摘要：在早期的电磁检测领域当中，就已经出现过一种传统的无损检测方法，这种方法在当时确实改善了检测损伤的问题，但是现代视角下，传统无损检测方法具有功能单一、电路复杂、稳定性不足、空间分辨率不足等缺陷，而GMR电磁无损检测，是在后期经某研究者提出的一种新式的电磁无损检测方法，其借用了巨磁电阻的高稳定性，围绕传统电磁无损检测方法的弊端进行设计，改善了传统检测方法的缺陷。
关键词：无损检测；巨磁电阻；探头结构；模型分析；
巨磁电阻（GMＲ）的检测灵敏度不受频率影响，具有方向敏感特性，且芯片尺寸小，外围电路简单，空间分辨率高，与传统电磁无损检测技术相结合，体现出独有的优势。
一、GMR探头设计结构分析
1.圆形线圈GMR涡流检测探头。圆形线圈GMR涡流检测探头常应用在金属物体厚度检测当中，检测时，首先依照激励磁场的方向，将GMR器件的敏感轴与之平行对齐。其次利用GMR的高灵敏度即可完成检测工作，这种检测方法通过以往的多项实验得知，只能用于检测金属物体或类金属物体的厚度，在缺陷检测当中其表现出不敏感的问题，说明此检测探头具有一定的局限性。但在近代研究当中可见，虽然圆形线圈GMR涡流检测探头不能直接对缺陷磁场进行感应，但是其能够感应到缺陷引起形变后的磁场，因此，在这一现象之下，有研究者进行了相关的实验，实验显示圆形线圈在未来的发展当中，可能应用到金属边缘缺陷检测当中。
2.平面均匀GMR涡流检测探头。平面均匀GMR涡流检测探头常用于结构焊接缺陷检测当中，在此项检测当中，因为焊接工艺的介入会导致检测表面的纹理出现密集的提离现象，此时其他无损检测方法均因为该现象而无法进行检测，但随着研究的发展，有研究者发现了矩形线圈探头能够有效避免此现象带来的应用，因而进行了相关的实验，实验结果显示矩形线圈能够实现结构焊接无损检测应用，因此在进一步的开发之下，形成了平面均匀GMR涡流检测探头。另一组实验当中，研究人员将平面均匀GMR涡流检测探头应用到飞机铆钉周边细微裂纹的检测当中，通过检测可见，平面均匀GMR涡流检测探头可以利用矩形线圈产生电流，当电流与检测面接触之后，会产生均匀的感生电流和磁场，再结合平面扫描即可得到检测面整体磁场分布，最终通过磁场观测了解磁场的分布情况即可得出细微裂纹的分布情境。
二、GMR电磁无损检测器件分析
当GMR与磁场电阻值接触之后，GMR会发生巨大的变化，因此其才会被称为巨磁电阻，一般情况下，GMR的变化程度要高出其他各项磁阻15%左右。在GMR当中线圈是主要器件之一，线圈的主要功能在于感应电压，依照法拉第电磁感应定律，感应电压如公式（1）所示。
（1）
式中dB代表线圈的正弦变化的磁场，磁场表达式如公式（2）。
（2）
根据公式（1）、（2），可以得到线圈的输出表达式，如公式（3）所示。
通过公式（3）可以看到，线圈的灵敏度与频率相互之间保持了正比关系，所以说明GMR检测方法不适用于低频检测当中，因为当这种方法与低频接触，就会受到集肤效应的限制，导致工作频率降低，这种方式虽然能够增加GMR在低频当中的渗透度，但也会导致线圈的灵敏度大幅度降低。另外，除线圈以外GMR还包括了其他器件，例如，单极性、双极性器件，这两种器件不会被同时采用，只会单独应用在规格不同的GMR检测当中，一般来说单极性、双极性器件的功能都在于保障检测的高灵敏度以及渗透深度，但要实现此目的，两者的直流电磁必须达到1MHz以上，而作为两种不同的器件，两者必然还存在很大的不同，具体如下文所示。单极性、双极性器件不同点：（1）单极性的饱和磁场为6~16，双极性的饱和磁场为0~250；（2）单极性的线性范围为0.6~3.0、1.5~10.5、1.0~16，双极性的线性范围为10~175、5~40、-1.3~1.3、-8~8；（3）单极性的灵敏度为3.0~4.2、3.0~4.1、11.0~18.0，双极性的灵敏度为0.02~0.03、0.06~0.12、1.3~1.6、0.7~1.0；（4）单极性的电阻为5k~5.5k，双极性的电阻为2.5、1.2、1.3k；（5）单极性的磁滞为4、15、3.0，双极性的磁滞为0、4、15；（6）单极性的非线性度为2、4、1.5，双极性的非线性度为0、2、4。
