏輯開關電路實現不同的檢測方式，可以達到多種檢測目的。
[0020]4、本發明中，PCB基底下層外表面，在對應基底上層外表面平面直角螺旋線圈中心位置放置了 4組TMR磁場傳感器，每組TMR磁場傳感器包含3枚兩兩相互垂直且感應軸方向與激勵磁場方向垂直的TMR磁場傳感器，這種磁場傳感器的布置方式克服了常規線圈式探頭對缺陷方向的依賴性。
[0021]5、本發明中，PCB基底下層外表面，在關于線圈1、IV和線圈I1、III的對稱軸上放置一組5枚TMR磁場傳感器組成一維線形傳感器陣列，使用這種一維線形檢測元件陣列在同樣的掃描情況下能獲得遠多于單個常規線圈式探頭檢測時獲得的信息，大大提高了檢測效率。
[0022]6、本發明檢測探頭各部件的連接線全部集成在PCB基底上，使探頭樣式簡潔且方便組裝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明渦流檢測探頭的上層外表面結構圖；
圖2是本發明渦流檢測探頭的下層外表面結構圖；
圖3是本發明平面直角螺旋線圈繞行方向示意圖；
圖4是本發明一組對應平面直角螺旋線圈中心位置TMR磁場傳感器布置示意圖俯視圖；
圖5是本發明一組對應平面直角螺旋線圈中心位置TMR磁場傳感器布置示意圖透視圖；
圖6是本發明一維線形TMR磁場傳感器陣列布置示意圖；
圖7是本發明渦流檢測探頭及相關檢測系統的連接框圖；
圖8是本發明選用的MMLH45型TMR磁場傳感器芯片引腳圖；
圖9為一組關于平面直角螺旋線圈參數的有效參考數值；
圖中各標號:1為矩形雙層印刷電路板、2為平面直角螺旋線圈1、3為平面直角螺旋線圈Π、4為平面直角螺旋線圈ΙΙΙ、5為平面直角螺旋線圈IV、6為TMR磁場傳感器組1、7為TMR磁場傳感器組I1、8為TMR磁場傳感器組111、9為TMR磁場傳感器組IV、10為一維線形傳感器陣列、11為跳線1、12為跳線I1、13為跳線III。
【具體實施方式】
[0024]實施例1:如圖1-9所示，一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，包括矩形雙層印刷電路板1、平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈
III4、平面直角螺旋線圈IV 5、TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組1118、TMR磁場傳感器組IV 9、一維線形傳感器陣列10、跳線I 11、跳線II 12、跳線III 13 ；
所述矩形雙層印刷電路板1為檢測探頭的基底，利用其上、下兩層的外表面和兩層間的接合面布置檢測探頭的部件； 所述矩形雙層印刷電路板1上層外表面:使用印刷電路板制作工藝，按照四象限的分布形式將平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈IV 5等間隔地印刷在矩形雙層印刷電路板1上層外表面；其中，平面直角螺旋線圈每匝導線線寬相等，相鄰平面直角螺旋線圈間距相同，相鄰兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相反，對角兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相同，4個平面直角螺旋線圈的內外端點各有一個焊點，分別為a、b, c、d, e、f, g、h,并引出抽頭；
所述矩形雙層印刷電路板1下層外表面:矩形雙層印刷電路板1下層外表面在對應基底上層外表面4個平面直角螺旋線圈各自中心位置分別放置TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組III 8、TMR磁場傳感器組IV 9 ;其中，每組TMR磁場傳感器包含3枚兩兩相互垂直且感應軸方向與激勵磁場方向垂直的TMR磁場傳感器，共需12枚TMR磁場傳感器；在中心軸上放置一組5枚TMR磁場傳感器組成的一維線形傳感器陣列10 ；其中，5枚TMR磁場傳感器間距相等，感應軸方向相同且垂直于線圈對稱軸，幾何中心成一條直線且與線圈對稱軸重合，中間一枚位于基底幾何中心；
所述矩形雙層印刷電路板1兩層接合面上層:設置跳線I 11、跳線II 12、跳線III 13，分別連接焊點a和h、d和e、g和f ；
每個平面直角螺旋線圈的內外端點處的焊點，分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關電路，再與激勵信號源相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應的4組TMR磁場傳感器組輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；檢測探頭各部件的連接線全部集成在矩形雙層印刷電路板1上；TMR磁場傳感器電源引腳Vcc與3V穩壓直流電源相連，接地引腳GND與檢測系統公共接地端相連。
