基于GMR阵列的多层铝板缺陷检测系统

在航空航天、核电等诸多工业生产领域, 均需要大量多层铝板, 如飞机机翼、机身蒙皮、油管壁等[1]。这些多层铝板长期处于恶劣环境中, 其表面和内部很容易产生裂纹、孔洞、腐蚀等缺陷, 如果不及时检测并进行维护, 会威胁人们的生命财产安全[2,3]。因此, 研究有效的无损检测方法对多层铝板进行检测评估以便及时维护, 能提高其可靠性, 防止意外事故发生。目前, 多层铝板的常用检测方法主要有超声波检测法、传统涡流法和脉冲涡流检测法等。超声检测虽然具有较高的灵敏度, 但由于其需要耦合剂, 很多被测工件以及检测环境限制了其应用[4];传统涡流法只能进行逐点扫描, 检测速度慢, 且难以给出缺陷的定量化信息[5];脉冲涡流虽然能够提供包括缺陷位置、尺寸在内的多种信息, 但受到提离效应的影响, 其对深层缺陷的检测能力有限[6,7]。针对非铁磁性金属材料的自动化探伤需求, 华中科技大学康宜华教授团队提出了直流通电测磁缺陷检测方法, 并开发了相应检测系统[8]。直流通电测磁法克服了集肤效应, 不仅能够检测出结构内部缺陷, 还能实现非接触检测, 对多层结构中浅表层和深层缺陷均具有较好的检测效果[9,10]。然而, 缺陷量化评价困难、检测系统灵敏度不高一直是制约直流通电测磁法应用的瓶颈。

针对缺陷的量化检测需求, 本文基于直流通电测磁原理, 以多层铝板为检测对象, 开发一种GMR阵列检测系统。首先对通电试件缺陷的外部空间磁场变化特征进行理论分析, 提出一种利用横向磁场信号Bx对缺陷进行定量评价的方法;然后针对多层铝板中矩形槽缺陷, 设计一种GMR阵列集成探头, 并搭建了一套无损检测系统;最后利用多层铝板试件, 对系统灵敏度、检测范围进行测试, 证明了该方法的可行性。

当稳定直流电在长直均匀铝板中流动, 导体内部电流均匀分布, 导体周围产生稳恒磁场, 电流方向垂直纸面向内 (图1) , 磁场方向满足右手法则。当导体中存在缺陷, 缺陷空隙中电导率为零, 电流从缺陷周围绕过, 缺陷处电流密度分布不均匀, 周围空间磁场发生了改变。

多层铝板是具有一定厚度的导电结构, 根据Biot-Savart定律, 通电后产生的磁场

其中:B为导体附近空间中某点磁感应强度;J为电流密度;r是空间点到电流源的距离;μ0为真空磁导率。磁感应强度与电流密度、导体周围场点离电流源的距离有关。检测时, 给铝板通直流电, 电流均匀流动, 周围产生均匀磁场, 当铝板中存在缺陷时 (图2) , 缺陷处J分布不均匀, 铝板周围磁场发生了变化。

磁场分为3个方向, 分别是横向磁场分量Bx (沿板宽方向) 、纵向磁场分量By (沿通电方向) 和法向磁场分量Bz (垂直于板面方向) 。由于J在缺陷内部减小而缺陷边缘处增大, 使Bx磁场信号在缺陷区域表现为波谷信号, 而在缺陷边缘处表现为波峰信号或较小幅值的波谷信号;此外, 缺陷中间电流密度减至最小, 使中间的信号幅值最大, Bx磁场分量特点如图3所示[11]。

Bx为单一的波峰或波谷信号。不同通道信号之间相互干扰较小, 能直观反映缺陷的边缘及中心位置特征, 通过获取缺陷上方信号可以反映缺陷长度和中心位置的特征信息。信号提取如图4所示。以GMR芯片的几何中心点为起点, 建立8条等间距的扫查路径。由于芯片长度为5mm, 且GMR芯片前后排交错排列, 则相邻扫查路径的间距为2.5mm。

