漏(lou)磁場有兩種(zhong)拾取方法，既可以測量漏(lou)磁感應強度(du)的絕對(dui)值，也(ye)可以測量漏(lou)磁感應強度(du)的梯度(du)值。
磁(ci)場傳感器(qi)的作用是(shi)將磁(ci)場轉換(huan)為電信號。按原(yuan)理(li)可分(fen)為體效應(ying)元件(jian)、面效應(ying)元件(jian)、P-N節注入和表面復合(he)效應(ying)元件(jian)、量子效應(ying)元件(jian)、磁(ci)致(zhi)伸縮效應(ying)元件(jian)和光纖(xian)磁(ci)傳感器(qi)等。磁(ci)場傳感器(qi)都是(shi)建(jian)立在各種(zhong)效應(ying)和物(wu)理(li)現象的基礎之(zhi)上的，表3-1給出了不(bu)同種(zhong)類磁(ci)場傳感器(qi)的測量范圍(wei)，它們的敏感范圍(wei)差異較大。在具(ju)體應(ying)用過程中，需(xu)要根(gen)據測量對象的特點(dian)來選(xuan)擇(ze)適合(he)的傳感器(qi)。
在不銹鋼管(guan)漏磁檢測中，常使用的有下列幾種磁敏傳感器。
1. 各(ge)向(xiang)異性磁阻傳感器
各(ge)向(xiang)異(yi)性磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)阻傳感(gan)器 AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉積在(zai)硅片上的坡(po)莫(mo)合(he)金(jin)（Ni80Fe20）薄膜形(xing)(xing)成(cheng)電(dian)(dian)阻，沉積時(shi)外加磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場，形(xing)(xing)成(cheng)易(yi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)軸方(fang)向(xiang)。易(yi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)軸方(fang)向(xiang)是指各(ge)向(xiang)異(yi)性的磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)體能(neng)獲得最佳磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性能(neng)的方(fang)向(xiang)，也就(jiu)是無外界磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)干(gan)擾(rao)時(shi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)疇(chou)整齊排(pai)列的方(fang)向(xiang)。鐵磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)材料(liao)的電(dian)(dian)阻與電(dian)(dian)流(liu)和磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)的夾角有關，電(dian)(dian)流(liu)與磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)平行時(shi)電(dian)(dian)阻R最大，電(dian)(dian)流(liu)與磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)垂(chui)直(zhi)時(shi)電(dian)(dian)阻Rmin最小，電(dian)(dian)流(liu)與磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)成(cheng)0角時(shi)，電(dian)(dian)阻可表(biao)示為(wei)
R=Rmin+(Rmax-Rmin)cos2θ (3-2)
在磁(ci)阻傳感器中，為了消除溫度(du)等外界因素對輸出的(de)影(ying)響，一般由4個相同的(de)磁(ci)阻元(yuan)件構成惠(hui)斯通電(dian)橋。理論(lun)分析(xi)與(yu)實(shi)踐表明，采用45°偏置磁(ci)場(chang)，當沿與(yu)易(yi)磁(ci)化軸(zhou)垂直的(de)方向施加(jia)外磁(ci)場(chang)，且外磁(ci)場(chang)強度(du)不太大時，電(dian)橋輸出與(yu)外加(jia)磁(ci)場(chang)強度(du)呈線性關系。
2. 磁(ci)通(tong)門
磁(ci)通門傳感(gan)(gan)器又稱為磁(ci)飽和式磁(ci)敏傳感(gan)(gan)器，它是(shi)利(li)用(yong)(yong)某些高(gao)磁(ci)導率(lv)的軟磁(ci)性材料（如(ru)坡(po)莫合金）做磁(ci)心(xin)，以其在交直(zhi)流磁(ci)場(chang)作用(yong)(yong)下(xia)的磁(ci)飽和特性以及法拉第電磁(ci)感(gan)(gan)應原理研制(zhi)的磁(ci)場(chang)測(ce)量裝(zhuang)置。
這種磁敏傳感(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)最大(da)特點是(shi)適合測(ce)(ce)量零磁場附近的(de)(de)弱磁場。傳感(gan)(gan)器(qi)體(ti)積小，重量輕，功耗(hao)低，不受磁場梯度影響(xiang)，測(ce)(ce)量的(de)(de)靈敏度可(ke)(ke)(ke)達0.01nT，并且(qie)可(ke)(ke)(ke)以和(he)磁秤混合使用。該裝置已普(pu)遍應用于航(hang)空(kong)(kong)、地(di)面(mian)(mian)、測(ce)(ce)井等(deng)方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)磁法勘探(tan)工作中(zhong)。在軍事上，也可(ke)(ke)(ke)用于尋找(zhao)地(di)下武(wu)器(qi)（炮彈、地(di)雷等(deng)）和(he)反潛(qian)。還可(ke)(ke)(ke)用于預(yu)報天然地(di)震及(ji)空(kong)(kong)間磁測(ce)(ce)等(deng)。
