ANÁLISIS DE LA DETECCIÓN DE DEFECTOS SUB

40ª Reunión Anual de la SNE
Valencia, España, 1-3 Octubre
2014
ANÁLISIS DE LA DETECCIÓN DE DEFECTOS SUBSUPERFICIALES CON SENSORES MAGNETORRESISTIVOS
L.Bragado, J.Rodrigo, B.Ribes
Tecnatom, S.A.
lbragado@tecnatom.es, jrodrigo@tecnatom.es, bribes@tecnatom.es
Resumen – En este artículo se presenta el análisis de los resultados
obtenidos con diferentes prototipos de sensores magnetoresistivos en
distintas configuraciones, optimizadas para cada material de ensayo.
El artículo se centra en la detección de defectos sub superficiales en
materiales conductores, tanto no-ferromagnéticos (aluminio, acero
inoxidable) como ferromagnéticos (cladding sobre acero al carbono). Los
sensores se comparan respecto a la detección de defectos y relación
señal/ruido sobre una serie de bloques representativos de distintos
sectores industriales (nuclear y aeronáutico entre otros).
1. INTRODUCCIÓN
Los últimos avances tecnológicos han permitido el desarrollo de nuevos
sensores en el campo de los ensayos no destructivos (END) en relación a los
requisitos, cada vez más exigentes, necesarios en las inspecciones en este
área.
Las bobinas convencionales usadas en las inspecciones de corrientes
inducidas tienen un alcance limitado en cuanto a la detección de defectos que
no están abiertos a la superficie, así como en la detección de los mismos en
materiales
ferromagnéticos.
En
este ámbito,
los
sensores
de
magnetoresistencia gigante (GMR, Giant Magnetoresistance sensors) han
ocupado un lugar preferente como sensor magnético en muchas de las
aplicaciones de ensayos por corrientes inducidas gracias a sus excelentes
propiedades, entre las cuales se encuentran:
-
-
-
La sensibilidad del GMR es independiente de la frecuencia ante
variaciones de campo magnético
Poseen una sensibilidad muy alta frente a las variaciones de campo
magnético; los sensores magnetoresistivos GMR son capaces de
detectar variaciones de campo magnético de varios órdenes de
magnitud mayores que las bobinas convencionales
En relación a la detección de defectos profundos, las sondas
convencionales de corrientes inducidas, debido al efecto pelicular, tienen
limitada su capacidad de detección a bajas frecuencias, y en el mejor de
los casos, presentan una relación señal/ruido muy baja. Por lo que los
sensores magnetoresistivos GMR son una buena alternativa como
receptores a baja frecuencia
En cuanto a la tecnología de arrays, estos sensores suponen un avance
en este ámbito debido, principalmente, a dos factores como son la
resolución en el dimensionamiento y detectabilidad de defectos
pequeños y al reducido tamaño en el que pueden ser fabricados (se
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-
pueden conseguir sensores GMR de tamaño del orden de micras). Estos
factores hacen que sea posible fabricar sondas multielemento GMR en
forma de arrays que permiten una alta resolución espacial en la
detección de defectos. Actualmente la tecnología permite la integración
de 256 elementos GMR en menos de 10 mm lo que supone una
resolución espacial del orden de micras.
Estos sensores poseen una única orientación máxima de sensibilidad al
campo, propiedad que permite que la detección de variaciones de
campo se de en una única dirección. Orientando el sensor de forma que
las líneas de campo de interés sean perpendiculares a la dirección de
máxima sensibilidad del sensor se obtienen resultados de relación
señal/ruido mejores que los obtenidos con las bobinas convencionales,
las cuales se ven afectadas por campos de orientaciones diversas
procedentes de otras fuentes magnéticas
El reto que se ha propuesto Tecnatom es el aprovechamiento de las
capacidades de estos sensores en la detección de defectos sub-superficiales
en componentes de distintos materiales, maximizando la relación señal/ruido.
