基于巨磁阻抗效应的金属磁记忆探头研制

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摘 要:金属磁记忆检测是无损检测技术中一种新的检测技术,该技术的关键在于拾取铁磁构件应力集中区的微弱“纯天然”磁信号。利用非晶态合金的巨磁阻抗效应制出一种新的磁记忆探头,该探头灵敏度高,性能稳定。简单地介绍了非晶态合金的巨磁阻抗效应,较为详细地给出该探头的工作原理、结构、电路设计和实验结果。实验结果表明,这种新型金属磁记忆探头对微弱磁信号的检出效果明显,达到了磁记忆检测的要求。

关键词:磁记忆;非晶合金;巨磁阻抗;探头

中图分类号:TP274文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2009)10-158-03

Development of Metal Magnetic Memory Probe Based on Giant Magneto-impedance Effect

LI Kaijia1,LI Kaiyu2,YU Qi1

(1.Key Laboratory of Nondestructive Test,Ministry of Education,Nanchang Hangkong University,Nanchang,330063,China;

2.Nanchang Branch,Xiamen Airlines,Nanchang,330063,China)

Abstract:Metal magnetic memory testing is a new testing technology of nondestructive testing technologies.The key of this technology is to pick up weak pure natural magnetic signals from the area of stress concentration of ferro magnetic components and take advantage of giant magneto-impedance effect of amorphous alloys.Thereby,a new magnetic memory probe is produced.The probe has high sensitivity,stable property.The paper introduces giant magneto-impedance effect briefly,and gives a detailed review on the probe′s principle,structure,circuit layout and test results.`The results show that this new type of magnetic memory metal probe detect clearly the weak magnetic signal and reach the magnetic memory testing requirement.

Keywords:magnetic memory;amorphous alloy;giant magneto impedance;probe

0 引 言

金属磁记忆检测技术的关键点在于拾取铁磁构件应力集中区的微弱“纯天然”磁信号[1],而磁信号的拾取又在于探头的灵敏度,因此探头的研制成为该技术的重点之一。非晶态合金组织结构独特,具有低矫顽力、高电阻率、高磁导率及高机械强度等,尤其是钴基非晶态磁性合金材料,其磁致伸缩系数极小,是一种优良的磁敏材料,用此材料可以设计出各种不同用途的磁场传感器[2-4]。1992年Mohri等人在Co基非晶合金丝中发现巨磁阻抗效应,为研制高灵敏度磁传感器开辟了新的途径[5-9]。非晶合金的巨磁阻抗效应是指当非晶材料通以高频电流时材料两端的阻抗随外磁场变化而发生非常灵敏的变化现象。这里就是利用非晶合金巨磁阻抗效应来研制探头。

1 巨磁阻抗效应

巨磁阻抗(GMI)效应[6,7]就是当软磁性材料(多为Co基非晶和Fe基纳米晶)的丝或条带通

以高频交流电流i时,材料两端感生的交流电压UW随丝纵向所加外磁场Hex的变化而灵敏变化的现象,如图1所示。

图1 巨磁效应示意图

磁阻抗在外磁场作用下的变化率(Magneto Impedance Ratio,MIR)定义为:

MIR=Z(Hex)-Z(0)Z(0)×100%

式中:Z(Hex)表示外加磁场Hex时材料的阻抗;Z(0)表示未加外磁场Hex时的阻抗。当磁场不大时,阻抗变化率随磁场增高而迅速增大,阻抗变化率最大为15%,该设计就利用了此特性。

2 探头结构及电路设计

根据GMI效应的产生条件,选择脉冲方波激励供电,设计一脉冲信号产生电路,输出到非晶薄带两端,实现高频激励。在高频激励下,非晶薄带阻抗随外界磁场的变化而发生非常灵敏的变化,即实现由阻抗的大小反应外界磁场的强弱;非晶薄带外面绕有线圈,构成敏感元件,其本身具有阻抗,在脉冲激励的作用下便产生相应频率的高频电流,根据电磁感应原理,外部线圈产生相应频率的感生电动势,大小与非晶薄带阻抗变化率成正比。由于GMI效应,非晶薄带阻抗发生明显的变化,线圈两端的感生电动势便随之改变,在阻抗变化率达到最大值之前,感生电动势与磁场成正比。接下来利用峰值检波的方法检出信号的峰值,峰值的强弱反映了磁场强度大小,实现了对磁场的测量。