[0025]所述信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數據采集卡三部分，三者依次連接，數據采集卡的輸出端與上位機連接，激勵信號源、邏輯開關電路、數據采集卡、上位機分別與控制器相連。
[0026]圖9給出了一組關于平面直角螺旋線圈參數的有效參考數值，經過仿真驗證具有該參數值的直角螺旋線圈可以產生理想的空間時變磁場。
[0027]一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭的檢測方法，
當需要對被測對象含有的缺陷、損傷進行精細檢測并且得出缺陷、損傷的準確的量化參數，例如裂紋準確的長度、走向、深度等參數，或者需要檢測被測對象的電導率、磁導率，以及板材厚度、漆層厚度等參數時，此時應選擇“單象限循環單傳感器組方式”檢測方式。這種檢測方式可根據需要實時改變加載的激勵信號的平面直角螺旋線圈，對相應區域進行重點檢測，使用方便靈活。
[0028]以對機翼損傷進行精細檢測為例。按照平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈IV 5的循環順序，控制激勵信號源給相應的平面直角螺旋線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對機翼存在損傷的區域進行重點掃描，同時渦流檢測探頭中的對應被激勵線圈中心位置的一組TMR磁場傳感器對擾動磁場的幅值進行測量后輸出對應TMR磁場傳感器組的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，得到以檢測探頭為中心區域內機翼損傷的精細檢測結果，得到機翼損傷一如裂紋的準確長度、走向、深度等參數，以便檢測人員對機翼損傷情況進行定量化評估。
[0029]實施例2:如圖1-9所示，一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，包括矩形雙層印刷電路板1、平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III4、平面直角螺旋線圈IV 5、TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組1118、TMR磁場傳感器組IV 9、一維線形傳感器陣列10、跳線I 11、跳線II 12、跳線III 13 ；
所述矩形雙層印刷電路板1為檢測探頭的基底，利用其上、下兩層的外表面和兩層間的接合面布置檢測探頭的部件；
所述矩形雙層印刷電路板1上層外表面:使用印刷電路板制作工藝，按照四象限的分布形式將平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈IV5等間隔地印刷在矩形雙層印刷電路板1上層外表面；其中，平面直角螺旋線圈每匝導線線寬相等，相鄰平面直角螺旋線圈間距相同，相鄰兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相反，對角兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相同，4個平面直角螺旋線圈的內外端點各有一個焊點，分別為a、b, c、d, e、f, g、h,并引出抽頭；
所述矩形雙層印刷電路板1下層外表面:矩形雙層印刷電路板1下層外表面在對應基底上層外表面4個平面直角螺旋線圈各自中心位置分別放置TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組III 8、TMR磁場傳感器組IV 9 ;其中，每組TMR磁場傳感器包含3枚兩兩相互垂直且感應軸方向與激勵磁場方向垂直的TMR磁場傳感器，共需12枚TMR磁場傳感器；在中心軸上放置一組5枚TMR磁場傳感器組成的一維線形傳感器陣列10 ；其中，5枚TMR磁場傳感器間距相等，感應軸方向相同且垂直于線圈對稱軸，幾何中心成一條直線且與線圈對稱軸重合，中間一枚位于基底幾何中心；
所述矩形雙層印刷電路板1兩層接合面上層:設置跳線I 11、跳線II 12、跳線III13，分別連接焊點a和h、d和e、g和f ;
