漏磁(ci)場有兩種拾(shi)取方法，既可以(yi)(yi)測量漏磁(ci)感應強(qiang)度的絕對(dui)值(zhi)(zhi)，也(ye)可以(yi)(yi)測量漏磁(ci)感應強(qiang)度的梯度值(zhi)(zhi)。
磁(ci)場(chang)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)的作用是將磁(ci)場(chang)轉換為電信(xin)號。按(an)原(yuan)理可(ke)分為體效(xiao)(xiao)應(ying)元件、面(mian)效(xiao)(xiao)應(ying)元件、P-N節(jie)注入(ru)和(he)表(biao)面(mian)復合(he)效(xiao)(xiao)應(ying)元件、量子(zi)效(xiao)(xiao)應(ying)元件、磁(ci)致(zhi)伸縮(suo)效(xiao)(xiao)應(ying)元件和(he)光(guang)纖磁(ci)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)等(deng)。磁(ci)場(chang)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)都是建立在(zai)各種效(xiao)(xiao)應(ying)和(he)物理現象(xiang)的基礎(chu)之上的，表(biao)3-1給出了不同種類磁(ci)場(chang)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)的測量范圍，它們的敏感(gan)(gan)(gan)范圍差異較大。在(zai)具體應(ying)用過程中，需要(yao)根據測量對象(xiang)的特點來選擇適合(he)的傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(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)異性磁阻傳感(gan)器(qi)
各向(xiang)(xiang)異(yi)性磁(ci)阻(zu)傳感(gan)器 AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉積在硅片上的(de)(de)坡莫合金（Ni80Fe20）薄(bo)膜(mo)形成(cheng)電阻(zu)，沉積時外(wai)加磁(ci)場(chang)，形成(cheng)易磁(ci)化(hua)(hua)軸方(fang)向(xiang)(xiang)。易磁(ci)化(hua)(hua)軸方(fang)向(xiang)(xiang)是指(zhi)各向(xiang)(xiang)異(yi)性的(de)(de)磁(ci)體能(neng)獲得最佳(jia)磁(ci)性能(neng)的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)，也就是無(wu)外(wai)界磁(ci)干擾時磁(ci)疇整齊(qi)排列的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)。鐵磁(ci)材(cai)料的(de)(de)電阻(zu)與電流和磁(ci)化(hua)(hua)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)夾角(jiao)有關，電流與磁(ci)化(hua)(hua)方(fang)向(xiang)(xiang)平(ping)行時電阻(zu)R最大，電流與磁(ci)化(hua)(hua)方(fang)向(xiang)(xiang)垂直時電阻(zu)Rmin最小，電流與磁(ci)化(hua)(hua)方(fang)向(xiang)(xiang)成(cheng)0角(jiao)時，電阻(zu)可表示為
R=Rmin+(Rmax-Rmin)cos2θ (3-2)
在磁阻傳(chuan)感器(qi)中，為了消除溫度(du)(du)等外(wai)界因素(su)對輸出的(de)(de)影響，一般由4個(ge)相同的(de)(de)磁阻元(yuan)件(jian)構成惠斯通電橋(qiao)。理論(lun)分析與實踐表明，采用(yong)45°偏置磁場，當沿與易磁化軸(zhou)垂直的(de)(de)方向施加外(wai)磁場，且外(wai)磁場強度(du)(du)不太(tai)大時，電橋(qiao)輸出與外(wai)加磁場強度(du)(du)呈(cheng)線性關系。
2. 磁通門
磁(ci)(ci)(ci)(ci)通門傳感(gan)器又稱為(wei)磁(ci)(ci)(ci)(ci)飽和式(shi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)敏傳感(gan)器，它(ta)是(shi)利用某些高(gao)磁(ci)(ci)(ci)(ci)導率的(de)軟(ruan)磁(ci)(ci)(ci)(ci)性材料（如坡(po)莫(mo)合(he)金）做(zuo)磁(ci)(ci)(ci)(ci)心，以其(qi)在交直流磁(ci)(ci)(ci)(ci)場作用下的(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)飽和特性以及法拉(la)第(di)電磁(ci)(ci)(ci)(ci)感(gan)應原理研(yan)制的(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場測(ce)量(liang)裝置。
