近年來(lái)，曼徹斯特大學(xué)在半導(dǎo)體器件取得了長(zhǎng)足發(fā)展，衍生的Advanced?Hall?Sensors?Ltd.?簡(jiǎn)稱(chēng)AHS公司，已經(jīng)可以生產(chǎn)出基于?AlGaAs-InGaAs?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高靈敏度量子阱霍爾效應(yīng)?(QWHE)?傳感器。與常見(jiàn)的基于硅的霍爾傳感器類(lèi)似，這些基于砷化鎵的傳感器能夠可靠地測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度(磁通密度)和方向;但量子阱霍爾傳感器的檢測(cè)范圍更廣：100?nT(地球磁場(chǎng)的?0.5%)到?~?10?T。
霍爾傳感器在無(wú)損檢測(cè)(NDE)中的應(yīng)用并不新鮮。然而，量子阱霍爾傳感器具有更高的靈敏度、高線(xiàn)性度、更小的尺寸(3?mm?x?3?mm?x?1?mm)、更大動(dòng)態(tài)范圍以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，這使得其更適用于各種無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用。需要說(shuō)明的是，如果有需要，傳感器尺寸還可以進(jìn)一步縮小，有源元件(傳感器本身)的尺寸為?210?μm?x?210?μm?或更小。
下文介紹曼徹斯特大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用量子阱霍爾傳感器進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)方面所做的相關(guān)研究。該研究的最終目的是開(kāi)發(fā)出適用于工業(yè)應(yīng)用的設(shè)備和技術(shù)，以?xún)?yōu)化現(xiàn)有的檢測(cè)表面破損或非常接近表面?(
迄今為止，曼徹斯特大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)使用單個(gè)量子阱霍爾傳感器開(kāi)發(fā)磁力計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的點(diǎn)讀數(shù)。下一步將研究如何提高磁力計(jì)在更高磁場(chǎng)頻率(從?400?kHz?到?1?MHz)下讀數(shù)的能力，以用于?ACFM?式測(cè)量。在該團(tuán)隊(duì)研究中，有256個(gè)?QWHE?傳感器被成功集成到?16?x?16?陣列中，可以繪制?8?cm?x?8cm?檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生實(shí)時(shí)磁視(磁性相機(jī))系統(tǒng)。
該項(xiàng)研究的目標(biāo)是采用量子阱霍爾傳感器作為磁粉檢測(cè)?(MPI)和渦流檢測(cè)?(ECT)的替代品(或增加價(jià)值)。采用量子阱霍爾傳感器陣列代替磁性粒子或渦流探頭，執(zhí)行無(wú)損檢測(cè)的操作員可以快速掃描樣品，無(wú)需使用具有潛在危險(xiǎn)的化學(xué)品、噴霧劑或高強(qiáng)度磁場(chǎng)。量子阱霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是檢查區(qū)域更大，在概念上比渦流檢測(cè)?(ECT)更簡(jiǎn)單，并且可以測(cè)量泄漏的實(shí)際磁通密度即?BMFL(與僅檢測(cè)磁通?ΦMFL?的存在或檢測(cè)器線(xiàn)圈中的阻抗變化相反)。
目前，基于量子阱霍爾傳感器的磁性相機(jī)研究應(yīng)用已經(jīng)引起了?BAE?Systems公司的興趣，該公司現(xiàn)在使用的磁粉檢測(cè)?(MPI)噴霧中的油懸浮液對(duì)其制造過(guò)程產(chǎn)生了負(fù)面影響。?因此，在接下來(lái)的幾年里，將開(kāi)發(fā)出一種根據(jù)?BAE?Systems?的要求量身定制的磁性相機(jī)。
另外，曼徹斯特大學(xué)的團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一款二維掃描儀，使用不同方向的量子阱霍爾傳感器的交替線(xiàn)性陣列。這種獨(dú)特的布置使設(shè)備能夠在空間的同一點(diǎn)檢測(cè)磁場(chǎng)的不同分量(Bx?和?Bz)。因此，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)繪制二維磁場(chǎng)，從而進(jìn)行更高級(jí)的缺陷分析。
