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高分辨率TMR传感器阵列磁场成像涡流检测探头

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仪器仪表学报 2020年第7期41卷 45-53页

作者：张娜彭磊吴瑶陶钰上海科技大学信息科学与技术学院上海201210 中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050 中国科学院大学北京100049 9103部队青岛266000

提出了一种基于高分辨率隧道效应磁阻(tmr)传感器阵列和双排圆形三相激励线圈磁场成像的新型涡流检测探头。由相位相差120°的三相电流激励的线圈在空间上交替排列,因此对应感应涡流在导电样品中交替变化,从而宏观上产生在空间移动的涡... 详细信息

提出了一种基于高分辨率隧道效应磁阻(tmr)传感器阵列和双排圆形三相激励线圈磁场成像的新型涡流检测探头。由相位相差120°的三相电流激励的线圈在空间上交替排列,因此对应感应涡流在导电样品中交替变化,从而宏观上产生在空间移动的涡流和磁场。tmr阵列可对磁场成像检测出样品中存在的缺陷。TMR传感器阵列含64个传感器,测得的磁场图像具有0.5 mm的空间分辨率。基于压缩磁矢势方程,建立三维有限元仿真模型来研究该阵列探头的工作原理,并仿真预测该探头对不同方向和尺寸缺陷的检测图像;还制作了一个探头样机,用来检测含有人工缺陷的铝样品。结果表明该探头能有效检出不同方向的缺陷和尺寸为1 mm×0.2 mm×1 mm深的微小缺陷。

关键词：涡流检测阵列探头三相激励 TMR传感器磁场成像

基于TMR传感器的非接触式弧后电流测量研究

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基于TMR传感器的非接触式弧后电流测量研究

作者：章敏俊大连理工大学

学位级别：硕士

高压断路器在电力系统中应用的不断拓展对其开断时间、分闸稳定性、使用寿命等提出了更高要求。弧后电流是高压断路器研究中重要的评价指标,能够反映高压断路器开断过程的暂态恢复电压强度、弧后电导和弧后电荷等弧后特性。目前弧后电... 详细信息

高压断路器在电力系统中应用的不断拓展对其开断时间、分闸稳定性、使用寿命等提出了更高要求。弧后电流是高压断路器研究中重要的评价指标,能够反映高压断路器开断过程的暂态恢复电压强度、弧后电导和弧后电荷等弧后特性。目前弧后电流测量方法均属于接触式测量,包括分流器、转移电阻、二极管钳位等,对断路器分闸时刻、电阻和二极管选型要求严格,易损坏测量元件和产生高压安全隐患。与接触式测量不同,基于TMR传感器的非接触式弧后电流测量能在不接入断路器回路的前提下实现测量。本文首先阐述了基于磁传感器的电流测量理论研究,对比分析TMR传感器与Hall传感器、AMR传感器和GMR传感器的优劣势,指出TMR传感器在弧后电流测量方面的优势。根据TMR传感器的测量原理建立了电流与输出电压的数学模型,并提出了电流的黑盒模型。设计了基于TMR传感器的测量系统,包括电源模块、运放模块和传感器模块,并在Maxwell内进行电磁屏蔽装置的设计与性能仿真。其次为研究tmr测量系统的性能指标,依次开展了直流电流和交流电流试验,根据推导得到的电流数学模型得出理论电流,计算理论电流与实测电流的相对误差。直流电试验结果表明电流的正反向对测量结果没有影响,电流相对误差在4%以内,对比了不同距离下的试验结果,发现传感器与电流越近,传感器输出电压越大。交流电试验结果表明电流相对误差在5%以内,可测得最小电流为90m A。以上试验结果为弧后电流测量提供了试验基础。最后开展了弧后电流仿真和试验,在ATP-EMTP软件内对弧后电流进行仿真分析,仿真结果表明:弧后电流峰值为A级,持续时长为μs级;暂态恢复电压会影响弧后电流,在一定范围内,暂态恢复电压峰值越大,弧后电流峰值越大。搭建了弧后电流试验平台,试验用断路器为CFN-CO混合气体断路器,开断电流为1.25k A,依次在2k V至4k V暂态恢复电压下测量到了弧后电流,峰值为1.98A至4.84A不等。回路电流过零后,弧后电流在暂态恢复电压作用下先迅速增大至峰值后逐渐减小,最后趋于零,整个过程持续时长在100μs内。并与前人测量的弧后电流结果进行对比,验证了本测量系统的有效性。

关键词：高压断路器弧后电流非接触式测量 TMR传感器

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闭环电流检测模块中Z轴TMR传感器的研制

传感技术学报 2018年第2期31卷 207-212页

作者：郭彦庞振江王于波郭海平王峥王海宝北京智芯微电子科技有限公司国家电网公司重点实验室电力芯片设计分析实验室北京智芯微电子科技有限公司北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心江苏多维科技有限公司