這種磁(ci)敏(min)傳感器(qi)的(de)最大特點是適合測(ce)量(liang)零磁(ci)場附近的(de)弱(ruo)磁(ci)場。傳感器(qi)體積小，重(zhong)量(liang)輕，功耗低，不受磁(ci)場梯度影(ying)響，測(ce)量(liang)的(de)靈敏(min)度可達0.01nT，并且可以和磁(ci)秤混合使(shi)用(yong)。該裝(zhuang)置已普(pu)遍(bian)應用(yong)于(yu)航空、地面、測(ce)井(jing)等(deng)方面的(de)磁(ci)法勘探工(gong)作中。在(zai)軍事上，也可用(yong)于(yu)尋(xun)找地下武器(qi)（炮彈(dan)、地雷等(deng)）和反潛。還可用(yong)于(yu)預報天然地震及空間(jian)磁(ci)測(ce)等(deng)。
3. 巨磁阻元件
物質在一定磁(ci)(ci)(ci)場(chang)作用下(xia)電(dian)阻(zu)發生改變(bian)的(de)(de)(de)(de)現(xian)象，稱為(wei)磁(ci)(ci)(ci)阻(zu)效(xiao)應。磁(ci)(ci)(ci)性(xing)金(jin)屬和(he)合金(jin)材(cai)(cai)料(liao)(liao)一般(ban)都有(you)這種(zhong)(zhong)現(xian)象。一般(ban)情(qing)況下(xia)，物質的(de)(de)(de)(de)電(dian)阻(zu)率(lv)在磁(ci)(ci)(ci)場(chang)中(zhong)僅發生微(wei)小的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，但(dan)在某種(zhong)(zhong)條(tiao)件下(xia)，電(dian)阻(zu)變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)幅度相當大，比通(tong)常情(qing)況下(xia)高十余倍(bei)，稱為(wei)巨磁(ci)(ci)(ci)阻(zu)效(xiao)應（GMR）。這種(zhong)(zhong)效(xiao)應來自(zi)(zi)(zi)于(yu)載(zai)流電(dian)子的(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)狀態與磁(ci)(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)(de)(de)作用不(bu)同(tong)，因而(er)(er)導致電(dian)阻(zu)值的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)。GMR是(shi)一個量子力學效(xiao)應，它(ta)是(shi)在層狀的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)性(xing)薄(bo)膜結(jie)構中(zhong)觀(guan)察(cha)到的(de)(de)(de)(de)，這種(zhong)(zhong)結(jie)構由鐵磁(ci)(ci)(ci)材(cai)(cai)料(liao)(liao)和(he)非磁(ci)(ci)(ci)材(cai)(cai)料(liao)(liao)薄(bo)層交替疊合而(er)(er)成。當鐵磁(ci)(ci)(ci)層的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)矩(ju)相互平行(xing)時(shi)，載(zai)流子與自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)有(you)關的(de)(de)(de)(de)散(san)射最(zui)(zui)小，材(cai)(cai)料(liao)(liao)有(you)最(zui)(zui)小的(de)(de)(de)(de)電(dian)阻(zu)。當鐵磁(ci)(ci)(ci)層的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)矩(ju)為(wei)反向平行(xing)時(shi)，與自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)有(you)關的(de)(de)(de)(de)散(san)射最(zui)(zui)強，材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)電(dian)阻(zu)最(zui)(zui)大。
構(gou)(gou)成(cheng)GMR磁頭和傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)核心(xin)元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)是自(zi)旋(xuan)閥（spin valve）元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)。它的(de)(de)(de)基本(ben)結構(gou)(gou)是由釘扎磁性層(ceng)（如Co）、Cu間隔(ge)層(ceng)和自(zi)由磁性層(ceng)（如NiFe等易(yi)磁化(hua)層(ceng)）組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)多層(ceng)膜。