漏(lou)磁(ci)場有兩種拾(shi)取(qu)方(fang)法(fa)，既可以(yi)測(ce)量漏(lou)磁(ci)感應強度的絕(jue)對值，也(ye)可以(yi)測(ce)量漏(lou)磁(ci)感應強度的梯度值。
磁場(chang)(chang)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)作用是將(jiang)磁場(chang)(chang)轉換(huan)為(wei)電(dian)信號。按原理(li)可分為(wei)體效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)元件(jian)(jian)、面效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)元件(jian)(jian)、P-N節注入(ru)和表(biao)面復合效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)元件(jian)(jian)、量(liang)子效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)元件(jian)(jian)、磁致伸(shen)縮效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)元件(jian)(jian)和光(guang)纖磁傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)等。磁場(chang)(chang)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)都是建立在各(ge)種效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)和物理(li)現(xian)象的(de)基(ji)礎之(zhi)上的(de)，表(biao)3-1給出了不(bu)同種類磁場(chang)(chang)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)測(ce)量(liang)范(fan)圍，它們(men)的(de)敏感(gan)范(fan)圍差(cha)異較大。在具體應(ying)(ying)(ying)(ying)用過程中(zhong)，需要根(gen)據測(ce)量(liang)對象的(de)特點來選擇適合的(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)。
在不銹鋼管漏磁檢測中，常使用的有下列幾種磁敏傳感器。
1. 各向(xiang)異性磁阻(zu)傳感器
各向(xiang)(xiang)異性磁阻(zu)(zu)傳感(gan)器(qi) AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉積在(zai)硅片上(shang)的(de)坡(po)莫合(he)金（Ni80Fe20）薄膜形成電阻(zu)(zu)，沉積時(shi)(shi)外加磁場，形成易(yi)磁化(hua)軸(zhou)(zhou)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)。易(yi)磁化(hua)軸(zhou)(zhou)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)是(shi)指各向(xiang)(xiang)異性的(de)磁體能(neng)獲得(de)最(zui)(zui)佳磁性能(neng)的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)，也就是(shi)無外界磁干(gan)擾時(shi)(shi)磁疇整齊排列的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)。鐵磁材料(liao)的(de)電阻(zu)(zu)與電流和(he)磁化(hua)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)夾角有關(guan)，電流與磁化(hua)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)平行時(shi)(shi)電阻(zu)(zu)R最(zui)(zui)大(da)，電流與磁化(hua)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)垂直時(shi)(shi)電阻(zu)(zu)Rmin最(zui)(zui)小(xiao)，電流與磁化(hua)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)成0角時(shi)(shi)，電阻(zu)(zu)可表示(shi)為
R=Rmin+(Rmax-Rmin)cos2θ (3-2)