每個平面直角螺旋線圈的內外端點處的焊點，分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關電路，再與激勵信號源相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應的4組TMR磁場傳感器組輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；檢測探頭各部件的連接線全部集成在矩形雙層印刷電路板1上；TMR磁場傳感器電源引腳Vcc與3V穩壓直流電源相連，接地引腳GND與檢測系統公共接地端相連。
[0030]所述信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數據采集卡三部分，三者依次連接，數據采集卡的輸出端與上位機連接，激勵信號源、邏輯開關電路、數據采集卡、上位機分別與控制器相連。
[0031]圖9給出了一組關于平面直角螺旋線圈參數的有效參考數值，經過仿真驗證具有該參數值的直角螺旋線圈可以產生理想的空間時變磁場。
[0032]一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭的檢測方法，
當被測對象為外表面較不平整或形狀較不規則的導體材料時，例如對金屬毛坯、機械零件這些大型材料、部件進行缺陷檢測，或者對焊接區進行檢測時，此時應選擇“四象限全時四傳感器組方式”檢測方式。這種檢測方式可對4個線圈對應的范圍進行重點檢測，檢測出被測對象含有的裂紋、雜質、材質不勻等非連續性缺陷，同時給出缺陷的范圍、走向、深度等大致描述。由于使用的4組TMR磁場傳感器相對位置分布較合適——相對距離合理且成正方形(封閉中心對稱圖形)分布，這4組共12枚TMR磁場傳感器可以對擾動磁場進行全面測量；另外，結合對激勵信號頻率的控制，當采用高頻激勵信號時，由于集膚效應，被測對象產生的渦流將趨于材料表面，由此可以較準確的得到被測材料表面的平整度和檢測探頭提離等信息，抑制了被測對象形狀不規則或內部物理特性變化不均勻引起的信號差異。由于焊接區具有外部形狀不規則、內部物理特性變化不均勻的特點，因此這種檢測方式在高頻激勵下尤其適合對焊接區進行檢測。
[0033]以對金屬毛坯進行缺陷檢測為例。使用3條跳線I 11、跳線III 13、跳線II 12連接平面直角螺旋線圈的內外端點a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈IV 5、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈II 3的順序連接相鄰兩個平面直角螺旋線圈中前一個線圈的內端點與后一個線圈的外端點，不連接平面直角螺旋線圈I 2的外端點b和平面直角螺旋線圈II 3的內端點c，于是4個平面直角螺旋線圈由3條跳線首尾連接構成統一的激勵線圈。控制激勵信號源在b和c兩點給激勵線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對金屬毛坯進行掃描，同時渦流檢測探頭中的4組TMR磁場傳感器同時對擾動磁場的幅值進行測量后輸出4組TMR磁場傳感器的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，檢測出金屬毛坯是否帶有裂紋、雜質、材質不勻等缺陷。如果金屬毛坯帶有缺陷則給出缺陷的大致描述，比如裂紋的大概范圍、長度、走向，雜質的大致位置、范圍，材質不均勻的大致范圍、變化趨勢等。
[0034]實施例3:如圖1-9所示，一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，包括矩形雙層印刷電路板1、平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III4、平面直角螺旋線圈IV 5、TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組1118、TMR磁場傳感器組IV 9、一維線形傳感器陣列10、跳線I 11、跳線II 12、跳線III 13 ；
所述矩形雙層印刷電路板1為檢測探頭的基底，利用其上、下兩層的外表面和兩層間的接合面布置檢測探頭的部件；
所述矩形雙層印刷電路板1上層外表面:使用印刷電路板制作工藝，按照四象限的分布形式將平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈IV5等間隔地印刷在矩形雙層印刷電路板1上層外表面；其中，平面直角螺旋線圈每匝導線線寬相等，相鄰平面直角螺旋線圈間距相同，相鄰兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相反，對角兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相同，4個平面直角螺旋線圈的內外端點各有一個焊點，分別為a、b, c、d, e、f, g、h,并引出抽頭；