2.1 探头结构

探头结构如图2所示,用CMOS非门电路产生高频脉冲对非晶带进行激励.当外加磁场作用在非晶带时,通过改变非晶带阻抗Z,从而改变非晶带两端的电压。通过峰值检波电路检测出其峰值的大小,再经低通滤波和比较放大路得到随外加磁场变化的电压值。

2.2 敏感元件的制作

敏感元件的制作[4,8,9]如图3所示,将非晶合金薄带用胶水固定在一起,外面绕漆包铜导电线圈。其中,非晶合金厚0.04 mm,叠10片;长度为10 mm,宽为1.78 mm;漆包铜导线直径为0.1 mm,匝数为100匝。非晶薄带两端加上脉冲激励,由于非晶丝的GMI效应,在外磁场不大时,其阻抗随外磁场的变化而发生非常灵敏的变化。图3为敏感元件的制作示意图;图4为实物图。它实现了敏感元件在磁场下的线性输出。

图2 探头结构示意图

图3 敏感元件的制作示意图

图4 敏感元件实物图

2.3 脉冲电流电路

非晶磁芯只有在高频电流激励下,才能显现GMI效应,阻抗随磁场增加而急剧增大。用脉冲电流激励磁芯可以提高阻抗变化率,即提高传感器的灵敏度。

脉冲电流发生电路[8,10,11]如图5所示,选用SN74HCT04N非门芯片构成多谐振荡电路产生高频方波,经RC微分后得到脉冲电流,通过非门Q3滤去负脉冲,得到与方波同频率的正脉冲电流。电路的振荡周期T=2.2 R2C1,电阻R1是反向器输入端补偿电阻,可以改善由于电源电压的变化而引起振荡频率不稳性,但应保证R1R2。实验使用脉冲电流频率f=1 MHz,脉冲宽度约为20 ns,峰值为20 mA。

图5 脉冲电流电路

2.4 信号处理电路

探头信号处理电路[10,11]由峰值检波保持、低通滤波比较放大和射极跟随电路构成,电路图如图6所示。

图6 信号处理电路

A1与C1构成峰值检波和保持电路。在峰值期间,D1导通,使C1充电达到峰值,峰值过后由于R2的限流作用,C1放电微乎其微,到下一次峰值再度充电,维持峰值电压输出。C1上串接R32 Ω的电阻,用于防止过冲,有利于电路稳定。C2,C3组成输入低通滤波,滤掉高次谐波和噪声的干扰,A2,A3,W1和W2构成比较放大电路。由于给非晶带加了一个高频激励,所以在没有外磁场的情况下,感应线圈也有一个较高的输出电压。为了抵消这个零场电压,采用两级比较电路来实现调零,通过滑动电阻W1,W2来进行调零校正,使其在零磁场下输出为零。C4为输出滤波;A4为射极跟随器,方便后续信号的进一步处理。

3 实验结果及分析

用研制的探头对刻有1 mm,2 mm,3 mm深的人工裂纹铁磁构件试块进行了检测。由此发现该探头有明显的检出能力,达到了金属磁记忆检测技术对应力集中区微弱“纯天然”磁场的拾取效果,实验结果如图7~图9所示。

图7 1 mm深示波器图

图8 2 mm深的示波器图

图9 3 mm深的示波器图

从示波器图上明显看出1 mm,2 mm,3 mm深的裂纹有着不同的峰值,峰值大小随裂纹深度的增加而增加,同时也验证了金属磁记忆检测技术的发明人杜波夫提出的理论和相关的研究结论,即铁磁构件在地磁场作用下,能记忆其力对它的作用历史。

4 结 语

简单地介绍了GMI效应的基本原理。利用非晶合金的巨磁阻抗设计并制作了磁记忆探头。该探头灵敏度高,性能稳定,为金属磁记忆检测技术的发展提供了广阔的前景,但信号处理不够理想,就实际应用来说还有待进一步的研究。

参考文献

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