三、GMＲ探头激励方式
1.基于时谐激励的GMＲ电磁无损检测。采用时谐方法对被测导体进行检测是电涡流无损探伤最常用的手段。将GMＲ器件引入涡流检测后，基于时谐激励的GMＲ涡流检测方法随即受到广泛关注，获得了大量的科研成果。对于单极性GMＲ器件，以使用最广泛的NVE的GMＲ为例，呈现非线性。在早期，利用正弦激励电流源给激励线圈提供激励电流，GMＲ检测到缺陷磁场后，将检测到的磁场信号输出给NI数据采集卡并存储于个人计算机（PC），该信号被用于分析缺陷。由于该研究小组采用的是单极性GMＲ器件，因此其检测到缺陷磁场后的输出值均为正值，GMＲ输出信号只能反映缺陷磁场的强度信息。为了实现磁场虚实部信息的检测，当前，很多研究者将GMＲ器件的工作点偏置到线性输出区间。通过增加偏置磁场能够获得完整的交流信号输出波形，该输出信号可用于后续的解调处理获得需要的磁场信息。常用的偏置方法主要有两种。一种方法是在GMＲ附近固定永磁体，采用了该方法，其优点是结构简单，易于实现；另一种方法是在GMＲ周围设计一个直流线圈，直流电流产生一个恒定磁场，从而将GMＲ的工作点偏置于线性区间，其优点是可以通过调节直流线圈中的电流大小来调节工作点位置。通过偏置的方法获得完整的时谐信号，经解调后，获得虚实部信息和幅值相角信息，可为检测提供更加丰富的信息。对铆钉周围多层结构的缺陷检测利用相位信息获得了很好的检测效果。利用相位信息实现了表面和亚表面缺陷的可靠分类。对于时谐激励GMＲ电磁检测，采用多频技术能够获得更丰富的信息。在基于GMＲ的多频电涡流检测中做了大量的研究工作。该研究小组采用从1～20 kHz的20个激励频率，对缺陷进行检测和深度估计。并分析了不同频率的激励电流优化问题，通过对不同频率下激励电流相位的调节，获得最佳的激励效果，从而提高了缺陷深度的检测精度。以此为基础，采用支持向量机（support vector machine，SVM），实现了缺陷几何尺寸的估计。
2.基于脉冲激励的GMＲ电磁无损检测。脉冲激励方式也是GMＲ电磁无损检测常用的激励方式。对于脉冲激励方式下的GMＲ涡流检测，为了将GMＲ器件的工作点偏置到线性输出区间，同样需要恒定磁场作为偏置。研究人员采用脉冲作为激励方式的重要原因是脉冲信号具有丰富的频率信息，可以采用时域和频率两种手段进行信号分析。基于GMＲ的脉冲涡流应用于飞机铆钉结构周围缺陷的检测。该研究小组采用时域和频域两种方法分析脉冲涡流信号。时域分析采用A扫描（A-scan）时域信号形态来判断铆钉周围缺陷，采用C扫描（C-scan）下二维图形的非对称性检测深层缺陷。频域分析则以能量作为特征量，根据铆钉周围的磁场能量分布检测缺陷。该研究小组此后通过脉冲涡流检测方法，对基于GMＲ的铆钉缺陷进行了定量分析。他们采用独立成分分析方法提取脉冲信号的特征值，采用k均值聚类方法进行分类，从而实现对缺陷的分类和定量。采用脉冲涡流来测量金属板厚度，他们将脉冲响应信号曲线与坐标轴横轴之间区域的面积作为特征量，用于估计金属板的厚度。印度Bhabha原子能研究中心采用时域特征量进行分析，他们用GMＲ测得的脉冲信号的峰值和峰值时间作为特征量估计被测试件厚度。
总之，在GMR电磁无损检测器件分析当中，主要了解了GMR的常规器件线圈以及单极性、双极性器件；在GMR探头激励分析当中，主要对常见的时谐激励、脉冲激励进行了分析；在GMR探头设计结构，主要针对单GMR涡流检测探头中的圆形线圈GMR涡流检测探头、平面均匀GMR涡流检测探头进行了分析。
参考文献：
[1]王鹏.浅谈基于GMR的电磁无损检测研究.2017.
[2]范晓，基于巨磁阻传感器的无损检测系统研究与设计.2017.
论文作者:吴野
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/25
标签：极性论文; 涡流论文; 磁场论文; 线圈论文; 缺陷论文; 器件论文; 脉冲论文; 《基层建设》2019年第3期论文;