3. 巨磁阻元件
物質在一(yi)(yi)定磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)作用下(xia)電(dian)(dian)阻(zu)發(fa)生改變的(de)現(xian)象，稱為磁(ci)(ci)(ci)(ci)阻(zu)效(xiao)應。磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)金屬和(he)合金材(cai)料(liao)一(yi)(yi)般(ban)都(dou)有這種現(xian)象。一(yi)(yi)般(ban)情(qing)況下(xia)，物質的(de)電(dian)(dian)阻(zu)率(lv)在磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)中僅(jin)發(fa)生微(wei)小(xiao)的(de)變化，但在某(mou)種條件下(xia)，電(dian)(dian)阻(zu)變化的(de)幅(fu)度相當(dang)(dang)大，比(bi)通常情(qing)況下(xia)高十余(yu)倍(bei)，稱為巨磁(ci)(ci)(ci)(ci)阻(zu)效(xiao)應（GMR）。這種效(xiao)應來自于載(zai)流(liu)電(dian)(dian)子的(de)不(bu)同自旋狀態與(yu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)的(de)作用不(bu)同，因而(er)導致電(dian)(dian)阻(zu)值的(de)變化。GMR是(shi)一(yi)(yi)個量子力學效(xiao)應，它是(shi)在層(ceng)(ceng)狀的(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)薄膜結構中觀察(cha)到的(de)，這種結構由鐵磁(ci)(ci)(ci)(ci)材(cai)料(liao)和(he)非磁(ci)(ci)(ci)(ci)材(cai)料(liao)薄層(ceng)(ceng)交(jiao)替(ti)疊合而(er)成。當(dang)(dang)鐵磁(ci)(ci)(ci)(ci)層(ceng)(ceng)的(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)矩(ju)(ju)相互(hu)平(ping)行(xing)時(shi)，載(zai)流(liu)子與(yu)自旋有關的(de)散射最小(xiao)，材(cai)料(liao)有最小(xiao)的(de)電(dian)(dian)阻(zu)。當(dang)(dang)鐵磁(ci)(ci)(ci)(ci)層(ceng)(ceng)的(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)矩(ju)(ju)為反向(xiang)平(ping)行(xing)時(shi)，與(yu)自旋有關的(de)散射最強，材(cai)料(liao)的(de)電(dian)(dian)阻(zu)最大。
構(gou)成GMR磁頭和傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)核(he)心元(yuan)件(jian)(jian)是自(zi)旋閥(fa)（spin valve）元(yuan)件(jian)(jian)。它的(de)(de)(de)(de)(de)基本結構(gou)是由釘(ding)扎(zha)磁性層(ceng)（如(ru)Co）、Cu間(jian)隔層(ceng)和自(zi)由磁性層(ceng)（如(ru)NiFe等(deng)易(yi)磁化(hua)(hua)(hua)層(ceng)）組成的(de)(de)(de)(de)(de)多層(ceng)膜。由于釘(ding)扎(zha)磁性層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)磁矩(ju)與自(zi)由磁性層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)磁矩(ju)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)夾角發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)(hua)會導致SV-GMR元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)電阻值改變(bian)，進而使輸出電流發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)(hua)。運用(yong)SV-GMR元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)磁傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，其(qi)檢測靈敏度比使用(yong)MR元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)幾個數量級(ji)，更容易(yi)集(ji)成化(hua)(hua)(hua)，封裝(zhuang)尺寸更小，可(ke)(ke)靠性更高(gao)。它不僅可(ke)(ke)以取代以前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)MR傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，還可(ke)(ke)以制成傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)陣列，實(shi)現智(zhi)能化(hua)(hua)(hua)，用(yong)來表(biao)述通(tong)行車輛(liang)、飛機(ji)機(ji)翼(yi)、建筑防(fang)護(hu)裝(zhuang)置(zhi)或管(guan)道系(xi)統中(zhong)隱蔽缺陷的(de)(de)(de)(de)(de)特征，跟蹤(zong)地磁場的(de)(de)(de)(de)(de)異常現象等(deng)。當前(qian)，GMR傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)已在液(ye)壓氣缸位置(zhi)傳(chuan)(chuan)感(gan)、真(zhen)假紙(zhi)幣識別、軸承編(bian)碼、電流檢測與控制、旋轉位置(zhi)檢測、車輛(liang)通(tong)行情況檢測等(deng)領域得到應用(yong)。