阐述了灵敏方向垂直于芯片表面的Z轴TMR传感器的设计方法,并通过溅射镀膜及刻蚀工艺,在芯片表面电镀厚度、宽度、间距分别为为10μm、10μm、15μm的Ni Fe聚磁层,研制出了Z轴灵敏的TMR传感器。通过实际测试,该方法制备的传感器在电源电... 详细信息

阐述了灵敏方向垂直于芯片表面的Z轴TMR传感器的设计方法,并通过溅射镀膜及刻蚀工艺,在芯片表面电镀厚度、宽度、间距分别为为10μm、10μm、15μm的Ni Fe聚磁层,研制出了Z轴灵敏的TMR传感器。通过实际测试,该方法制备的传感器在电源电压为5 V时,灵敏度达到了5 m V/Oe,证明了该设计方法的正确性。利用所研制的Z轴TMR传感器,构建了闭环电流检测模块,电流测量范围为0;00 A,测量误差小于0.3%。

关键词： TMR传感器垂直灵敏聚磁结构有限元分析电流传感器

基于TMR传感器阵列的蒸汽发生器换热管检测探头设计

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仪表技术与传感器 2020年第5期 37-41,47页

作者：陶钰吕坤勇彭磊李晓光叶朝锋上海科技大学信息科学与技术学院上海201210 中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050 中广核检测技术有限公司江苏苏州215026 中国科学院大学北京100049

文中设计了一种用于核电站蒸汽发生器换热管检测的涡流探头,该探头使用高分辨率、高灵敏度的隧道效应磁阻(tmr)传感器阵列对涡流电流产生的磁场成像,通过分析磁场图像数据,来快速准确地定位换热管中存在的缺陷。文中建立了基于压缩磁矢... 详细信息

文中设计了一种用于核电站蒸汽发生器换热管检测的涡流探头,该探头使用高分辨率、高灵敏度的隧道效应磁阻(tmr)传感器阵列对涡流电流产生的磁场成像,通过分析磁场图像数据,来快速准确地定位换热管中存在的缺陷。文中建立了基于压缩磁矢势方程的有限元仿真模型,来模拟缺陷检测的物理过程;研制并测试了由磁场激励线圈、TMR传感器阵列和数据采集系统组成的实验探头,对带有缺陷的换热管样品(Inconel 690)进行了检测,观察传感器输出的电压信号变化即可直观的反应出被测样品的缺陷情况。

关键词：涡流检测传感器阵列磁场成像 TMR传感器

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基于TMR传感器的钢丝绳损伤漏磁检测研究

煤矿机械 2019年第4期40卷 37-39页

作者：朱良谭继文张义清青岛理工大学山东青岛266520

以钢丝绳损伤漏磁检测为研究背景,采用隧道磁电阻(tmr)传感器周向布置的方式检测漏磁场,根据TMR传感器的输出特性,基于仪表放大器、电压跟随器、求和电路设计了信号预处理电路。试验结果表明,TMR传感器能够在一定提离值范围内检测到钢... 详细信息

以钢丝绳损伤漏磁检测为研究背景,采用隧道磁电阻(tmr)传感器周向布置的方式检测漏磁场,根据TMR传感器的输出特性,基于仪表放大器、电压跟随器、求和电路设计了信号预处理电路。试验结果表明,TMR传感器能够在一定提离值范围内检测到钢丝绳损伤漏磁信号。

关键词：钢丝绳损伤 TMR传感器信号预处理

基于TMR传感器的矿用钢丝绳断丝缺陷检测系统

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煤矿安全 2019年第5期50卷 122-125页

作者：刘钰康爱国李良辉武潇太原理工大学物理与光电工程学院山西太原030600

设计了一种基于隧道磁电阻(tmr)传感器的矿用钢丝绳断丝缺陷检测系统。阐述了系统励磁装置,硬件电路及软件的实现过程;搭建试验平台对表面分布有5处不同程度断丝缺陷的■ mm-19×7+IWR型油性钢丝绳进行在线检测。试验结果表明系统具有... 详细信息

设计了一种基于隧道磁电阻(tmr)传感器的矿用钢丝绳断丝缺陷检测系统。阐述了系统励磁装置,硬件电路及软件的实现过程;搭建试验平台对表面分布有5处不同程度断丝缺陷的■ mm-19×7+IWR型油性钢丝绳进行在线检测。试验结果表明系统具有灵敏度高,温度稳定性好,信噪比高,体积小等优点;最小检测精度为金属断面损失0.4%的单根断丝缺陷,轴向最小分辨力达到5 mm,完全满足实际工程应用需求。