Para ello Tecnatom ha fabricado sondas basadas en sensores GMR con
distintas configuraciones (configuración emisor-receptor, configuración receptor
embebido en emisor, configuración 2 emisores-1 receptor) siempre
manteniendo como elemento común al GMR como receptor.
2. DESCRIPCIÓN DEL SENSOR GMR
El efecto de la magnetoresistencia gigante es el efecto por el cual, al
someter al sensor a un campo magnético externo, la resistencia eléctrica del
mismo disminuye considerablemente.
A nivel cuántico, el sensor se compone de tres películas o capas delgadas
de material, dos de ellas ferromagnéticas y una intermedia a las otras dos,
conductora. En ausencia de campo magnético aplicado, las capas
ferromagnéticas poseen una magnetización antiparalela, sin embargo, al
aplicar un campo magnético externo los espines de las capas ferromagnéticas
se alinean en la misma dirección y sentido (magnetización de las capas)
provocando una disminución de la resistencia eléctrica del sensor, con lo que
los electrones que se encuentran en la capa de conducción (capa intermedia)
se mueven con mayor libertad.
Figura 1. Efecto de magnetoresistencia gigante
Electrónicamente es equivalente a un puente de Wheatstone donde dos de
las cuatro resistencias permanecen apantalladas. Al aplicar el campo externo la
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diferencia entre el valor de las dos resistencias sin apantallar es la señal de
estudio.
Figura 2. Puente de Wheatstone
En este contexto, los prototipos de sondas GMR fabricados en Tecnatom
han sido diseñados para la detección de defectos sub-superficiales en
materiales ferromagnéticos y no ferromagnéticos.
Empleando el software de adquisición y evaluación TEDDY-GEN1 junto con
el equipo de instrumentación ETbox8i, se han realizado inspecciones de
distintos bloques patrones para la posterior evaluación de la señal recibida.
Algunas de las sondas de estudio van complementadas por una electrónica
actuando como función amplificadora, polarizadora y de filtrado del sensor.
3. DESCRIPCIÓN DE LAS SONDAS DE GMR
Una de las características más importantes de los sensores
magnetoresistivos es conocer su curva de respuesta frente al campo magnético
aplicado. Dependiendo del fabricante, hay sensores que necesitan estar frente
a un campo aplicado constante para obtener una respuesta lineal.
Acorde a las propiedades magnéticas del sensor, se han fabricado distintos
tipos de prototipos de sondas de GMR:
a. TEC1. Sonda en configuración Emisor- Receptor donde un bobinado
con núcleo de ferrita actúa como emisor y un sensor GMR hace la
función del receptor. Es necesario polarizar el sensor para que
trabaje en su zona de linealidad.
b. TEC2. Sonda en configuración Emisor- Receptor donde un bobinado
con núcleo de ferrita actúa como emisor y un sensor GMR hace la
función del receptor. El sensor GMR no es necesario polarizarlo.
c. TEC3. Sonda en configuración 2 Emisores- 1 Receptor. Las bobinas
tienen geometría cuadrada con el objetivo de aprovechar el mayor
número de líneas de campo de los emisores.
d. Embebido. Sonda en configuración Emisor- Receptor con el sensor
embebido en el interior de la bobina emisora.
En todas las sondas se han estudiado los parámetros configurables tanto
mecánicos, como puede ser la distancia entre emisor y receptor, como
eléctricos, como son frecuencia, amplitud de voltaje, ganancia, etc., con el
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Equipo y software fabricados en Tecnatom
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objetivo de optimizar la detección de defectos sub superficiales con una calidad
de señal óptima.
Algunos de los prototipos de sensores magnetorresistivos usados en las
pruebas son mostrados a continuación:
embebido
Figura 3. Prototipos de sondas fabricadas en Tecnatom cuyo elemento receptor
es un GMR
4. PATRONES DE ENSAYO
Los patrones donde se han realizado las pruebas son bloques
representativos de zonas de componentes típicos del sector aeronáutico y
nuclear. De los materiales testeados se encuentran el aluminio, el acero
inoxidable y el acero al carbono.