所述矩形雙層印刷電路板1下層外表面:矩形雙層印刷電路板1下層外表面在對應基底上層外表面4個平面直角螺旋線圈各自中心位置分別放置TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組III 8、TMR磁場傳感器組IV 9 ;其中，每組TMR磁場傳感器包含3枚兩兩相互垂直且感應軸方向與激勵磁場方向垂直的TMR磁場傳感器，共需12枚TMR磁場傳感器；在中心軸上放置一組5枚TMR磁場傳感器組成的一維線形傳感器陣列10 ；其中，5枚TMR磁場傳感器間距相等，感應軸方向相同且垂直于線圈對稱軸，幾何中心成一條直線且與線圈對稱軸重合，中間一枚位于基底幾何中心；
所述矩形雙層印刷電路板1兩層接合面上層:設置跳線I 11、跳線II 12、跳線III13，分別連接焊點a和h、d和e、g和f ;
每個平面直角螺旋線圈的內外端點處的焊點，分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關電路，再與激勵信號源相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應的4組TMR磁場傳感器組輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；檢測探頭各部件的連接線全部集成在矩形雙層印刷電路板1上；TMR磁場傳感器電源引腳Vcc與3V穩壓直流電源相連，接地引腳GND與檢測系統公共接地端相連。
[0035]所述信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數據采集卡三部分，三者依次連接，數據采集卡的輸出端與上位機連接，激勵信號源、邏輯開關電路、數據采集卡、上位機分別與控制器相連。
[0036]圖9給出了一組關于平面直角螺旋線圈參數的有效參考數值，經過仿真驗證具有該參數值的直角螺旋線圈可以產生理想的空間時變磁場。
[0037]一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭的檢測方法，
當被測對象為近似大面積板狀或大直徑管狀的導體材料時，例如對金屬板材、機翼、機身這些大型材料、部件進行缺陷、損傷檢測，它們具有外表面較平整且檢測面積較大的特點，其檢測要求為快速對較大范圍進行掃描并判斷被測對象是否帶有缺陷、損傷，若有則同時能夠大致給出其長度、深度、走向等相關描述，此時應選擇“四象限全時線形陣列方式”檢測方式。
[0038]以對飛機機翼進行損傷檢測為例。使用3條跳線I 11、跳線III 13、跳線II 12連接平面直角螺旋線圈的內外端點a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈IV 5、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈II 3的順序連接相鄰兩個平面直角螺旋線圈中前一個線圈的內端點與后一個線圈的外端點，不連接平面直角螺旋線圈I 2的外端點b和平面直角螺旋線圈II 3的內端點c，于是4個平面直角螺旋線圈由3條跳線首尾連接構成統一的激勵線圈。控制激勵信號源在b和c兩點給激勵線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對飛機機翼進行掃描，同時渦流檢測探頭中的一維線形傳感器陣列5枚TMR磁場傳感器對擾動磁場的幅值進行測量后輸出一維線形傳感器陣列5枚TMR磁場傳感器的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，檢測出飛機機翼是否帶有損傷。如果機翼帶有損傷則給出損傷的大致描述，比如損傷的大概長度、深度、走向，輔助檢測人員對損傷做出評估。
[0039]實施例4:如圖1-9所示，一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，包括矩形雙層印刷電路板1、平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III4、平面直角螺旋線圈IV 5、TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組1118、TMR磁場傳感器組IV 9、一維線形傳感器陣列10、跳線I 11、跳線II 12、跳線III 13 ；
所述矩形雙層印刷電路板1為檢測探頭的基底，利用其上、下兩層的外表面和兩層間的接合面布置檢測探頭的部件；