在磁(ci)阻(zu)傳(chuan)感器中(zhong)，為(wei)了(le)消(xiao)除溫度等(deng)外(wai)(wai)界因素對輸(shu)出(chu)的(de)影(ying)響，一般(ban)由4個相同(tong)的(de)磁(ci)阻(zu)元件構成惠(hui)斯通電(dian)橋(qiao)。理論(lun)分(fen)析與實踐(jian)表明，采用45°偏(pian)置磁(ci)場(chang)，當沿(yan)與易磁(ci)化軸(zhou)垂直(zhi)的(de)方向施(shi)加外(wai)(wai)磁(ci)場(chang)，且外(wai)(wai)磁(ci)場(chang)強度不太(tai)大時(shi)，電(dian)橋(qiao)輸(shu)出(chu)與外(wai)(wai)加磁(ci)場(chang)強度呈線性關系。
2. 磁通門
磁(ci)(ci)(ci)通(tong)門傳感器(qi)又稱為磁(ci)(ci)(ci)飽和式磁(ci)(ci)(ci)敏傳感器(qi)，它(ta)是利用(yong)某些高磁(ci)(ci)(ci)導(dao)率的軟磁(ci)(ci)(ci)性(xing)(xing)材料（如坡莫合金）做磁(ci)(ci)(ci)心，以(yi)其在交直(zhi)流磁(ci)(ci)(ci)場(chang)作用(yong)下的磁(ci)(ci)(ci)飽和特性(xing)(xing)以(yi)及(ji)法拉第(di)電磁(ci)(ci)(ci)感應原理研制的磁(ci)(ci)(ci)場(chang)測量裝置。
這種磁(ci)(ci)(ci)敏傳感器的最大特(te)點(dian)是適合測量零磁(ci)(ci)(ci)場(chang)附近的弱磁(ci)(ci)(ci)場(chang)。傳感器體積(ji)小，重量輕，功耗(hao)低，不(bu)受磁(ci)(ci)(ci)場(chang)梯度影響，測量的靈敏度可達(da)0.01nT，并且可以和磁(ci)(ci)(ci)秤混(hun)合使用(yong)。該裝置已普遍應用(yong)于(yu)航空、地(di)面、測井等方面的磁(ci)(ci)(ci)法勘探工作中。在軍事上，也可用(yong)于(yu)尋找地(di)下武器（炮彈、地(di)雷等）和反潛。還可用(yong)于(yu)預報天然地(di)震(zhen)及空間(jian)磁(ci)(ci)(ci)測等。
3. 巨磁(ci)阻元件
物質在(zai)(zai)一定磁(ci)場作用(yong)下(xia)(xia)電(dian)(dian)阻(zu)發(fa)生(sheng)改變的(de)(de)現象，稱為磁(ci)阻(zu)效(xiao)(xiao)應。磁(ci)性(xing)金屬和(he)合金材(cai)料(liao)(liao)一般(ban)(ban)都有(you)這種現象。一般(ban)(ban)情況下(xia)(xia)，物質的(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)率在(zai)(zai)磁(ci)場中僅(jin)發(fa)生(sheng)微(wei)小(xiao)(xiao)的(de)(de)變化，但在(zai)(zai)某種條件下(xia)(xia)，電(dian)(dian)阻(zu)變化的(de)(de)幅度(du)相(xiang)當(dang)大，比通常情況下(xia)(xia)高十(shi)余倍，稱為巨磁(ci)阻(zu)效(xiao)(xiao)應（GMR）。這種效(xiao)(xiao)應來自(zi)于(yu)載(zai)(zai)流電(dian)(dian)子的(de)(de)不(bu)同自(zi)旋(xuan)狀態與磁(ci)場的(de)(de)作用(yong)不(bu)同，因而導致電(dian)(dian)阻(zu)值的(de)(de)變化。GMR是一個量子力學效(xiao)(xiao)應，它是在(zai)(zai)層(ceng)(ceng)狀的(de)(de)磁(ci)性(xing)薄(bo)膜結(jie)構中觀(guan)察到的(de)(de)，這種結(jie)構由鐵(tie)磁(ci)材(cai)料(liao)(liao)和(he)非磁(ci)材(cai)料(liao)(liao)薄(bo)層(ceng)(ceng)交替(ti)疊合而成。當(dang)鐵(tie)磁(ci)層(ceng)(ceng)的(de)(de)磁(ci)矩相(xiang)互(hu)平(ping)(ping)行時，載(zai)(zai)流子與自(zi)旋(xuan)有(you)關(guan)的(de)(de)散射(she)最小(xiao)(xiao)，材(cai)料(liao)(liao)有(you)最小(xiao)(xiao)的(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)。當(dang)鐵(tie)磁(ci)層(ceng)(ceng)的(de)(de)磁(ci)矩為反向(xiang)平(ping)(ping)行時，與自(zi)旋(xuan)有(you)關(guan)的(de)(de)散射(she)最強(qiang)，材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)最大。