4. 霍爾元件
霍爾元(yuan)件(jian)在漏磁(ci)(ci)檢(jian)測中應(ying)用較(jiao)為廣泛。霍爾元(yuan)件(jian)是由半(ban)導體(ti)材(cai)料制成的一種晶體(ti)。當給晶體(ti)材(cai)料通以電流并置于磁(ci)(ci)場之中時，在晶體(ti)的兩面就(jiu)會產生電壓，電壓的大小與磁(ci)(ci)場強度成正(zheng)比關(guan)系。
固體導電(dian)(dian)材料幾乎可以使(shi)電(dian)(dian)子(zi)(zi)暢通無阻地流過，就像傳統(tong)的(de)臺(tai)球模型演示的(de)那樣，晶體點陣上的(de)離(li)子(zi)(zi)不會使(shi)傳導電(dian)(dian)子(zi)(zi)發生折射(she)。當(dang)電(dian)(dian)流由晶體的(de)一端輸入(ru)時，電(dian)(dian)子(zi)(zi)或者(zhe)(zhe)相互(hu)之間(jian)發生折射(she)，或者(zhe)(zhe)向著晶體的(de)另一端折射(she)。
根據固體(ti)物理理論(lun)可(ke)知(zhi)，晶體(ti)上的電壓Vh為： Vh=RhIBz/b (3-3)
式中，1為(wei)所(suo)使(shi)用的電流(liu)；Bz為(wei)磁(ci)場強度在(zai)垂直于電流(liu)方向上(shang)(shang)的分量(liang)；b為(wei)晶體在(zai)磁(ci)場方向上(shang)(shang)的厚度；Rh為(wei)霍爾系數(shu)。
一(yi)般情況下(xia)，如(ru)果(guo)晶體(ti)與磁場B之間成一(yi)定(ding)夾角，則 B2=Beosθ。
由金(jin)屬(shu)制(zhi)成(cheng)的(de)霍(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)件(jian)并不(bu)是(shi)最好的(de)，因為金(jin)屬(shu)的(de)霍(huo)(huo)爾(er)系數(shu)都很低。根據(ju)霍(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)件(jian)工作原理(li)，霍(huo)(huo)爾(er)系數(shu)越(yue)大，霍(huo)(huo)爾(er)電壓也就越(yue)高。因此，在(zai)制(zhi)作霍(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)件(jian)時，一(yi)般(ban)選用元(yuan)(yuan)素周期(qi)表中第(di)II和第(di)IV族元(yuan)(yuan)素混合制(zhi)作，而且其對溫度的(de)變化(hua)也最不(bu)敏感(gan)。此區域(yu)的(de)元(yuan)(yuan)素，載流(liu)子(zi)一(yi)般(ban)為空位而不(bu)是(shi)電子(zi)。
5. 感(gan)應線(xian)圈(quan)
感(gan)(gan)應(ying)線圈是鋼(gang)管漏磁(ci)檢測(ce)中應(ying)用最為(wei)廣(guang)泛的磁(ci)敏(min)傳感(gan)(gan)器，主要(yao)有水(shui)平(ping)和垂(chui)直線圈兩種布置(zhi)方(fang)式(shi)，如圖3-2所示(shi)。根據提離(li)效應(ying)和法拉第(di)電磁(ci)感(gan)(gan)應(ying)定律，為(wei)了使檢測(ce)信號(hao)與缺陷特征(zheng)之間具有良好(hao)的對應(ying)關(guan)系，感(gan)(gan)應(ying)線圈提離(li)距離(li)以及掃查速度應(ying)盡量保(bao)持恒定。
水平線圈以速度(du)v穿越缺陷(xian)上(shang)部漏磁場時(shi)所產(chan)(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的感(gan)應電(dian)(dian)動(dong)勢應為(wei)線圈前沿和(he)尾部感(gan)應電(dian)(dian)動(dong)勢之差。設線圈長度(du)為(wei)l、寬度(du)為(wei)2w、提離值為(wei)h1、匝數為(wei)，線圈前沿產(chan)(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)動(dong)勢為(wei)SueR，線圈尾部產(chan)(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)動(dong)勢為(wei)eL，線圈產(chan)(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)感(gan)應電(dian)(dian)動(dong)勢為(wei)Δe，根據法拉第電(dian)(dian)磁感(gan)應定律可得
此(ci)外，從圖3-3中(zhong)可(ke)以看出(chu)(chu)，水(shui)平線(xian)圈輸出(chu)(chu)感(gan)應電動(dong)勢(shi)本(ben)質為處于(yu)同一提離高度(du)(du)的前后導(dao)線(xian)在同一時刻的電動(dong)勢(shi)差動(dong)輸出(chu)(chu)。因此(ci)，感(gan)應線(xian)圈電動(dong)勢(shi)輸出(chu)(chu)與線(xian)圈寬(kuan)(kuan)度(du)(du)有關，并(bing)(bing)存在最佳寬(kuan)(kuan)度(du)(du)使(shi)得線(xian)圈輸出(chu)(chu)最大感(gan)應電動(dong)勢(shi)。此(ci)時，線(xian)圈運動(dong)至缺(que)陷(xian)中(zhong)間位置，并(bing)(bing)且前沿產(chan)生正向極值電動(dong)勢(shi)而尾部(bu)產(chan)生反向極值電動(dong)勢(shi)，經過差動(dong)后可(ke)獲取最高感(gan)應電動(dong)勢(shi)輸出(chu)(chu)。根據式(shi)（3-11），當x=0時，可(ke)獲得感(gan)應線(xian)圈位于(yu)缺(que)陷(xian)中(zhong)間位置時電動(dong)勢(shi)Δeo與線(xian)圈寬(kuan)(kuan)度(du)(du)參數w的關系式(shi)Δeo(w)，即