所述矩形雙層印刷電路板1上層外表面:使用印刷電路板制作工藝，按照四象限的分布形式將平面直角螺旋線圈I 2、平面直角螺旋線圈II 3、平面直角螺旋線圈III 4、平面直角螺旋線圈IV 5等間隔地印刷在矩形雙層印刷電路板1上層外表面；其中，平面直角螺旋線圈每匝導線線寬相等，相鄰平面直角螺旋線圈間距相同，相鄰兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相反，對角兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相同，4個平面直角螺旋線圈的內外端點各有一個焊點，分別為a、b, c、d, e、f, g、h,并引出抽頭；
所述矩形雙層印刷電路板1下層外表面:矩形雙層印刷電路板1下層外表面在對應基底上層外表面4個平面直角螺旋線圈各自中心位置分別放置TMR磁場傳感器組I 6、TMR磁場傳感器組II 7、TMR磁場傳感器組III 8、TMR磁場傳感器組IV 9 ;其中，每組TMR磁場傳感器包含3枚兩兩相互垂直且感應軸方向與激勵磁場方向垂直的TMR磁場傳感器，共需12枚TMR磁場傳感器；在中心軸上放置一組5枚TMR磁場傳感器組成的一維線形傳感器陣列10 ；其中，5枚TMR磁場傳感器間距相等，感應軸方向相同且垂直于線圈對稱軸，幾何中心成一條直線且與線圈對稱軸重合，中間一枚位于基底幾何中心；
所述矩形雙層印刷電路板1兩層接合面上層:設置跳線I 11、跳線II 12、跳線III13，分別連接焊點a和h、d和e、g和f ;
每個平面直角螺旋線圈的內外端點處的焊點，分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關電路，再與激勵信號源相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應的4組TMR磁場傳感器組輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；檢測探頭各部件的連接線全部集成在矩形雙層印刷電路板1上；TMR磁場傳感器電源引腳Vcc與3V穩壓直流電源相連，接地引腳GND與檢測系統公共接地端相連。
[0040]所述信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數據采集卡三部分，三者依次連接，數據采集卡的輸出端與上位機連接，激勵信號源、邏輯開關電路、數據采集卡、上位機分別與控制器相連。
[0041]圖9給出了一組關于平面直角螺旋線圈參數的有效參考數值，經過仿真驗證具有該參數值的直角螺旋線圈可以產生理想的空間時變磁場。
[0042]上面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。
【權利要求】
1.一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，其特征在于:包括矩形雙層印刷電路板(I)、平面直角螺旋線圈I (2)、平面直角螺旋線圈II (3)、平面直角螺旋線圈111(4)、平面直角螺旋線圈IV (5)、TMR磁場傳感器組I (6)、TMR磁場傳感器組II (7)、TMR磁場傳感器組111(8)、TMR磁場傳感器組IV(9)、一維線形傳感器陣列(10)、跳線I (11)、跳線II (12)、跳線III (13)； 所述矩形雙層印刷電路板(I)為檢測探頭的基底，利用其上、下兩層的外表面和兩層間的接合面布置檢測探頭的部件； 所述矩形雙層印刷電路板(I)上層外表面:使用印刷電路板制作工藝，按照四象限的分布形式將平面直角螺旋線圈I (2)、平面直角螺旋線圈II (3)、平面直角螺旋線圈111(4)、平面直角螺旋線圈IV(5)等間隔地印刷在矩形雙層印刷電路板(I)上層外表面；其中，平面直角螺旋線圈每匝導線線寬相等，相鄰平面直角螺旋線圈間距相同，相鄰兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相反，對角兩個平面直角螺旋線圈導線繞行方向相同，4個平面直角螺旋線圈的內外端點各有一個焊點，分別為a、b, C、d, e、f, g、h,并引出抽頭； 所述矩形雙層印刷電路板(I)下層外表面:矩形雙層印刷電路板(I)下層外表面在對應基底上層外表面4個平面直角螺旋線圈各自中心位置分別放置TMR磁場傳感器組I (6)、TMR磁場傳感器組II (7 )、TMR磁場傳感器組III (8 )、TMR磁場傳感器組IV (9 );其中，每組TMR磁場傳感器包含3枚兩兩相互垂直且感應軸方向與激勵磁場方向垂直的TMR磁場傳感器，共需12枚TMR磁場傳感器；在中心軸上放置一組5枚TMR磁場傳感器組成的一維線形傳感器陣列(10);其中，5枚TMR磁場傳感器間距相等，感應軸方向相同且垂直于線圈對稱軸，幾何中心成一條直線且與線圈對稱軸重合，中間一枚位于基底幾何中心； 