構成(cheng)GMR磁(ci)頭和(he)傳感(gan)器(qi)的(de)(de)核心元件是自(zi)旋閥(fa)（spin valve）元件。它的(de)(de)基(ji)本(ben)結構是由(you)釘扎(zha)磁(ci)性層(ceng)（如Co）、Cu間隔(ge)層(ceng)和(he)自(zi)由(you)磁(ci)性層(ceng)（如NiFe等易磁(ci)化(hua)(hua)層(ceng)）組成(cheng)的(de)(de)多層(ceng)膜。由(you)于釘扎(zha)磁(ci)性層(ceng)的(de)(de)磁(ci)矩(ju)與自(zi)由(you)磁(ci)性層(ceng)的(de)(de)磁(ci)矩(ju)之(zhi)間的(de)(de)夾角發生變(bian)化(hua)(hua)會(hui)導(dao)致(zhi)SV-GMR元件的(de)(de)電(dian)(dian)阻值改變(bian)，進(jin)而(er)使輸出電(dian)(dian)流發生變(bian)化(hua)(hua)。運用SV-GMR元件的(de)(de)磁(ci)傳感(gan)器(qi)，其檢(jian)測(ce)(ce)靈敏(min)度比使用MR元件的(de)(de)高(gao)幾個數量(liang)級，更容易集(ji)成(cheng)化(hua)(hua)，封裝尺寸更小，可靠性更高(gao)。它不僅(jin)可以(yi)(yi)取(qu)代以(yi)(yi)前的(de)(de)MR傳感(gan)器(qi)，還可以(yi)(yi)制(zhi)成(cheng)傳感(gan)器(qi)陣列(lie)，實現智能化(hua)(hua)，用來表述(shu)通行車輛(liang)(liang)、飛(fei)機機翼、建筑防(fang)護(hu)裝置或管道系統中(zhong)隱蔽缺(que)陷的(de)(de)特征，跟蹤(zong)地磁(ci)場(chang)的(de)(de)異常現象等。當(dang)前，GMR傳感(gan)器(qi)已在液(ye)壓氣缸(gang)位(wei)置傳感(gan)、真假紙幣識別、軸承編碼、電(dian)(dian)流檢(jian)測(ce)(ce)與控制(zhi)、旋轉位(wei)置檢(jian)測(ce)(ce)、車輛(liang)(liang)通行情況檢(jian)測(ce)(ce)等領域得到應(ying)用。
4. 霍爾(er)元件
霍爾元(yuan)件在(zai)漏(lou)磁(ci)檢測中(zhong)應用(yong)較為廣泛。霍爾元(yuan)件是由半導體材料制成的(de)一種晶(jing)(jing)體。當給晶(jing)(jing)體材料通以電流并置于磁(ci)場之(zhi)中(zhong)時(shi)，在(zai)晶(jing)(jing)體的(de)兩面就會產生電壓(ya)，電壓(ya)的(de)大(da)小與(yu)磁(ci)場強度成正(zheng)比關系。
固體(ti)(ti)導(dao)電(dian)材(cai)料幾乎可以(yi)使電(dian)子(zi)(zi)暢通無阻(zu)地流(liu)過，就像傳統(tong)的臺(tai)球模型演示的那樣，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)點陣(zhen)上的離子(zi)(zi)不會(hui)使傳導(dao)電(dian)子(zi)(zi)發(fa)(fa)生(sheng)折射(she)。當電(dian)流(liu)由晶(jing)(jing)體(ti)(ti)的一端(duan)輸入時，電(dian)子(zi)(zi)或者相互之(zhi)間發(fa)(fa)生(sheng)折射(she)，或者向著晶(jing)(jing)體(ti)(ti)的另(ling)一端(duan)折射(she)。
根據固體(ti)物理理論可(ke)知，晶體(ti)上(shang)的電壓(ya)Vh為： Vh=RhIBz/b (3-3)
式中(zhong)，1為所使用的電流(liu)；Bz為磁場強度在(zai)垂直于電流(liu)方(fang)向上的分量(liang)；b為晶體在(zai)磁場方(fang)向上的厚度；Rh為霍(huo)爾系數。
一般(ban)情況下，如果晶體與磁(ci)場B之(zhi)間成(cheng)一定夾角，則 B2=Beosθ。
由金屬制成(cheng)的(de)霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)并不是最好的(de)，因為金屬的(de)霍(huo)爾(er)系數都很低。根(gen)據霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)工作(zuo)(zuo)原理，霍(huo)爾(er)系數越大(da)，霍(huo)爾(er)電壓也就越高。因此(ci)，在制作(zuo)(zuo)霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)時(shi)，一(yi)般(ban)選用元(yuan)素周期表(biao)中(zhong)第II和第IV族元(yuan)素混合制作(zuo)(zuo)，而(er)(er)且其(qi)對溫(wen)度的(de)變化也最不敏感。此(ci)區域的(de)元(yuan)素，載流(liu)子一(yi)般(ban)為空位而(er)(er)不是電子。
5. 感應(ying)線圈
感(gan)應(ying)線(xian)(xian)圈(quan)是鋼管(guan)漏磁檢測中應(ying)用(yong)最為廣泛的(de)磁敏傳(chuan)感(gan)器，主要有(you)水(shui)平和垂(chui)直線(xian)(xian)圈(quan)兩種布置方式，如圖3-2所示。根據提離效應(ying)和法(fa)拉(la)第(di)電磁感(gan)應(ying)定律，為了(le)使檢測信號與缺陷特征(zheng)之(zhi)間(jian)具有(you)良好的(de)對應(ying)關系，感(gan)應(ying)線(xian)(xian)圈(quan)提離距離以(yi)及掃(sao)查速度應(ying)盡(jin)量(liang)保持恒定。