由于釘扎磁性層(ceng)的(de)(de)(de)磁矩與自(zi)由磁性層(ceng)的(de)(de)(de)磁矩之間的(de)(de)(de)夾角發(fa)生變(bian)化(hua)會導致SV-GMR元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)電阻值改(gai)變(bian)，進而使輸出電流發(fa)生變(bian)化(hua)。運用(yong)(yong)SV-GMR元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)磁傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)，其檢(jian)測(ce)靈(ling)敏度(du)比使用(yong)(yong)MR元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)高幾個數量級，更(geng)容(rong)易(yi)集成(cheng)化(hua)，封裝尺寸更(geng)小，可(ke)(ke)靠性更(geng)高。它不僅可(ke)(ke)以(yi)取代以(yi)前的(de)(de)(de)MR傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)，還(huan)可(ke)(ke)以(yi)制(zhi)成(cheng)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)陣列(lie)，實現智能化(hua)，用(yong)(yong)來表述通行車輛、飛機(ji)機(ji)翼、建筑防(fang)護裝置或管道系(xi)統中隱蔽缺(que)陷的(de)(de)(de)特征，跟蹤地磁場的(de)(de)(de)異常(chang)現象等。當前，GMR傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)已在液壓氣(qi)缸位置傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)、真(zhen)假紙幣識(shi)別、軸承編碼、電流檢(jian)測(ce)與控制(zhi)、旋(xuan)轉位置檢(jian)測(ce)、車輛通行情(qing)況檢(jian)測(ce)等領域(yu)得(de)到應用(yong)(yong)。
4. 霍爾(er)元件
霍(huo)爾元件在(zai)漏磁檢測中應用較為廣泛(fan)。霍(huo)爾元件是由半導(dao)體材料制成的一種晶(jing)(jing)體。當給(gei)晶(jing)(jing)體材料通(tong)以電流并置(zhi)于磁場之中時，在(zai)晶(jing)(jing)體的兩(liang)面就會產(chan)生電壓(ya)，電壓(ya)的大小與磁場強度成正比關系。
固體導電(dian)材料幾乎可以使(shi)電(dian)子(zi)暢通無阻(zu)地流過，就像傳統的(de)臺球(qiu)模型演示的(de)那樣(yang)，晶體點陣上的(de)離子(zi)不會使(shi)傳導電(dian)子(zi)發(fa)生折射。當電(dian)流由晶體的(de)一端(duan)輸入(ru)時，電(dian)子(zi)或者(zhe)相互之間發(fa)生折射，或者(zhe)向(xiang)著晶體的(de)另一端(duan)折射。
根據固(gu)體(ti)物理理論(lun)可知，晶體(ti)上的電壓Vh為： Vh=RhIBz/b (3-3)
式中，1為所使(shi)用(yong)的電流；Bz為磁(ci)(ci)場(chang)強度(du)在垂直于電流方(fang)向上的分量；b為晶體在磁(ci)(ci)場(chang)方(fang)向上的厚度(du)；Rh為霍爾系(xi)數(shu)。
一般情況下，如果(guo)晶(jing)體與磁場B之間成一定夾角(jiao)，則 B2=Beosθ。
由金屬制(zhi)(zhi)成的(de)霍爾元(yuan)(yuan)件并不是(shi)最好的(de)，因為金屬的(de)霍爾系(xi)(xi)數都很低。根(gen)據霍爾元(yuan)(yuan)件工作(zuo)原理，霍爾系(xi)(xi)數越大(da)，霍爾電壓也(ye)就越高。因此(ci)，在(zai)制(zhi)(zhi)作(zuo)霍爾元(yuan)(yuan)件時，一般選用元(yuan)(yuan)素(su)周期表中第II和第IV族(zu)元(yuan)(yuan)素(su)混合制(zhi)(zhi)作(zuo)，而(er)且(qie)其對(dui)溫(wen)度的(de)變(bian)化也(ye)最不敏感。此(ci)區(qu)域的(de)元(yuan)(yuan)素(su)，載(zai)流子一般為空(kong)位而(er)不是(shi)電子。
5. 感(gan)應線圈
感(gan)應(ying)線(xian)圈是鋼管漏磁檢測(ce)中(zhong)應(ying)用最(zui)為廣泛的(de)(de)磁敏傳(chuan)感(gan)器，主要有水平(ping)和垂直線(xian)圈兩(liang)種布置方式(shi)，如圖(tu)3-2所示。根據提(ti)離(li)(li)(li)效應(ying)和法拉第電磁感(gan)應(ying)定(ding)律，為了使檢測(ce)信號與缺陷特征(zheng)之間(jian)具有良好的(de)(de)對應(ying)關系，感(gan)應(ying)線(xian)圈提(ti)離(li)(li)(li)距離(li)(li)(li)以(yi)及掃查速(su)度應(ying)盡量保持恒定(ding)。