所述矩形雙層印刷電路板(I)兩層接合面上層:設置跳線I (11)、跳線II (12)、跳線III(13),分別連接焊點a和h、d和e、g和f ; 每個平面直角螺旋線圈的內外端點處的焊點，分別引出抽頭，并行連接到邏輯開關電路，再與激勵信號源相連；4個平面直角螺旋線圈中心位置對應的4組TMR磁場傳感器組輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；組成一維線形陣列的5枚TMR磁場傳感器輸出信號引腳并行連接到邏輯開關電路，再與信號采集裝置的低通濾波器相連；檢測探頭各部件的連接線全部集成在矩形雙層印刷電路板(I)上；TMR磁場傳感器電源引腳Vcc與3V穩壓直流電源相連，接地引腳GND與檢測系統公共接地端相連。
2.根據權利要求1所述的基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭，其特征在于:所述信號采集裝置包括低通濾波器、功率放大器、數據采集卡三部分，三者依次連接，數據采集卡的輸出端與上位機連接，激勵信號源、邏輯開關電路、數據采集卡、上位機分別與控制器相連。
3.一種基于TMR磁場傳感器陣列的渦流檢測探頭的檢測方法，其特征在于: 根據被測對象的實際情況和檢測要求確定檢測方式分別為單象限循環單傳感器組方式、四象限全時四傳感器組方式、四象限全時線形陣列方式: 如果為單象限循環單傳感器組方式:按照平面直角螺旋線圈I (2)、平面直角螺旋線圈II (3)、平面直角螺旋線圈111(4)、平面直角螺旋線圈IV(5)的循環順序，控制激勵信號源給相應的平面直角螺旋線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對被測對象進行掃描且渦流檢測探頭中的對應被激勵線圈中心位置的一組TMR磁場傳感器對擾動磁場的幅值進行測量后輸出對應TMR磁場傳感器組的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，得到被測對象缺陷的相關參數，實現缺陷的定量化評估； 如果為四象限全時四傳感器組方式:3條跳線I (11)、跳線IIK13)、跳線II (12)連接平面直角螺旋線圈的內外端點a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋線圈I (2)、平面直角螺旋線圈IV (5)、平面直角螺旋線圈111(4)、平面直角螺旋線圈II (3)的順序連接相鄰兩個平面直角螺旋線圈中前一個線圈的內端點與后一個線圈的外端點，不連接平面直角螺旋線圈I (2)的外端點b和平面直角螺旋線圈II (3)的內端點c，于是4個平面直角螺旋線圈由3條跳線首尾連接構成統一的激勵線圈，控制激勵信號源在b和c兩點給激勵線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對被測對象進行掃描且渦流檢測探頭中的四組TMR磁場傳感器同時對擾動磁場的幅值進行測量后輸出四組TMR磁場傳感器的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，得到被測對象缺陷的相關參數； 如果為四象限全時線形陣列方式:3條跳線I (11)、跳線IIK13)、跳線II (12)連接平面直角螺旋線圈的內外端點a和h、g和f、e和d，按照平面直角螺旋線圈I (2)、平面直角螺旋線圈IV (5)、平面直角螺旋線圈III(4)、平面直角螺旋線圈II (3)的順序連接相鄰兩個平面直角螺旋線圈中前一個線圈的內端點與后一個線圈的外端點，不連接平面直角螺旋線圈I (2)的外端點b和平面直角螺旋線圈II (3)的內端點C，于是4個平面直角螺旋線圈由3條跳線首尾連接構成統一的激勵線圈，控制激勵信號源在b和c兩點給激勵線圈加載激勵信號，使用渦流檢測探頭對被測對象進行掃描且渦流檢測探頭中的一維線形傳感器陣列5枚TMR磁場傳感器同時對擾動磁場的幅值進行測量后輸出一維線形傳感器陣列5枚TMR磁場傳感器的信號，信號采集裝置采集TMR磁場傳感器的輸出信號發送給上位機進行分析，得到被測對象缺陷的相關參數； 其中，擾動磁場為激勵線圈產生的初級磁場和被測對象中的渦流產生的次級磁場合成的磁場。
【文檔編號】G01N27/90GK104407047SQ201410669593
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年11月21日
【發明者】葉波, 李鳴, 陳飛, 楊春曦, 畢貴紅, 陳仕龍, 曾芳 申請人:昆明理工大學