钢丝绳漏磁检测中几种常用磁传感器的比较

摘 要 漏磁法是钢丝绳检测的主要方法，通常要求其采用的传感器具有体积小、灵敏度高、耗电小等特点。文章比较了漏磁检测中常用的线圈、霍尔传感器和巨磁阻等几种磁传感器的原理及性能，并通过试验实测了霍尔传感器和巨磁阻的噪声水平，结果表明巨磁阻传感器具有较小的噪声。结语中给出了钢丝绳检测磁传感器选择的建议。

关键词 漏磁检测；钢丝绳检测；霍尔传感器；巨磁阻传感器

中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）22-0128-02

钢丝绳广泛应用于提升设备中，如电梯、矿井机械及缆车等，其安全性直接关系到设备的正常运转和使用人员的生命安全，钢丝绳在很多领域是强制检测项目，例如在电梯中，钢丝绳检测是强制检测项目之一，需要定期对其进行检测和保养。

钢丝绳的检测有目视法、声发射、超声、电阻法以及漏磁等检测方法。其中以漏磁检测最为常见，具有检测全面、灵敏度高等优点，可以准确检测出断丝、磨损等缺陷，并可记录缺陷的位置。在钢丝绳漏磁检测中，常用相距为整数倍捻距的两个传感器构成差分结构来探测缺陷，这样可以有效地克服钢丝绳股波及空间电磁干扰，大大提高检测的可靠性。

被测钢丝绳的直径从2毫米至数十毫米不等，当被测钢丝绳的丝较细或者断丝等缺陷发生在钢丝绳的内部时，漏磁信号犹为微弱，对传感器的灵敏度和噪声特性等提出了更高的要求。本文探讨几种常用磁传感器的原理和性能，为漏磁检测的结构设计和传感器选型提供参考。

1 磁传感器的原理

1.1 线圈传感器

线圈是最早出现的磁传感器之一。其工作原理为法拉第电磁感应定律，当穿过线圈回路的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电压。需要注意的是，线圈的感应电压只与磁通变化率有关，而不是与磁通量本身的大小相关。因此，如不采用其他的装置（如使得线圈旋转的装置），线圈无法测量磁场的绝对值大小。同样的原因使得线圈作为传感器在漏磁检测中使用时，检测速度的大小会直接影响线圈的输出，给检测带来不利的影响。另外，由于体积等因素的限制，线圈在漏磁检测中的应用受了到较大的限制。

1.2 霍尔传感器

霍尔传感器（Hall sensors）由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片一般是一块矩形半导体薄片，沿X方向施加一个电压产生电流，在Y方向施加一个磁场B，则在Z方向将产生一个霍尔电压。

霍尔电压大小与电流大小、磁场大小、材料尺寸及材料特性有关，其测量范围一般为10Gs到几千Gs不等。目前，霍尔传感器已成为应用最为广泛的传感器，它不仅可以用来测量磁场量的大小，通过磁场变化装置，它还可用于距离、振动、转速、力和应变等其他物理量的测量。

1.3 巨磁阻

巨磁阻（Giant magneto-resistive， GMR）效应是薄膜相变机制产生的一种现象。法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因先后独立发现了“巨磁电阻”效应，共同获得了2007年诺贝尔物理学奖。在纳米尺度（薄膜为2～5纳米）下的磁铁层和非铁磁层的电阻可以发生很大的变化。在铁-铬-铁-铬的四层结构构成的薄膜中，当外界磁场非常小（可以认为小于地磁场）时，两层铁层层产生反磁耦合。电流中的自旋电子无论是左旋还是右旋电子，能通过其中的一层，就很难磁化通过方向相反的另一层，因而整块薄膜表面为大电阻。当施加一个外磁场时，反磁耦合的两层铁薄膜磁化方向变得与外磁场一致，此是，自旋电子中的左旋或右旋电子，必然有一种易于通过薄膜，使得整个薄膜的电阻急剧下降。由此，通过测量电阻的大小，可以检测外磁场的大小。

在实际在GMR传感器中，常常将电阻的测量做成电桥的形式，具有GMR特性的电阻作为桥臂的一支，其他则用普通电阻代替，由此可以形成集成的精密测量电路，大大提高了测量的精度和噪声性能。

图1 GMR传感器工作原理

除此之外，常用的磁传感器还有磁通门、磁阻、磁敏晶体管等，这些传感器在测量精度、体积、经济性等方面决定了它们不适合于钢丝绳漏磁检测，在此不再赘述。

2 磁传感器性能测试与比较

磁传感器的大多数参数在数据手册中都可查得，但噪声水平缺乏详细的资料。为此，笔者设计了两级高增益交流放大电路对噪声进行测试，放大增益约为900倍。实验结果表明，Hall元件放大后的噪声电压可达约±600 mV，等效至输入端约为±0.7 mV。而GMR的噪声则要小许多，相同条件下仅为Hall元件噪声的1/10左右。表1给出了漏磁检测中最常用的三类磁传感器的性能比较结果。

表1 钢丝绳漏磁检测中常用传感器的性能比较

需要指出的几点：

1）线圈感知的是磁场变化率，其测量结果与检测速度直接相关。

2）Hall传感器与GMR相比，其测量范围较宽，但其频响带宽较窄，功耗也较大。

3）GMR传感器具有较小的测量噪声（见后实验验证部分）。

4）GMR传感器无法测量磁场的方向。

3 结束语

传感器的选择在钢丝绳漏磁检测中异常重要。本文重点论述几种传感器的性能并验证了Hall和GMR传感器的噪声特性。在选择传感器时，如果测量的绳径较小，丝较细，产生的漏磁信号较弱，则宜选用噪声较小的GMR传感器，同时设计一定的磁屏蔽结构消除背景磁场的影响，这样可以进一步提高检测系统的性能。如果测量的漏磁信号较强，则宜用Hall元件。另外有一点需要注意，如果是便携式仪器，则宜首先考虑GMR传感器，与Hall传感器相比，其具有较小的功耗。

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