水平線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)以速度v穿越缺陷上部漏(lou)磁場(chang)時所產(chan)生(sheng)的感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動勢(shi)應(ying)(ying)為(wei)(wei)線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)前沿和尾(wei)部感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動勢(shi)之差。設線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)長度為(wei)(wei)l、寬(kuan)度為(wei)(wei)2w、提離值為(wei)(wei)h1、匝(za)數為(wei)(wei)，線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)前沿產(chan)生(sheng)電(dian)動勢(shi)為(wei)(wei)SueR，線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)尾(wei)部產(chan)生(sheng)電(dian)動勢(shi)為(wei)(wei)eL，線(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)產(chan)生(sheng)感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動勢(shi)為(wei)(wei)Δe，根據法拉(la)第(di)電(dian)磁感(gan)應(ying)(ying)定律可得
此外，從圖3-3中可以看出(chu)(chu)(chu)，水平線(xian)圈輸出(chu)(chu)(chu)感應電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)本質為處于(yu)同一提離高度的前后(hou)導(dao)線(xian)在(zai)同一時刻的電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)差動(dong)(dong)(dong)輸出(chu)(chu)(chu)。因此，感應線(xian)圈電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)輸出(chu)(chu)(chu)與線(xian)圈寬(kuan)度有關(guan)，并(bing)存在(zai)最(zui)(zui)佳(jia)寬(kuan)度使(shi)得(de)線(xian)圈輸出(chu)(chu)(chu)最(zui)(zui)大(da)感應電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)。此時，線(xian)圈運動(dong)(dong)(dong)至缺(que)陷中間位置，并(bing)且前沿(yan)產生(sheng)正向極(ji)值電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)而尾部產生(sheng)反向極(ji)值電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)，經過差動(dong)(dong)(dong)后(hou)可獲(huo)取最(zui)(zui)高感應電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)輸出(chu)(chu)(chu)。根據式（3-11），當x=0時，可獲(huo)得(de)感應線(xian)圈位于(yu)缺(que)陷中間位置時電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)Δeo與線(xian)圈寬(kuan)度參(can)數w的關(guan)系式Δeo(w)，即
同(tong)樣，設(she)置缺陷(xian)寬(kuan)度(du)2b為(wei)(wei)0.5mm，深(shen)度(du)d為(wei)(wei)0.75mm以(yi)(yi)及感(gan)應線(xian)(xian)圈(quan)(quan)提離高(gao)度(du)h1為(wei)(wei)0.25mm，根(gen)據式（3-13）可(ke)獲得最(zui)(zui)佳線(xian)(xian)圈(quan)(quan)寬(kuan)度(du)參數wo為(wei)(wei)0.3253mm。根(gen)據線(xian)(xian)圈(quan)(quan)最(zui)(zui)佳寬(kuan)度(du)參數重新計(ji)算感(gan)應線(xian)(xian)圈(quan)(quan)前沿(yan)、尾部(bu)以(yi)(yi)及整體(ti)輸(shu)出(chu)感(gan)應電(dian)動(dong)勢曲(qu)線(xian)(xian)，如圖3-4所示。從圖中(zhong)可(ke)以(yi)(yi)看(kan)出(chu)，當線(xian)(xian)圈(quan)(quan)移動(dong)到缺陷(xian)正上方時(shi)，線(xian)(xian)圈(quan)(quan)前沿(yan)感(gan)應電(dian)動(dong)勢輸(shu)出(chu)極小值而尾部(bu)輸(shu)出(chu)極大值，經差動(dong)后(hou)水平線(xian)(xian)圈(quan)(quan)輸(shu)出(chu)電(dian)動(dong)勢達到最(zui)(zui)大值。檢測線(xian)(xian)圈(quan)(quan)的最(zui)(zui)優寬(kuan)度(du)參數與缺陷(xian)尺寸和傳感(gan)器提離值有關(guan)。在實際(ji)生產(chan)過程(cheng)中(zhong)，可(ke)根(gen)據鋼管軋制過程(cheng)中(zhong)產(chan)生的自然(ran)缺陷(xian)特(te)征對(dui)檢測線(xian)(xian)圈(quan)(quan)寬(kuan)度(du)進行(xing)優化設(she)計(ji)，以(yi)(yi)達到最(zui)(zui)佳的檢測效果。
