基于GMR效应的金属磁记忆检测方法与应用

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近年来，金属磁记忆检测技术在无损检测领域蓬勃发展，在工程制造业、石油化工和航空航天等工程实践中有着广泛的应用，并取得了巨大的经济效益。

磁记忆检测技术是利用处于地磁场中的铁磁性构件受工作载荷作用时，构件的磁性能在应力和变形集 中区内产生不可逆转 的重新 取 向，在其表 面产生漏磁场 ，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场法向分量H (，)的变化 。当检测系统检测到试样的损伤部位时，试样表面漏磁场法向分量 日 (Y)出现过零点特征 ，磁记忆检测可以有效地应用于铁磁性材料的损伤检测 。在 实际 的检测 应用 方面 ，DUBOV等收稿 日期：2012-05 Received Date：2012-05基金项目：国家 自然科学基金(50905052)、博士点新教师基金(2009011l120007)资助项目242 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷人 把磁记忆技术应用于蒸汽管道 、石油管道 、钻具等设备的损伤检测。

然而目前常用的传感器为自制线圈或常规磁阻传感器，在检测精度上存在不足 。1988年，BAIBIEH发现磁有序材料在-定的结构和外磁场下，其电阻会随着外磁场的改变而发生 巨大变化，称其为巨磁电阻(giantmagneto resistive，GMR)效应 。巨磁电阻效应 的发现为开发具有高稳定性 、高灵敏度、高分辨率、响应速度快、低功耗的磁传感器提供 了新思路。GMR效应现已发展到在室温、微弱磁场变化情况下可观察到的程度；GMR磁传感器也在快速发展，不但继承了传统磁传感器的优点，而且由于 GMR磁传感器的电阻变化率大，能够探测微弱磁场，扩大了磁传感器的测量范围和应用面，其检测灵敏度要比常规磁电阻传感器高出1～2个数量级，并且在工作过程中具有 良好 的线性度和温度稳定性 。

GMR磁传感器在位移与速度检测、生物医学、铁磁性构件探伤等领域中都已有应用 。

将 GMR效应引入到金属磁记忆检测中，通过基于GMR磁传感器检测铁磁性构件表面漏磁场法 向分量H (Y)，对铁磁性构件的暗伤进行定量化、高精度的检测和识别。

2 基于 GMR效应磁传感器检测原理基于 GMR效应磁传感器的磁记忆检测系统是通过自旋阀GMR效应磁传感器构成的检测探头检测试样的磁记忆信号法向分量Hp(y)。检测系统原理如图1所示。

图 1 系统检测原理Fig.1 Principle of the testing system探头由自旋阀 GMR效应磁传感器构成，通过磁传感器检测磁记忆信号法向分量日 (Y)的变化，产生电压信号输出，并通过信号转换电路和处理器电路传输到上位机。GMR效应磁传感器由4个阻值均为R的巨磁电阻构成惠斯通电桥 ，其中R 、 用屏蔽层隔离 ，如图2所示。该系统具有温度漂移小的特点。当外部磁场变化时，隔离电阻 、R，阻值大小不变，尺 、尺 的阻值变化量为 AR，电桥产生-对差分 电压输 出，分别为0和 -。

图2 GMR传感器工作原理Fig.2 Operating principle of the GMR sensor3 检测系统硬件设计3.1 硬件方案磁记忆检测系硬件结构如图 3所示，主要包括电源拈、信号调理与转换拈、处理器控制拈、探头控制拈和通信拈。采用 GMR效应磁传感器和差分放大器构成的检测探头电路，获取 H (Y)，经过升压处理和低通滤波器对获取的信号进行放大、滤波～信号调整至0～5 V范围内，输送到 A/D转换器 ADS8364中转换成数字信号，然后由 DSP2407处理器控制拈读写到SRAM芯片中- ；兰 ≥步 进T3PWM 至电机DS最小系统星20LF，dn7A0 L 电源拈 ： S ～M - ：。

：U RS2 ∽ V 5 --r5 2 l惩 --- 0 -通信模图3 系统硬件结构Fig.3 The hardware structure of the testing systemGMR效应磁传感器检测试样时，输出-对差分电压信号 0-和 o。如图4所示， 0-和 由差分放大器 AD620进行差分放大，通过-款精密的电位器尺 来调节 AD620的放大倍数，串联 的 100 Q 电阻 。

