A-36 卒業論文発表針状磁気プローブによる金属表面微小傷の非接触検出平成23年2月21日発表者磁気応用工学研究室細川拓人渦電流探傷法渦電流探傷法(ECT : Eddy Current Testing) (1)非破壊検査(保守検査)の一種であり，金属表面の欠陥検出に適している． (2)構成が簡単(励磁コイルと磁気センサ)であり，小型化が容易． (3)狭い空間にもプローブを走査し検査することが可能である．励磁磁界励磁コイル磁気センサ渦電流による磁界検査対象渦電流欠陥渦電流探傷法の原理図 ECT検出感度検査対象と磁気センサとの距離であるリフトオフ高さを小さくすることにより向上する検査プローブリフトオフ高さを小さくできる検査プローブが要求される対象傷リフトオフ高さを小さくなることで感度が向上し既存のプローブより小さい傷に対応できる針状磁気プローブ針状磁気プローブは0.2 mm径の極細の針形状の先に数十µmサイズのSV-GMR (Spin Valve –Giant Magneto Resistance)センサを付けたプローブ．検出部 SV-GMR y 75 µm x z SV-GMRの特徴 ①微小素子(75 x 45 µm) ②感度の指向性(x方向) ③高分解能(0.01 µT) 45 µm 15 mm z リフトオフ高さ(絶縁膜＋ギャップ) 検査対象 y x 針状磁気プローブプローブの保護膜である絶縁膜が0.01 mm と他プローブにはない薄さを実現している．研究目的 (1)針状磁気プローブを用いることで針部の絶縁膜0.01 mmを実現． (2)リフトオフ高さを小さくすることにより，ECTの感度が向上すると考えられる． (3)これまで検出できなかった小さい傷を検出する．アルミニウム板に存在する深さ0.2 mmの微小傷を検出することを目的とするこれにより，航空機翼などの断裂の原因となる欠陥を早期発見できるため安全性・信頼性が向上する針状磁気プローブによる信号検出方法プローブ走査方向とSV-GMRの高感度方向を一致させることで走査ラインに存在する微小傷近辺の磁界変化を検出できる STEP 1 励磁コイルによって検査対象に渦電流を誘起するアルミニウム走査方向 STEP 2 励磁コイル渦電流傷傷がある場合，渦電流はx方向から y方向に流れが変化する (x方向の磁界が生じる) STEP 3 y z 磁界針状磁気プローブ x 傷信号検出方法傷の始端と終端で渦電流の向きが 180度異なるため，センサに感知されるx方向の磁界も180度異なる． STEP 4 出力に正負のピークが現れる表皮効果励磁周波数が高くなるにつれて電流は導体の表面に集中する．電流が金属表面での強さの「１／ｅ」に減少する点を一般的には表皮深さ“δ”で表す． 0.3 Skin depth(mm) • • アルミニウム 0.25   0.2 0.15 2  0.1 導電率σ=3.55×107S/m 透磁率μ=4π×10-7H/m 0.05 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Excitation frequency(kHz) 表皮深さδは渦電流がどの深さに流れているかの指標となる．表皮深さが傷より深いと渦電流の大部分は傷の下を流れる．金属表面探傷の実験系・条件交流電流を励磁コイルに印加渦電流による x方向の磁界励磁磁界実験条件直流電流 Ic ：1 mA Function Generator Exciting coil Model 励磁電流:90 mA 励磁磁束密度:100 µT 基準信号 Power Supply SV-GMR Sensor 直流電流 Ic Lock-in Amplifier PC 励磁周波数: 100 kHz~300kHz 基準信号と同位相の検出信号を出力走査距離：1.8 mm (0.01 mm/point) 検出信号金属表面探傷の実験系微小傷付近における出力電圧の変化深さ0.2 mm,幅0.3 mmの微小傷に対して走査を行った． 0.6 mm Output Voltage(µV) 8.00 300 kHz 200 kHz 6.00 4.00 100 kHz 2.00 0.00 -2.00 表皮効果により，励磁周波数が高くなるにつれて傷に遮られる渦電流密度が高くなった． -4.00 -6.00 -8.00 0.00 0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 Displacement(mm) 深さ0.2 mm傷に対しての走査結果 1.80 異なる傷深さの出力電圧励磁周波数300 kHzにおける深さ0.2 mm傷，深さ0.1 mm傷の出力電圧を示す． Output Voltage(µV) 8.00 0.2 mm 6.00 4.00 0.1 mm 2.00 0.00 -2.00 傷の深さによりピーク電圧値が異なる．