El objetivo del ensayo es la detección de los defectos sub-superficiales.
A continuación se muestran los planos de los bloques del estudio.
Área
inspeccionada
C1
C2
C3
A1
A2
1
Aluminio
2
Acero
inoxidable
4
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Área
inspeccionada
3
Acero inoxidableAcero al carbono
Figura 4. Patrones inspeccionados con sondas de GMR
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Las inspecciones se han realizado con el posicionamiento del eje de
máxima sensibilidad del sensor perpendicular a la superficie a inspeccionar, y
con sentido de desplazamiento perpendicular a la mayor longitud del defecto.
Son inspecciones realizadas manualmente por lo que la velocidad de
inspección no es la misma en todas las adquisiciones.
Figura 5. Trayectoria que sigue el sensor en la inspección de los bloques
propuestos
En la tabla resumen mostrada a continuación se describe los ligamentos
máximos detectados (defecto más profundo) que cada sonda es capaz de
detectar, en amplitud de señal, en cada bloque y la relación señal/ruido
(expresada en dB).
SONDA
TEC1
TEC2
TEC3
embebido
1
mm
8
8
2
6
dB
42
57
31
30
BLOQUES
2
mm
dB
7
6
5
Noise
0
*
*
*
3
mm
3,26/19
3.26/26
2.1/10
2.1/3
dB
19
26
10
3
*Esta combinación no se ha probado
Tabla 1. Ligamento máximo detectado (mm) con las diferentes sondas GMR en
los distintos bloques y relación de señal/ruido (dB)
A continuación se muestran algunas gráficas sobre los resultados más
representativos de los mostrados anteriormente en la tabla resumen.
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TEC1
NVE
GMR
probe
SQUARE
TEC3
COILS GMR
pobe
respuesta de señal (mV)
70
C1-1mm
f= 1000Hz
bloque 1
60
50
40
30
C2- 2mm
20
C3- 3mm
10
0
-10
tiempo de adquisición (s)
Figura 6. Respuesta de señal en mV de diferentes sondas GMR en el bloque
de Aluminio a 1000Hz. Los defectos de este bloque tienen por ligamento 1mm,
2mm y 3mm.
Como se aprecia en la gráfica la sonda TEC1 tiene una respuesta de señal
en amplitud mucho mayor que el resto de sondas GMR, obteniendo en todas
ellas una relación señal/ruido buena. La sonda con el GMR embebido no se ha
representado ya que, aunque los defectos con esos ligamentos C1, C2 y C3
son detectados, la respuesta de señal es tres órdenes de magnitud inferior a la
respuesta de TEC3, por lo que es inapreciable en la gráfica.
La respuesta de señal de la sonda GMR TEC3, capaz de detectar defectos
con ligamentos máximo de 2 mm (como se observa en la gráfica anterior), es
muy baja en comparación con la respuesta de TEC1.
Con la sonda TEC2 no se obtuvo respuesta a 1000 Hz, sin embargo a 400
Hz la respuesta de la sonda fue buena como se aprecia en la siguiente gráfica,
aunque no es comparable en cuanto a amplitud de señal se refiere con la
respuesta de TEC1.
respuesta de señal(mV)
9
8
7
6
5
4
SENSITEC GMR
3
probe
2
1
0
-1
C1 - 1mm
f= 400Hz
bloque 1
C2 - 2mm
C3 - 3mm
tiempo de adquisición (s)
Figura 7. Respuesta de señal en mV de diferentes sondas GMR en el
bloque de Aluminio a 400Hz. Los defectos de este bloque tienen por ligamento
1mm, 2mm y 3mm.