由Bx磁场信号波形特征可知, 关于中心线对称的扫查路径, 其信号形态是相同的, 即缺陷上方的信号形状为波谷, 缺陷边缘处可能为较小幅值的波峰信号或波谷信号。路径4经过缺陷中心线, 其幅值最大;路径2、6经过缺陷边缘, 是磁场变化的过渡区域, 为较小幅值的波峰信号或波谷信号;路径3和5的信号幅值小于路径4的信号幅值。根据信号特征和其几何中心位置, 实现对缺陷长度的定量评价。图4中缺陷的中心位置最接近探头4的扫查路径, 缺陷在路径2和路径6之间且缺陷上边缘处于路径2、3之间, 下边缘介于路径6、7之间, 则缺陷长度为5～10mm。阵列探头扫查路径的密度决定对缺陷定量评价的精度 (空间分辨率) 。由于本研究阵列探头采用8个阵元, 所以, 其检测分辨率为2.5mm。

为了提取多层铝板中缺陷上方多条路径的特征信号, 本文利用8个GMR (巨磁阻芯片) 设计了一种集成阵列探头:将8个GMR分为前后两排, 每排4个GMR芯片, 前后两排紧密交错排列, 1号传感器位于前排首位, 2号传感器位于后排首位, 以此类推, 探头实物如图5所示。

GMR芯片采用NVE公司生产的AA002-02E型元件, 其线性范围为± (1.5～10.5) Oe, 灵敏度为3.0～4.2mV/ (V·Oe-1) , 适合测量微弱磁场。其中, 单个芯片长度尺寸为5mm, 相邻芯片几何中心直线距离也为5mm, 整个探头扫查路径的宽度为22.5mm。探头外部采用ABS树脂外壳封装防止电磁干扰, 底部用环氧树脂薄片隔离, 避免扫查过程中传感器芯片与试件摩擦损伤。

检测系统由直流激励电路、电压电流双显模块、阵列探头、集成信号放大电路、数据采集卡以及PC组成, 系统结构如图6所示。

在直流激励作用下, 试件周围产生磁场, 利用探头提取被测区域磁场变化的模拟信号后, 经过A/D将其转化为离散的差分数字电压信号;差分信号经过放大电路处理后, 由数据采集卡采集并传输到PC端, 各通道的电压信号在PC端以波形图的形式显示。

电流的稳定性是提取高精度磁场变化电压信号的关键因素。这里采用12V直流电源给多层铝板试件提供稳恒直流电激励。为了使试件在安全电流范围内, 电路中增设了负载电阻, 利用鳄鱼夹夹在多层铝板两端, 将电流引入试件形成回路, 最终通过多层铝板试件的电流为2.3A。由于电流较小, 导体周围磁场较为微弱, 因此系统采用8个INA128型仪表放大器集成的放大模块分别对各通道数字电压信号进行放大, 相应的放大电路如图7所示。

系统采用WRA1206MD型电源模块给放大器电路提供±5V电压, 精密电位器R1的阻值为20kΩ, 通过调节R1, 使信号放大倍数为50倍。R2提供参考电位, 调节电位器R2的阻值, 可以改变信号基线位置。系统选用USB61902型数据采集卡对放大后的电压信号进行采集。采集卡的电压量程选为-10～10V, 采样时间设为500ms, 信号采集通道数选为8通道, 系统界面采用软件Visual Studio实现, 最终根据硬件设计的结果, 搭建的检测系统整体实物图如图8所示。

信号采集通道与探头中传感器编号相对应, 根据检测需要开启检测通道数量。各通道信号峰值单独显示, 主要通过波形信号的形态对缺陷进行检测。系统可以对缺陷检测结果中的波形图数据进行保存和回放, 最终根据波形信号的峰值大小和方向实现对缺陷的定量评价。