同樣，設(she)置缺(que)陷(xian)(xian)寬度2b為0.5mm，深度d為0.75mm以及感(gan)(gan)應線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)提(ti)離高度h1為0.25mm，根據式（3-13）可(ke)獲得最佳(jia)線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)寬度參數wo為0.3253mm。根據線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)最佳(jia)寬度參數重新計(ji)算感(gan)(gan)應線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)前(qian)沿、尾(wei)部以及整體(ti)輸出感(gan)(gan)應電動勢曲線(xian)(xian)(xian)，如圖(tu)3-4所示(shi)。從圖(tu)中可(ke)以看出，當線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)移動到(dao)缺(que)陷(xian)(xian)正(zheng)上方(fang)時(shi)，線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)前(qian)沿感(gan)(gan)應電動勢輸出極(ji)(ji)小值而(er)尾(wei)部輸出極(ji)(ji)大(da)(da)值，經差動后水平(ping)線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)輸出電動勢達(da)到(dao)最大(da)(da)值。檢測線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)的(de)最優寬度參數與缺(que)陷(xian)(xian)尺寸(cun)和傳感(gan)(gan)器提(ti)離值有關。在實際生(sheng)產(chan)過程中，可(ke)根據鋼管軋制過程中產(chan)生(sheng)的(de)自(zi)然缺(que)陷(xian)(xian)特征對檢測線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)寬度進行優化設(she)計(ji)，以達(da)到(dao)最佳(jia)的(de)檢測效果。
下(xia)面進一步討論垂直線圈(quan)漏磁信號輸出特性。
如圖(tu)3-5所(suo)示，垂(chui)直線(xian)(xian)圈(quan)以速度，穿越缺(que)陷上部漏磁(ci)場時所(suo)產(chan)生的電(dian)動(dong)勢輸(shu)出應(ying)為(wei)線(xian)(xian)圈(quan)頂部和底部感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢之(zhi)差。設線(xian)(xian)圈(quan)長度為(wei)l、匝數為(wei)、寬(kuan)度為(wei)2w、中心提離值(zhi)為(wei)，線(xian)(xian)圈(quan)頂部產(chan)生電(dian)動(dong)勢為(wei)er，線(xian)(xian)圈(quan)底部產(chan)生電(dian)動(dong)勢為(wei)eB，線(xian)(xian)圈(quan)產(chan)生整體感(gan)(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢為(wei)Δe，根據(ju)法拉第電(dian)磁(ci)感(gan)(gan)應(ying)定律可得
從(cong)圖3-5中(zhong)可(ke)以看(kan)出(chu)(chu)，eт、eB和e三者(zhe)波形相似(si)，垂直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)感(gan)應(ying)電動(dong)勢(shi)(shi)(shi)本質為上下(xia)兩根導線(xian)(xian)(xian)在同一時刻的(de)電動(dong)勢(shi)(shi)(shi)差(cha)動(dong)輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)。在缺陷(xian)中(zhong)心位置，垂直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈感(gan)應(ying)電動(dong)勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)為零，而(er)在缺陷(xian)兩端附(fu)近感(gan)應(ying)電動(dong)勢(shi)(shi)(shi)具(ju)有最大輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)值。垂直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈頂部和底部距(ju)離越(yue)大，整體感(gan)應(ying)電動(dong)勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)越(yue)大。因此，在條件允(yun)許的(de)情(qing)況下(xia)，垂直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈應(ying)盡量貼近鋼管表(biao)面并可(ke)通(tong)過增大線(xian)(xian)(xian)圈的(de)寬度(du)來提高電動(dong)勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)。但在設計(ji)線(xian)(xian)(xian)圈寬度(du)時必須考慮背景噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)，垂直(zhi)線(xian)(xian)(xian)圈寬度(du)越(yue)大，線(xian)(xian)(xian)圈包(bao)含的(de)背景噪(zao)聲(sheng)越(yue)多，從(cong)而(er)會降低缺陷(xian)漏(lou)磁信號的(de)信噪(zao)比。
