基于ugn3503u线性霍尔传感器的磁敏传感器阵列

基于ugn3503u线性霍尔传感器的磁敏传感器阵列

ugnet3503u线性霍夫传感器是一种广泛使用的磁敏组件。它具有高的检测灵敏度（分辨率为10-5）、高线性度和低输出损失率，尤其适用于测量技术。UGN3503U的测量区域约为9mm2,常用于点测或小区域磁场的精密测量。在长输管道、油罐底部等大型设备的漏磁探伤中,由于检测面积较大,用磁敏区域较小的UGN3503U进行测量,虽然可以提高缺陷的定位精度和缺陷特征的识别,但会使信号处理通道成倍增加,从而造成成本大幅度提高并且使可靠性降低。以长输管道的漏磁爬行器为例,直径ϕ720mm的管道,用UGN3503U沿管道内圆周均匀交错排列需要720个,相当于每个圆周度2个,如果每个UGN3503U用一个独立的信号处理通道,以国内现有的制造工艺几乎无法实现;因此用多个UGN3503U共用一个信号处理通道是解决该问题的唯一方法,这相当于将单个传感器的检测面积增大。由于UGN3503U是有源器件,多个UGN3503U无法直接进行简单的信号连接,用多个UGN3503U在外部进行有源连接时,导线数目繁多,并且由于UGN3503U内阻的影响会使单位面积的测量灵敏度成倍下降,因此必须适当放大信号给以补偿。由于信号自各UGN3503U到达测量仪器过程中不可避免地要引入较强的噪声干扰,从而造成整个测量系统的信噪比大幅度下降。以下介绍基于UGN3503U的磁敏传感器阵列将多个UGN3503U组合制成模块形式,内部采用特殊电路对测量灵敏度进行补偿和电平调理,该阵列模块由单电源供电,外特性保持与UGN3503U基本一致,测量区域扩大数倍,单位面积上的测量灵敏度达到或略高于单个元件。该模块抗冲击震动,适于现场使用,且使系统的信号处理通道数大大降低,从而使漏磁爬行器测量系统成本大幅度降低并使可靠性得到提高。1阵列结构组成磁敏传感器阵列由UGN3503U传感器阵、有源加法器、电位悬浮电桥、增益调整和射极输出级等部分组成,用树脂胶整体灌封构成有源器件模块,单电源电压5V。阵列结构见图1。系统由若干磁敏传感器UGN3503U组成传感器阵列,电阻R和运算放大器IC组成有源加法器,用于各UGN3503U输出信号的不失真汇聚;三个电阻组成的电位悬浮电桥用于消除UGN3503U静态输出电压的影响,便于提取动态信号;另三个电阻和IC组成的增益调整电路,用于增强动态信号幅度,提高测量灵敏度;射极输出级用于提供低阻输出,以提高信号传输的抗干扰程度。零磁场下模块输出电压(静态输出电压)为电源电压的二分之一。2u3000相对运动缺陷的动态测量漏磁法探伤是通过检测被磁化金属表面溢出的漏磁通来判断金属是否存在内部或表面缺陷。当金属材料内部存在缺陷时,由于磁通量面积减小,金属内部的磁场有向外部释放的趋势;如表面存在缺陷,由于磁感应强度的折射作用,接近金属表面的内部磁力线将以一定角度溢出表面形成漏磁场,漏磁场的强度与表面缺陷的深度近似成线性关系,即H(x,y,z)∝h2χmμ0H0k(x,y,z,h,l,w)(1)Η(x,y,z)∝h2χmμ0Η0k(x,y,z,h,l,w)(1)式中H(x,y,z)——漏磁场的强度h——缺陷深度χm——材料的磁化率μ0——真空磁导率μ0=4π×10-7H/mH0——磁化场强度k(x,y,z,h,l,w)——与坐标有关的缺陷几何参数由于受磁感应强度折射的影响,漏磁场以一定角度溢出金属表面后,跨过缺陷重新入射到材料内部,使外泄磁场呈“钟”形轨迹,其中漏磁场的磁感应强度垂直分量(法向分量)By最大值与出射角度θ0有关。