水平線(xian)圈(quan)(quan)(quan)以(yi)速度v穿越缺陷(xian)上部漏磁場時所產(chan)(chan)生的感(gan)應(ying)電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)應(ying)為(wei)線(xian)圈(quan)(quan)(quan)前沿(yan)(yan)和(he)尾部感(gan)應(ying)電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)之(zhi)差。設線(xian)圈(quan)(quan)(quan)長度為(wei)l、寬(kuan)度為(wei)2w、提離值為(wei)h1、匝(za)數為(wei)，線(xian)圈(quan)(quan)(quan)前沿(yan)(yan)產(chan)(chan)生電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)為(wei)SueR，線(xian)圈(quan)(quan)(quan)尾部產(chan)(chan)生電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)為(wei)eL，線(xian)圈(quan)(quan)(quan)產(chan)(chan)生感(gan)應(ying)電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)為(wei)Δe，根據法拉第電(dian)(dian)磁感(gan)應(ying)定律(lv)可得(de)
此(ci)外，從圖(tu)3-3中(zhong)(zhong)可以看(kan)出，水(shui)平線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)輸(shu)出感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)本質(zhi)為處于同(tong)一提(ti)離高度(du)(du)(du)的前(qian)后(hou)導線(xian)(xian)在(zai)同(tong)一時(shi)刻的電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)差動(dong)(dong)(dong)輸(shu)出。因此(ci)，感(gan)(gan)應(ying)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)出與(yu)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)寬(kuan)度(du)(du)(du)有(you)關，并存在(zai)最(zui)佳寬(kuan)度(du)(du)(du)使得線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)輸(shu)出最(zui)大感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)。此(ci)時(shi)，線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)運動(dong)(dong)(dong)至缺(que)陷中(zhong)(zhong)間位置，并且前(qian)沿產生正向(xiang)極(ji)值電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)而尾部產生反向(xiang)極(ji)值電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)，經過差動(dong)(dong)(dong)后(hou)可獲(huo)取最(zui)高感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)出。根據式(shi)(shi)（3-11），當x=0時(shi)，可獲(huo)得感(gan)(gan)應(ying)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)位于缺(que)陷中(zhong)(zhong)間位置時(shi)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)(shi)(shi)Δeo與(yu)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)寬(kuan)度(du)(du)(du)參(can)數w的關系式(shi)(shi)Δeo(w)，即(ji)