关键词：矿用钢丝绳 TMR传感器亥姆霍兹线圈漏磁场缺陷检测

基于TMR传感器阵列的钢丝绳断丝缺陷检测装置及其应用研究

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基于TMR传感器阵列的钢丝绳断丝缺陷检测装置及其应用研究

作者：刘钰太原理工大学

学位级别：硕士

钢丝绳被广泛应用于煤矿开采、港口运输、化学工业、金属冶炼、航空航天等行业。在不同工况影响下,钢丝绳易产生疲劳、损坏、变形、断丝等缺陷,其中以断丝缺陷对钢丝绳的危害最大,是最常见的失效形式。因此,准确快速地检测钢丝绳断丝缺... 详细信息

钢丝绳被广泛应用于煤矿开采、港口运输、化学工业、金属冶炼、航空航天等行业。在不同工况影响下,钢丝绳易产生疲劳、损坏、变形、断丝等缺陷,其中以断丝缺陷对钢丝绳的危害最大,是最常见的失效形式。因此,准确快速地检测钢丝绳断丝缺陷,对于减少甚至避免钢丝绳安全事故,保证生产作业中人身和财产安全具有重要意义。本文根据铁磁性材料的漏磁检测原理,针对现有钢丝绳断丝缺陷检测技术的不足,设计并完成了一种基于隧道磁电阻(tmr)传感器阵列的钢丝绳断丝缺陷检测装置。论文的核心研究内容包括:(1)建立了基于漏磁原理和等效面磁偶极子模型的断丝缺陷漏磁场计算模型,分析了漏磁场不同方向分量相对于距离的变化趋势,从理论层面为钢丝绳断丝缺陷漏磁场检测提供依据。(2)设计了一种类亥姆霍兹线圈式励磁装置,通过计算建立了励磁磁场磁感应强度分布模型并确定了励磁装置结构参数,并利用电磁场有限元仿真软件对励磁装置结构参数进行优化和验证。(3)制作了柔性TMR传感器阵列及其安装支架,提升了装置的实用性并使其检测范围覆盖到轴向和周向两个维度。(4)完成了漏磁信号处理电路的设计、器件选型及调试工作;编写了基于Qt的钢丝绳断丝缺陷检测装置的上位机程序。(5)搭建实验测试平台,测试装置重要性能参数,之后对一根表面分布有不同程度断丝缺陷的油性钢丝绳进行检测。实验结果表明:装置具有很高的灵敏度和信噪比;TMR传感器阵列各阵元一致性良好;最小检测精度为金属断面损失0.4%的单根断丝缺陷;轴向最小分辨距离达到5mm,充分验证了装置的有效性和实用性。

关键词：钢丝绳 TMR传感器断丝缺陷漏磁检测

直流偏置下基于基波的磁屏蔽斩波式TMR传感器研究

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直流偏置下基于基波的磁屏蔽斩波式TMR传感器研究

作者：李佳旭华中科技大学

学位级别：硕士

隧道磁电阻(tmr)传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低等优点,在医疗诊断、无损探伤、微纳卫星等领域具有广阔的应用前景。但它的低频噪声较大,限制了分辨率的提高。为此,国内外围绕TMR传感器研究了多种降噪技术,主要包括:增加传感器桥... 详细信息