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3,5
NVE
GMR
TEC1
probe
respuesta de señal (mV)
SENSITEC
TEC2
GMR probe
f= 1000Hz
bloque 2
A2 - 7mm
3
2,5
2
1,5
A1 - 5mm
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
tiempo de adquisición (s)
Figura 8. Respuesta de señal en mV de diferentes sondas GMR en el bloque
de Acero Inoxidable a 1000Hz. Los defectos de este bloque tienen por
ligamento 5mm, y 7mm.
En las pruebas realizadas en este bloque, la sonda TEC1 ha sido la sonda
GMR con la que se han obtenido buenos resultados en cuanto a respuesta de
señal se refiere. Como se aprecia en la gráfica la sonda TEC1 es capaz de
detectar ambos defectos, de ligamentos 5mm y 7 mm, sin embargo, la relación
de señal/ruido empeora considerablemente en comparación con el caso
anterior. Tanto con la sonda TEC2, TEC3 como con la sonda con el GMR
embebido no se han obtenido resultados de detección de defectos en este
bloque.
15
f= 1000Hz
bloque 3
E2- 2,1 mm
respuesta de señal (mV)
10
E1-0 mm
E3- 3,26 mm
NVE
GMR probe
TEC1
5
0
-5
-10
tiempo de aduisición (s)
Figura 9. Respuesta de señal en mV de diferentes sondas GMR en el bloque
de Acero Inoxidable-Acero al Carbono a 1000Hz. Los defectos de este bloque
tienen por ligamento 0mm (defecto abierto a la superficie), 2.1mm y 3.26mm.
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En este caso la sonda TEC1 tiene una respuesta de señal en amplitud
mucho mayor que el resto de sondas GMR a frecuencia 1000Hz, detectando
defectos con ligamento hasta 3,26 mm en material ferromagnético. A esta
frecuencia con TEC2 y TEC3 no se obtiene respuesta del sensor en cuanto a
detección de defectos, al igual que ocurre con la sonda con el GMR embebido.
Sin embargo, a 400 Hz, como ocurre en el bloque de aluminio, la respuesta de
la sonda TEC2 fue buena como se aprecia en la siguiente gráfica, aunque no
es comparable en cuanto a amplitud de señal y relación señal/ruido se refiere
con la respuesta de TEC1. La señal de TEC3 y de la sonda con el GMR
embebido son demasiado ruidosas y la respuesta en amplitud de señal no es
buena.
0,8
E1- 0 mm
SENSITEC_
TEC2
f3
respuesta de señal (mV)
SQUARE_C
TEC3
OILS_f3
0,6
0,4
f= 400Hz
bloque 3
E2- 2,1 mm
E3- 3,26 mm
0,2
-1E-15
GMR
GMR
embebido
SENSITEC
eje paralelo
embebido
hilo 0,1
-0,2
-0,4
-0,6
tiempo de adquisición (s)
Figura 10. Respuesta de señal en mV de diferentes sondas GMR en el bloque
de Acero Inoxidable-Acero al Carbono a 400 Hz. Los defectos de este bloque
tienen por ligamento 0mm (defecto abierto a la superficie), 2.1mm y 3.26mm.
6. CONCLUSIONES
Según los resultados obtenidos los sensores magnetoresistivos tienen una
clara ventaja frente a las bobinas convencionales en relación la detección de
defectos sub-superficiales se refiere. Los resultados son prometedores en
cuanto a la capacidad de detección a gran profundidad, su sensibilidad frente a
defectos de menor tamaño y la detección en materiales ferromagnéticos. Estos
avances nos llevan a seguir mejorando y optimizando los ensayos con
elementos magnetoresistivos con el objetivo de detecciones a mayor
profundidad conservando la calidad en la relación señal/ruido. El uso de los
sensores magnetoresistivos GMR se va a extrapolar a otros ensayos no
destructivos, como puede ser la técnica de Fuga de Flujo Magnético (MFL).
Los avances posteriores vendrán ligados con el desarrollo de un array de
GMR’s, donde el ahorro en tiempos de inspección se prevé que sean
considerables.
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