同樣，設(she)置(zhi)缺(que)陷(xian)寬度(du)(du)(du)2b為(wei)0.5mm，深度(du)(du)(du)d為(wei)0.75mm以(yi)及感應線(xian)圈提(ti)離高(gao)度(du)(du)(du)h1為(wei)0.25mm，根據(ju)式（3-13）可(ke)獲得(de)最佳(jia)線(xian)圈寬度(du)(du)(du)參數(shu)wo為(wei)0.3253mm。根據(ju)線(xian)圈最佳(jia)寬度(du)(du)(du)參數(shu)重新計算感應線(xian)圈前(qian)(qian)沿(yan)、尾部以(yi)及整體輸(shu)出感應電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)曲線(xian)，如圖3-4所示。從圖中(zhong)(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出，當線(xian)圈移動(dong)(dong)到缺(que)陷(xian)正上方時，線(xian)圈前(qian)(qian)沿(yan)感應電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)輸(shu)出極(ji)小值而尾部輸(shu)出極(ji)大值，經差動(dong)(dong)后水平線(xian)圈輸(shu)出電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)達到最大值。檢測線(xian)圈的(de)(de)(de)最優寬度(du)(du)(du)參數(shu)與缺(que)陷(xian)尺寸和傳(chuan)感器提(ti)離值有關(guan)。在實際生產過程中(zhong)(zhong)，可(ke)根據(ju)鋼管軋制過程中(zhong)(zhong)產生的(de)(de)(de)自然缺(que)陷(xian)特征(zheng)對(dui)檢測線(xian)圈寬度(du)(du)(du)進(jin)行(xing)優化(hua)設(she)計，以(yi)達到最佳(jia)的(de)(de)(de)檢測效果。
下面進(jin)一(yi)步(bu)討論垂直(zhi)線圈漏(lou)磁信(xin)號輸出(chu)特性。
如圖3-5所示，垂直線(xian)圈(quan)(quan)以速度，穿越缺陷(xian)上部(bu)(bu)(bu)(bu)漏磁(ci)場時所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)電(dian)動(dong)勢(shi)輸出(chu)應為(wei)線(xian)圈(quan)(quan)頂部(bu)(bu)(bu)(bu)和(he)底部(bu)(bu)(bu)(bu)感(gan)(gan)應電(dian)動(dong)勢(shi)之差。設線(xian)圈(quan)(quan)長度為(wei)l、匝數為(wei)、寬度為(wei)2w、中心提離(li)值為(wei)，線(xian)圈(quan)(quan)頂部(bu)(bu)(bu)(bu)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)動(dong)勢(shi)為(wei)er，線(xian)圈(quan)(quan)底部(bu)(bu)(bu)(bu)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)動(dong)勢(shi)為(wei)eB，線(xian)圈(quan)(quan)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)整體感(gan)(gan)應電(dian)動(dong)勢(shi)為(wei)Δe，根據法拉(la)第電(dian)磁(ci)感(gan)(gan)應定律(lv)可得
從(cong)(cong)圖3-5中可以看出，eт、eB和e三者波形相似，垂直(zhi)線圈(quan)(quan)輸(shu)出感(gan)(gan)應(ying)電動勢(shi)本質(zhi)為(wei)上(shang)下兩根(gen)導線在(zai)(zai)同(tong)一時刻的(de)(de)電動勢(shi)差動輸(shu)出。在(zai)(zai)缺(que)陷(xian)中心位置，垂直(zhi)線圈(quan)(quan)感(gan)(gan)應(ying)電動勢(shi)輸(shu)出為(wei)零，而(er)在(zai)(zai)缺(que)陷(xian)兩端附(fu)近感(gan)(gan)應(ying)電動勢(shi)具(ju)有(you)最(zui)大輸(shu)出值(zhi)。垂直(zhi)線圈(quan)(quan)頂(ding)部和底部距離越大，整體感(gan)(gan)應(ying)電動勢(shi)輸(shu)出越大。因此，在(zai)(zai)條件(jian)允許的(de)(de)情況下，垂直(zhi)線圈(quan)(quan)應(ying)盡量(liang)貼近鋼管(guan)表(biao)面并可通過增大線圈(quan)(quan)的(de)(de)寬(kuan)度(du)(du)(du)來提高電動勢(shi)輸(shu)出。但在(zai)(zai)設計(ji)線圈(quan)(quan)寬(kuan)度(du)(du)(du)時必須考慮背景(jing)噪(zao)(zao)(zao)聲的(de)(de)影響，垂直(zhi)線圈(quan)(quan)寬(kuan)度(du)(du)(du)越大，線圈(quan)(quan)包(bao)含的(de)(de)背景(jing)噪(zao)(zao)(zao)聲越多，從(cong)(cong)而(er)會降低(di)缺(que)陷(xian)漏磁信號(hao)的(de)(de)信噪(zao)(zao)(zao)比。