下(xia)面(mian)進一(yi)步討(tao)論垂直線圈漏(lou)磁(ci)信號輸出(chu)特性(xing)。
如圖3-5所示(shi)，垂直(zhi)線(xian)圈(quan)(quan)以速度(du)(du)，穿越(yue)缺陷上部(bu)漏磁場時所產生(sheng)(sheng)的(de)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)輸出(chu)應為(wei)線(xian)圈(quan)(quan)頂(ding)(ding)部(bu)和底部(bu)感(gan)應電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)之(zhi)差(cha)。設線(xian)圈(quan)(quan)長度(du)(du)為(wei)l、匝數(shu)為(wei)、寬度(du)(du)為(wei)2w、中(zhong)心提離值為(wei)，線(xian)圈(quan)(quan)頂(ding)(ding)部(bu)產生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)為(wei)er，線(xian)圈(quan)(quan)底部(bu)產生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)為(wei)eB，線(xian)圈(quan)(quan)產生(sheng)(sheng)整(zheng)體感(gan)應電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)為(wei)Δe，根據法拉第(di)電(dian)(dian)磁感(gan)應定律可(ke)得
從(cong)圖3-5中可以(yi)看(kan)出，eт、eB和e三者波(bo)形相似，垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)輸(shu)(shu)出感(gan)應電(dian)(dian)動勢(shi)(shi)(shi)本(ben)質(zhi)為(wei)上(shang)下兩(liang)根導線(xian)(xian)(xian)(xian)在(zai)同一時刻的(de)電(dian)(dian)動勢(shi)(shi)(shi)差動輸(shu)(shu)出。在(zai)缺(que)陷中心(xin)位(wei)置(zhi)，垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)感(gan)應電(dian)(dian)動勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)(shu)出為(wei)零，而在(zai)缺(que)陷兩(liang)端附近(jin)感(gan)應電(dian)(dian)動勢(shi)(shi)(shi)具有(you)最(zui)大輸(shu)(shu)出值。垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)頂(ding)部和底部距離越大，整體感(gan)應電(dian)(dian)動勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)(shu)出越大。因此，在(zai)條件(jian)允許的(de)情(qing)況下，垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)應盡(jin)量貼近(jin)鋼(gang)管(guan)表面并(bing)可通過增大線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)的(de)寬(kuan)度(du)(du)(du)來提(ti)高(gao)電(dian)(dian)動勢(shi)(shi)(shi)輸(shu)(shu)出。但在(zai)設計線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)寬(kuan)度(du)(du)(du)時必(bi)須(xu)考慮背(bei)(bei)景(jing)噪(zao)聲的(de)影響(xiang)，垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)寬(kuan)度(du)(du)(du)越大，線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)包含的(de)背(bei)(bei)景(jing)噪(zao)聲越多，從(cong)而會降低缺(que)陷漏磁信(xin)號的(de)信(xin)噪(zao)比。