漏磁场检测时,霍尔器件平贴于金属表面,当金属材料与霍尔器件在垂直于缺陷方向的水平方向有相对运动时,穿过霍尔传感器的漏磁场法向分量将产生交变的霍尔电势UU=KBlcosφ(2)U=ΚBlcosφ(2)式中K——霍尔传感器输出电压灵敏度Bl——材料表面漏磁场的磁感应强度φ——漏磁感应强度与霍尔器件法线的夹角将式(2)对时间求导得霍尔电势随时间的变化率dUdt=Kd(Blcosφ)dt=Kd(Blcosφ)dxdxdt=−KvBlsinφdφdx(3)dUdt=Κd(Blcosφ)dt=Κd(Blcosφ)dxdxdt=-ΚvBlsinφdφdx(3)由于φ=90°-θ,-90°<θ<90°,则U=KBlsinθ(4)dUdt=KvBlcosθdθdx(5)U=ΚBlsinθ(4)dUdt=ΚvBlcosθdθdx(5)式中θ——漏磁感应强度与霍尔器件运动方向x的夹角v——金属材料与霍尔器件的相对运动速度dθ/dx——缺陷宽度范围内漏磁感应强度水平夹角沿缺陷宽度方向(x方向)的梯度对于较窄缺陷,在缺陷宽度范围内dθ/dx基本为常数,令K1=dθdxΚ1=dθdx,且缺陷宽度越窄,K1越大。在材料表面漏磁场出射处,θ为出射角θ0,此时产生的霍尔电势达到最大值Umax=KBlsinθ0(6)Umax=ΚBlsinθ0(6)在θ=0处,霍尔电势随时间变化率达到最大dUdt∣∣max=KK1Blv(7)dUdt|max=ΚΚ1Blv(7)由式(4)和(7)可见,当霍尔传感器扫过缺陷时,由漏磁场法向分量产生的霍尔电势基本呈正弦变化,霍尔电势随时间的最大变化率与缺陷窄度和运动速度成正比。在动态测取缺陷信号并进行数据采集处理时,应根据式(7)合理选择微分电路参数和数据采集系统的采样频率。图2显示在磁化场强度H0=3300A/m条件下,长输管线专用高强度X60钢板(厚8mm,长400mm,宽50mm)的动态测试结果,人工缺陷为内壁N5(宽0.5mm,深度为壁厚的5%)、外壁N10(宽0.5mm,深度为壁厚的10%)刻槽及ϕ1.5和ϕ6mm穿孔。实验过程通过计算机数据采集系统实现。测量装置由阵列模块、实验架、钕铁硼永磁体(30mm×30mm×10mm)、软磁轭铁、X60钢板、毫秒计、微分电路和计算机数据采集系统组成(图3)。图3中钕铁硼永磁体、软磁轭铁组成U型磁铁,对钢板进行磁化,阵列模块安装在实验架上紧贴于钢板表面,实验架通过手动丝杠带动阵列模块沿钢板表面滑动。当模块经过缺陷时,实验架上的U型挡片通过缺陷附近的光电门控制毫秒计开始计时和停止,由此计算出模块经过缺陷时的运动速度,从而确定微分电路参数和数据采集系统的采样频率;微分电路用于消除U型磁铁磁极产生的漏磁对磁敏传感阵列输出的影响,提高钢板缺陷漏磁信号的信噪比。采用C语言编程,在钢板与阵列模块的相对运动速度为10cm/s条件下软件延时控制采样频率为240Hz,采集的数据用Matlab软件进行分析处理并绘制出信号波形图。由于刻槽与穿孔产生的表面漏磁场分布不同,其中刻槽缺陷的漏磁场呈单峰状,穿孔的漏磁场呈双峰状,在经过微分电路处理后,刻槽与穿孔产生的缺陷信号方向刚好相反,但信号的信噪比均>10,其中ϕ6mm穿孔的信噪比达到80,因此用磁敏传感器阵列模块作为金属缺陷的漏磁检测非常适用。3速度合理设计UG