用来防止差分放大器对信号过压放大 ，然后通过信号调理 电路 将 电压 调理 到 0～5 V。由 A/D转 换 器ADS8364对调理的信号进行模数转换 ，其工作时钟频率设置为2 kHz，转换频率为 100 Hz。处理器控制拈第 2期 黄海鸿 等 ：基于 GMR效应的金属磁记忆检测方法与应用 243由 DSP2407处理器芯片构成，外部拓展 64 K×16 b的SRAM存储器 ，以扩大系统的存储空间和仿真器对系统的仿真调试所需的存储空间。通过处理器输出 A/D转换器工作信号和缺陷定位拈中步进电机的工作信号。通信拈中，检测系统与上位机 PC之间的通信采用 RS232模式 ，传输速率设置为 9 600 bit/s。

图4 检测探头与信号调理电路Fig.4 Circuit of testing probe andsignal conditioning采用超小型尺寸和 SOP8封装的自旋阀 GMR效应磁传感器 ，其检测范围为 ±0.4 mT，分辨率为 22 nT，灵敏度为27.6 mV/mT。信号调理电路的放大倍数取 200倍。则 系 统 的 检 测 范 围 为 ±320 A/m，分 辨 率 为0.017 6 A/m，灵敏度为 6.9 mV/(A·m。。)。因此 ，输出信号的电压变化范围为0.12 mV～4.42 V，输出端信号的标定方程为 ：l6位 A/D转换器采用单端电压输入，其分辨率为0.076 3 mV，小于检测信号的最低输出电压，所以硬件电路能够精确检测 日 (Y)。

3.2 软件方案系统的主控程序流程如图 5所示 ，系统处理器中的参数和外设初始化之后 ，首先采集背景干扰磁场的参考值 ，在获取指令 2后同时启动数据采集程序 和电机运转控制程序 ，然后将采集的数字 Hp(Y)信号去噪，获得信号 (n)，并进行自适应数字滤波，最后将滤波后的数据 Y(n)通过串行 口拈传输给上位柳 PC。

图5 主控程序流程图Fig.5 Flow chart of main control program4 信号处理与分析对采集的信号 (y)进行平滑、滤波运算，去除背景噪声 。首先基 于 LMS的 64阶 自适应滤波器对( )进行数字滤波运算，算法如下：for(/20；n<Ⅳ；/2十).)，(n) ( ) (n- (2)P(/2)d(n)-Y(/7，)(n1)W(n)H·P(n)· (n)式中：N64，n为自变量， (n)为 自适应滤波器的输入矢量，Y(n)为自适应滤波器的输出矢量，d(n)为采集的数字信号，e(n)为误差， (k)为滤波系数值， 为收敛因子 。

日 (Y)的梯度值计算如下：K(n)1日 (n1)-Hp(n)/AL I (3)式中：△ 为-个数据采集周期内传感器探头移动的水平距离，日 (n)和 日。(n1)分别为前后两次采集 的电压值。

对-件预制暗伤的试样进行检测，检测探头采用单通道，沿工件中心线，通过步进电机带动检测探头，从起始线匀速运动到终点线，获得工件的磁 信号如图6所示。

0 100 200 300 400 500 600采集点数(a) ∽原检测波形(a)Original detecting waveform (y)仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷4O乏迥2O坚采集点数(b)滤波器去噪后的 )(b)Rejector denoising waveform of )预制暗伤部位采集点数(c) )梯度值 )(c)The gr adient ")of )图6 试样检测波形Fig.6 Testing waveform of the sample从图6可知：在检测 到试样 的预制暗伤部位时，日 (Y)出现过零跳变，且其梯度值K(n)出现极值。因此基于 GMR效应建立的磁记忆信号检测系统可以有效地检测出试样的暗伤部位。