以3层薄铝板堆叠而成的多层铝板结构为检测对象, 进行探头的灵敏度测试, 每层铝板的长宽均为600mm×20mm, 表层铝板的厚度为2mm, 底部两层铝板的厚度均为1mm。采用电火花在多层铝板结构表面灯间距依次加工5种矩形槽缺陷 (图9) 。

利用阵列探头对图9中5种缺陷进行检测, 使探头处于缺陷中心线上方, 在试件表面沿电流方向从左到右水平扫查。提取一组实验信号数据并导入Matlab软件, 绘制出缺陷检测电压信号图 (图10) 。

对比各缺陷的信号幅值可以发现, 探头没有提取到缺陷1处的磁场变化, 而其他缺陷有明显的信号且信号幅值随着缺陷深度的增加而增加。该实验表明, 系统可以检测出宽1mm深0.5mm的小体积缺陷, 具有较高的灵敏度, 能防止小体积缺陷的漏检以及缺陷的误检。

为了确定阵列探头的检测范围, 利用阵列探头对缺陷4进行检测实验 (图11a) 。将阵列探头放置于试件表面进行水平扫查, 使1号传感器的扫查路径与缺陷边缘线重合[12], 沿电流方向水平移动扫查, 前排传感器探测到的电压信号如图11b所示。

检测结果显示, 1通道 (对应1号传感器) 为较小幅值的波峰信号, 3通道也为波峰信号, 幅值略大于1通道, 通道5和通道7没有明显信号。3号传感器几何中心离缺陷边缘的距离为5 mm, 即传感器可以检测到距离几何中心5mm处的磁场畸变信号。根据芯片内部结构的对称特点可以得出, 单个GMR芯片的有效检测范围为10 mm, 阵列GMR探头的检测范围是27.5 mm。阵列探头检测范围大, 能有效地防止缺陷的漏检, 提高了空间分辨率和检测效率。

为验证本文评估方法的可行性, 在直流激励、扫查方向、检测系统保持不变的前提下, 利用阵列探头对表1中缺陷4、5进行检测, 检测结果如图12所示, 其中图12a和图12b分别是对缺陷4和缺陷5检测的信号结果。

从图12a可以看出, 传感器2、6提取到幅值最小的波峰信号, 而传感器4提取到幅值最大的波谷信号。由此可以判断, 探头4的扫查路径最接近缺陷4的中心线, 且缺陷在探头2和探头6的扫查路径之间, 缺陷的长度范围为5～10 mm。从图12b得知, 传感器2、7提取到最小幅值的波峰信号, 探头4提取到最大幅值的波谷信号, 由此可以判定探头4的扫查路径最接近缺陷5的中心线, 缺陷在探头2、7的扫查路径之间, 且缺陷的长度范围为7.5～12.5mm。缺陷中心线处信号幅值最大, 越接近中心线, 传感器提取到的信号幅值越大, 而缺陷实际长度尺寸为10mm, 在缺陷长度尺寸评估的范围内, 系统能够对多层铝板中缺陷的长度尺寸和中心位置进行初步定量评价。

本文设计的GMR阵列探头具有较大的检测范围, 与普通单探头相比, 其检测范围扩大了近两倍, 同时增加了缺陷上方及周围有效特征信号的提取数量, 提高了空间分辨率。因此, 在设计阵列探头时, 可以适当增加传感器数量 (信号提取路径密度) , 进一步提高检测精度, 减小误差。系统具有较高灵敏度, 实现了缺陷中心位置和长度尺寸的初步定量化评估, 为直流测磁系统在多层导电结构中的应用提供了切实可行的方法。本研究为初步研究, 目的在于搭建系统并对缺陷长度量化的可行性进行分析, 但实际缺陷形态有多种, 且系统影响因素也并非单一, 未来会增加对不同深度、宽度以及形态缺陷的检测和研究。