傷に遮られる渦電流の密度が異なるため． -4.00 -6.00 -8.00 0.00 0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 Displacement(mm) 励磁周波数300 kHzによる出力電圧 1.80 まとめ (1)リフトオフ高さの縮小化 (2)針状磁気プローブによる傷検出今後の課題 (1)励磁コイル (2)深さ0.1 mm以下の傷検出おわり • ご静聴ありがとうございました．針状磁気プローブ針状プローブ励磁コイル針部針プローブが振動によって折れないようにするための補強板(アクリル板) z y x 表皮効果 Skin depth(mm) • • 励磁周波数が高くなるにつれて電流は導体の表面に集中する．電流が金属表面での強さの「１／ｅ」(＝1/2.718＝0.368）に減少するライン「Ａ」との交点までの深さを各々の周波数での電流の浸透深さ（Penetration Depth）と称して、一般的には“δ”で表す． 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0   2  伝導率σ=3.55×107S/m 透磁率μ=4π×10-7H/m 0.1 1 10 100 Excitation frequency(kHz) 1000 表皮効果 • どの程度の深さの傷を対象にするか？基準値を決め，それより深い傷を対象とする • 電流は高周波になるほど導体の表面を流れる現象を利用する(表皮効果)．傷電流導体図5．傷が基準より浅い場合長方形コイルであるメリット • 幅が狭いことで，より短い傷を探傷できる． (コイルの幅より短い傷ほど出力は小さくなるため) • 長いことにより，コイル端からの磁界の影響が少ない．図3．金属表面の傷検出モデル磁気センサの比較 • ホール素子は素子に垂直な磁界を検出するので，励磁磁界の影響を受けてしまう．励磁磁界の理論値(導出) • 図3においてのP地点での磁界を求める． b b r a x , cosθ  r´ a2  b2  x2 2 2 図4．励磁磁束の求め方励磁磁界の理論値(導出) • ビオ・サバールの法則を用いると H1  I I (cosθ＋ cosθ)  cosθ 4πr 2πr 上式のようになるが，H1のx線に垂直な分力は下辺からの磁界の垂直分力により打ち消され，x方向の分力H2のみが残る．図4．励磁磁束の求め方励磁磁界の理論値(導出) a H 2  H 1 sinφ, sinφ r Ia Iab H 2  cosθ 2 2πr 2π(a 2  x 2 ) a 2  b 2  x 2 図4．励磁磁束の求め方励磁磁界の理論値(導出) • 下辺による磁界もH2と同じである。左右両辺による磁界も全く同様にして求められ，aとbを取り換えれば良いだけである． H 2´ Iab 2π(b2  x 2 ) a 2  b 2  x 2 図4．励磁磁束の求め方励磁磁界の理論値(導出) • 長方形全体によるP点の磁界はx線上で右向き 1   1 H  ( H 2  H 2´)  2   2  2 [ A / m] 2 2 2 2 2 b x  π a  b  x a  x Iab 図4．励磁磁束の求め方励磁磁界の理論値 • 本研究の励磁コイルはa=5mm,b=10mmであり，励磁コイルと SV-GMRの距離x=3mmである。 • 導線の直径が1巻あたり0.1mmなので、xの長さは巻目ごとに変化する。 • 励磁磁界の理論値を巻目毎の磁界の合成によって算出する。図3．励磁磁束の求め方微小信号の検出 • 検波器(ロックインアンプ)を用いる • 検波器を用いることで多重周波数のノイズを含む信号から微小信号を検出できる図3．微小信号の検出回路微小信号の検出原理 ①入力信号と入力信号から取り出したい周波数成分と同周波数である参照信号とをPSDで乗算する。 ②ノイズ成分は全て交流となり、LPFで除去されることになる。 ③目的の信号と参照信号との位相を調整することによって、目的信号の振幅値に比例した直流電圧値が得られる。 2位相ロックインアンプ • PSDを2つ設け、それぞれ90度位相差のある信号で乗算する。 • すると目的の信号をそれぞれ極座標上の実部と虚部成分で検出する。 • これにより位相を調整することなく目的の信号の振幅値および参照信号との位相差が求まる。図4．微小信号の検出回路 2位相ロックインアンプ Asin(ωt+a) 0.5A{cos(2ωt+a)+cos( a)} 0.5A{sin(2ωt+a)sin(a)} 図3．微小信号の検出回路 0.5Acos(a) -0.5Asin(a)