通过对滤波前后的日 (Y)频谱进行分析，确定H (Y)的频率分布情况和滤波器的滤波性能。检测系统的数据采集频率为 100 Hz，对其进行 DFT变换，如式(4)所示 ：Ⅳ-X(k)E (n) ，k0，1，，N-1 (4)0原检测获取的信号日 (Y)在经过前期电路中的低通滤波和处理器中的数字平滑计算之后，去除大部分的高频信号，如图7中原检测信号频谱图所示，H (Y)的频谱主要分布在0附近，经过自适应滤波运算之后，进-步的去除信号的高频噪音，高频噪音完全去除。由此说明：GMR磁传感器检 测日 (Y)产生的电压信号为直流电压信号，且采用 64阶 自适应滤波算法能够有效的去除H (Y)的噪音信号。

频率/Hza1原检测信号频谱图(a)Frequency spectrum oforiginal signal频率/Hz㈣ 滤波后信号频谱图(b)Frequency specturum of filtering signal图7 信号频谱分析Fig.7 The frequency spectrum of testing signal5 实验研究实验试样选用某汽车车桥板材(510 L)，板厚 6 mm，如图8所示 ，取样方法按照 GB/T 2975-1998规定的位置、方向、状态、方法、加工余量的要求进行。试样的形状按照 GB/T 228-2002的要求进行制备，试样在中心线位置加丁-对对称的 U形口，以定位拉伸实验时产生的疲劳损伤部位。取5件相同的试样，标号为 1，2，3，4，5，并在试样上标记 3条检测线路。

图 8 试样加T形状/ramFig.8 Shape and dimension of the sample对5个试样进行感应退磁处理 ，以消除加工等杂散磁信号的影响。分别在 MTS810型液压伺服疲劳试验机上进行拉伸实验，拉伸速度 10-mm/s，载荷传感器精度优于0.5%，静态载荷误差 ±0.5%。检测过程中保持GMR传感器探头高度不变，探头移动方向沿试样检测线路水平移动，移动速率 25 mm/s。

材料 510 L的应力应变曲线见图 9。磁记忆信号日 (Y)检测结果如图 10所示。试样 1在弹性阶段 内拉伸，其磁记忆信号近似-条斜直线，在此阶段无疲劳损伤；试样 2、3、4、5分别拉伸到屈服阶段、强化阶段、抗拉强度阶段、颈缩阶段时，检测出的磁记忆信号产生过零点，并且在过零点处梯度值出现极大值，其值大小如表 1所示，在颈缩阶段相较前 4个阶段产生的K值最大；因此在屈服阶段、强化阶段、抗拉强度阶段、颈缩阶段时，试样在中心线位置有疲劳损伤，而在颈缩阶段产生的应力集中程度要比之前的阶段大，因此颈缩阶段的损伤程度最大图9 应力-应变曲线Fig.9 Stress-strain CHIVe第 2期 黄海鸿 等：基于 GMR效应的金属磁记忆检测方法与应用 245采集点数(a)试样1拉伸至弹性阶段(a)Stretching to elastic stage for sample 1采集点数(b) 试样2拉伸至屈服阶段(b)Stretching to yield stage for sample 2采集点数(c) 试样3拉伸至强化阶段(c)Stretching to strengthen stage for sample 3采集点数(d)试样4拉伸至颈缩阶段(d)Stretching to necking stage for sample 4采集点数(e)试样5拉伸至抗拉强度阶段(e)Stretching to tensile strength stage for sample 5图 10 拉伸实验之后的 (y)波形横坐标：数据采集点数 ；纵坐标 ： (y)/(A·m )Fig.10 (Y)waveform of tensile testing Abscissa：Datacollection points，Ordinate： ( )/(A·Il )表 1 过零点K值(A/m.mil1)Table 1 K value of zero crossing point(A/m.mm)6 结 论引入-种基于巨磁电阻效应的磁传感器检测金属磁记忆信号法向分量H (Y)的检测方法，构建基于 GMR效应磁传感器的金属磁记忆信号检测系统，该系统能够有效的检测出 (Y)，检测系统灵敏度达到6.9 mV/(A·m )；通过信号频域分析得出，64阶自适应滤波算法能够有效地去除(Y)的噪音信号，且通过GMR效应磁传感器检测获取的(Y)为直流电压信号；实验表明，基于GMR效应的磁传感器可以有效地检测出铁磁l生构件的疲劳损伤部位，并通过 K值的大小定量表征构件的疲劳损伤程度。