隧道磁电阻(tmr)传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低等优点,在医疗诊断、无损探伤、微纳卫星等领域具有广阔的应用前景。但它的低频噪声较大,限制了分辨率的提高。为此,国内外围绕TMR传感器研究了多种降噪技术,主要包括:增加传感器桥臂的磁电阻单元个数、利用Sigma-Delta调制电路降低传感器的输出噪声、斩波调制传感器周围的磁场而后解调斩波信号。其中,磁屏蔽斩波降噪技术无需改变传感器的器件结构,且具有信号调理电路简单的优点。现有的磁屏蔽斩波降噪主要利用二次谐波法提取磁信号,本文通过研究发现,施加直流偏置磁场后,基于基波检测的传感信号灵敏度高于二次谐波,且降噪能力更好,这对设计高分辨率TMR传感器具有指导意义。首先,设计了针对TMR传感器的基波式磁屏蔽斩波测量系统:将传感器置于软磁材料制作的微小磁屏蔽筒内,沿圆筒轴向施加带有直流偏置的交变电流,从而在壁内产生单向环路磁场,通过控制电流大小使软磁材料每周期单次过饱和,由于屏蔽系数周期变化导致筒外低频磁场被调制成筒内高频磁场,这样TMR传感器的测量信号和低频噪声实现了频率分离,再利用解调电路可还原出低频磁场信号并抑制传感器的低频噪声。为进一步阐明该系统的工作机理,采用电磁学方法建立了磁屏蔽斩波式TMR传感器的信号输出模型。接着设计了磁屏蔽斩波测量系统的调制解调电路,其基于锁相放大原理实现,具体包括信号激励、前置放大、带通滤波、相敏检波和低通滤波五个电路模块。为了验证基波式磁屏蔽斩波测量系统的降噪能力,本文针对实验用TMR传感器及其调制解调电路各模块,建立了噪声等效模型。通过分析TMR传感器的热噪声、散粒噪声和1/f噪声,计算了传感器本底噪声;通过分析元器件噪声和放大电路噪声系数,计算得到调制解调电路噪声。仿真结果显示,磁屏蔽斩波式TMR传感器噪声低于调制前传感器本底噪声,并且基于基波检测的斩波测量系统降噪能力强于二次谐波,这表明施加直流偏置可以提高磁屏蔽斩波测量系统的降噪性能。本文制作了微小磁屏蔽筒和焊有TMR传感器的调制解调电路板,并将二者装入加工的壳体内进行封装。利用实验室的磁传感器测试平台,对磁屏蔽斩波测量系统进行了测试研究。首先,测试了磁屏蔽筒剩磁对测量系统的影响,发现它会增大零偏,实验结果表明通过消磁方法抑制剩磁可解决该问题;其次,理论分析了偏置电流幅值、交变电流幅值、交变电流频率和屏蔽筒壁厚对测量系统的影响,并通过实验方法进行了验证;最后,针对单轴传感器tmr2102和三轴传感器tmr2305M,测量了优化后磁屏蔽斩波系统的灵敏度、线性度及噪声特性。结果表明:(1)对于tmr2102,基于基波检测的信号灵敏度是31.5V/T,线性度优于1%,噪声特性为4.07nT/(?)@1Hz,相比无调制时噪声降低了 80%;而基于二次谐波检测的信号灵敏度是5.71V/T,线性度优于1%,噪声特性为12.56nT/(?)@1Hz,相比无调制时噪声降低了 53%。(2)对于tmr2305M,在基波检测的情况下,X轴降噪效率为56%,Y轴降噪效率为77%,Z轴降噪效率为78%。上述测试结果证实,磁屏蔽斩波测量系统实现了降噪功能,且基于基波检测的降噪效果优于二次谐波,径向斩波的降噪效果优于轴向斩波。

关键词： TMR传感器降噪磁屏蔽斩波直流偏置基波检测

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基于tmr磁传感器的无损检测技术研究

基于TMR磁传感器的无损检测技术研究

作者：沈铭鸿苏州大学

学位级别：硕士

无损检测技术作为当代的一门重要检测技术,可以对不同材料表面以及近表面进行检测,判断材料是否存在缺陷,并且能够准确的定位出缺陷的位置以及得到缺陷的形状大小等参数,在许多领域都扮演着极其重要的角色,尤其是在重工业中。漏磁检测... 详细信息

无损检测技术作为当代的一门重要检测技术,可以对不同材料表面以及近表面进行检测,判断材料是否存在缺陷,并且能够准确的定位出缺陷的位置以及得到缺陷的形状大小等参数,在许多领域都扮演着极其重要的角色,尤其是在重工业中。漏磁检测技术作为无损检测技术的一种重要检测方式,应用十分广泛。在漏磁检测领域中,对于缺陷的定量分析一直是热门话题,为了提高检测灵敏度,更好的完成定量分析,本文选择隧道磁阻(Tunnel Magneto Resistance,tmr)传感器来完成漏磁信号的采集。TMR传感器具有高灵敏度、低功耗等特点,对微弱的磁场变化同样能够具有较好的输出曲线,随后通过数字滤波的方式对采集到的信号进行预处理,分析漏磁场水平分量Bx与垂直分量By的空间分布规律,提取两者的Bx分量峰值与By分量的峰峰值作为特征量。在Comsol软件下建立相应的缺陷模型,分析不同几何尺寸下缺陷的漏磁场水平分量Bx和垂直分量By的特征,并分析这两者与缺陷几何尺寸的量化关系。同时研究了提离值与漏磁场分量的影响,而在实际检测中检测探头与被测试件表面总会存在一定距离,本文通过构造圆孔形周期结构,使探测点的磁场进行耦合,增强探测点的磁场信号。通过仿真结果分析可以发现,当提离值达到3mm时,会产生一个磁场强度最大值,并且当所构造的周期结构半径达到5mm时,磁场强度达到最大,将此结构运用到实际的检测探头的设计中,将会大大提高检测灵敏度。最后通过本文中的漏磁检测装置对金属试件进行检测,并进行定性、定量分析,对缺陷的几何特征与漏磁场分量之间的关系曲线进行拟合,实验结果证明了仿真模型和结果分析的准确性。

关键词：漏磁检测 TMR传感器检测灵敏度