他們還探索對(duì)磁場(chǎng)分析(即渦流測(cè)量和?B-H?曲線(xiàn)測(cè)量)在檢查期間進(jìn)行材料表征的研究，嚴(yán)格測(cè)試基于量子阱霍爾傳感器的方法，并與類(lèi)似的電磁方法(包括?MPI、ECT?和?ACFM)進(jìn)行比較。要測(cè)試的因素包括可檢測(cè)性(遺漏缺陷的概率)、最小可檢測(cè)缺陷、局部分辨率、從檢查中獲得的信息、檢查所需的時(shí)間、進(jìn)行檢查的難易程度以及其他因素。該測(cè)試于?2017?年?10?月開(kāi)始，由?BAE?Systems?公司進(jìn)行監(jiān)督，以保持其完整性、高標(biāo)準(zhǔn)并確保無(wú)偏見(jiàn)。
接下來(lái)的部分重點(diǎn)介紹使用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計(jì)在低頻?ACFM?式檢查中進(jìn)行場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，該檢測(cè)采用了具有表面裂紋的真實(shí)樣本。
實(shí)驗(yàn)樣本：
本次檢測(cè)使用的樣本由?BAE?Systems公司無(wú)損檢測(cè)部門(mén)提供。它是一塊低碳鋼板，尺寸為長(zhǎng)?16?厘米、寬?14?厘米、厚?2.5?厘米。它的表面有尺寸為?14?mm?長(zhǎng)、1.75?mm?深和?40?μm?縫隙的線(xiàn)性裂紋。必須指出的是，這種缺陷是肉眼不可見(jiàn)的。
缺陷的長(zhǎng)度由?BAE?Systems?公司使用?MPI?測(cè)得，公差為?2?mm;深度通過(guò)超聲相控陣?TFM?圖像測(cè)得，如下圖?1?所示：
圖?1?–?本次檢測(cè)的樣品的超聲相控陣?TFM?圖像
實(shí)驗(yàn)裝置：
采用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計(jì)對(duì)樣品表面的磁場(chǎng)進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，尤其是測(cè)量了垂直于樣品的磁場(chǎng)分量?Bz。?然后將這些測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來(lái)，即可創(chuàng)建樣品表面的磁場(chǎng)圖。
該磁力計(jì)的檢測(cè)極限為?500?nT，能夠檢測(cè)從?DC?到?1.5?kHz?的磁場(chǎng)頻率。?基于這些參數(shù)，選取了多個(gè)磁場(chǎng)頻率(50、100、200、500?和?1000?Hz)，并創(chuàng)建了每個(gè)頻率的磁場(chǎng)圖。?施加到樣品的磁場(chǎng)由?C?形電磁體執(zhí)行，?該電磁鐵的尺寸為寬?9.5?厘米、深?3?厘米和高?8?厘米;?磁體兩端的距離為?3.8?厘米，圈數(shù)為?N。
該裝置如下圖?2?所示：
圖?2?–?實(shí)驗(yàn)裝置圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
測(cè)量結(jié)果如下圖?3?所示。
圖?3?–?曲線(xiàn)圖顯示了在?50?Hz?檢測(cè)頻率下測(cè)量的樣品磁場(chǎng)分布
圖?3(a)?MFL?信號(hào)顯示為異常，檢測(cè)出了缺陷;圖?3?(b)?為無(wú)缺陷區(qū)域的典型響應(yīng)，可以看出磁場(chǎng)的平滑變化。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
通過(guò)將圖像進(jìn)行比較，可以證明該方法能夠成功地檢測(cè)到缺陷。盡管被檢查鋼樣品上的缺陷肉眼看不到的，但使用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計(jì)可以檢測(cè)到。
另外，本實(shí)驗(yàn)顯示了量子阱霍爾傳感器的高靈敏度特點(diǎn)。結(jié)合其高線(xiàn)性度、緊湊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸、大動(dòng)態(tài)范圍以及耐高溫等特點(diǎn)，我們相信量子阱霍爾傳感器能夠適用于各種無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用。
