1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外发展现状

在国外，Sadeghi等人最先提出利用U形线圈激励来获得均匀磁场，并且讨论了在铁磁性金属表面上的疲劳损伤对表面磁场的分布，使用弧形槽来模拟疲劳损伤。加拿大纽芬兰纪念大学对ACFM技术用于薄壁奥氏体不锈钢管内表面的缺陷检测进行了研究。Lewis等人总结了前人对ACFM技术的研究，基于试件表面电流场稳定且均匀的前提，对试件外部磁场与表面磁场进行了耦合研究，首先建立了一种通用ACFM理论模型。Salemi等人提出了不同形状的激励线圈下激励场的计算模型，将被测试件表面的磁场分解为激励场和裂纹引起的扰动场并分别进行计算。Kan等人提出了构造用ACFM裂纹的数学模型和建立有限元数值的模拟缺陷定量，并解决了裂纹尺寸对ACFM精度的影响。为了减小探头提离对检测结果的影响，并对裂纹附近的扰动信号进行拟合，Reza K.Amineh提出了用盲反卷积方法计算金属试件裂纹附近电磁场的分布。Hasanzadeh等人提出了采用基于模糊算法的最小二乘法来模拟缺陷裂纹信号。当利用ACFM技术对金属试件中的裂纹进行检测和量化时，Ravan M采用神经网络算法对扰动电磁场检测到的特征值进行计算，以此确定疲劳裂纹的深度及轮廓信息。Akbari-Khezri建立了ACFM技术圆柱表面裂纹检测理论模型。Nicholson等人针对轨道滚动疲劳裂纹建立了ACFM快速仿真模型，对滚动疲劳裂纹的倾斜角度和簇状裂纹的影响进行了相关分析，采用神经网络技术构建了复杂裂纹的反演方法。Ravan和Sadeghi建立了任意形状激励线圈下任意截面表面裂纹的理论模型。Saguy等人解释了试件表面电流在裂纹深度方向的扰动规律，并给出了裂纹深度的估算公式。

探头作为检测技术的核心部件，对检测效果起着至关重要的作用。在国外，Dariush Mirshekar-Syahkal设计了对于细小裂纹检测具有较高灵敏度的新型一维阵列探头，这种探头的激励线圈采用菱形结构。Raine开发了复合矩形线圈，实现了自差分、自调零，大大提高了检测速率。W.Ricken等人改变了探头的单一传感器模式，增加了传感器数量，发现了可以更为有效地进行应力检测的方法。W.D.Dover等人设计了一种新型交流电磁场应力检测探头，由原来的一个激励探头变为互相垂直放置的两个激励探头，实验验证了其可行性，并得出了残余应力计算方法。

Blakeley、Davis、Topp和Lugg采用仿真和实验方式将ACFM技术应用于导管架焊缝、输油管道、核电、锚链、螺纹等各类不同结构物缺陷的检测和评估中。Smith等人开展了核电站燃料水池覆面板焊缝缺陷ACFM实验，分析了检测速度、辐噪环境下ACFM装置的检出率。Papaelias等人先将ACFM技术用于对铁轨缺陷的定位和定量，再对铁轨进行高速检测分析。2010年，Blakeley和Lugg将ACFM技术运用到具有金属表面涂层的试件中。为了提高轨道疲劳裂纹检测的效率及可靠性，2011年，Rowshandel等人提出了用ACFM技术实现自动化检测，开始将自动化ACFM传感器初步应用于对轨道疲劳裂纹的检测，并于2013年研发了用于探测轨道疲劳裂纹的检测系统；在超高速检测环境下，提离高度会发生变化，这将导致ACFM背景信号值不停地跟着变化，对检测造成了极大影响，为了克服该问题，Rowshandel等人于2014年提出了一种结合信号极限与信号匹配的理论，很好地解决了在这种检测环境下进行检测所带来的问题。

随着ACFM技术的成熟，该技术开始商用。英国技术软件公司（TSC）对ACFM技术的研究和推广源于1991年，该公司研制出第一台ACFM装置，并成功用于北海平台的水下检测。1996年，TSC研发出基于ACFM技术的自动螺纹检测（ATI）系统。2000年，TSC的R.F.Kare对ACFM阵列探头裂纹监测进行研究。2005年TSC在加拿大对管道进行ACFM，透过防腐层可检测应力腐蚀裂纹（SCC）。2007年，TSC在法国应用ACFM设备，对炼厂的储罐内部底板焊缝进行检测，检测速度达100m/h，结果可靠。1991年其在北海平台进行ACFM的水下应用，此后世界上许多主要检测单位使用ACFM系统，用于近海平台、海底结构、海底焊缝和船体结构等平台的检测。2010年，TSC研发的商用水下ACFM系统，能够覆盖3000m以内水深结构物的缺陷检测，其中一款便携式水下结构缺陷ACFM产品为U31D，其能够满足300m水下结构物的缺陷检测需求，如图1-3所示。2009年，美国MISTRAS Services Division公司利用ACFM技术成功检测了吊车吊杆的表面缺陷，并于同年成功对不锈钢表面进行检测。

TSC致力于ACFM技术在水下、螺纹、管道、焊缝等方面的研究，目前该公司生产ACFM系统与仪器的技术居世界领先水平。表1-1和图1-4所示分别为TSC研发的各系列探头的分类、实物图；图1-5所示为TSC研发的ACFM系统与仪器。

1.2.2 国内发展现状

在国内，1998年中国船级社的汪良生介绍了ACFM的要求和程序。北京工业大学对ACFM技术关注较早，早在2001年便开始着手研究该技术，陈建忠与史耀武对该技术的原理、优点与信号做了初步分析。国防科技大学紧随其后，于2003年开始研究该技术，其建立了测量薄板缺陷的检测系统，利用有限元数值仿真方法对表面缺陷周围空间的电磁场分布特性进行研究和描述，建立了国内第一个ACFM系统的仿真模型，设计了“点式”传感器，研究了缺陷处磁场分布的特点，并设计了应用于该技术的激励信号源。中国石油大学（华东）则对该技术进行了较为系统和全面的研究，从2004年开始至今，一直都在从事对该技术的研究。以陈国明教授为代表的中国石油大学团队使用ANSYS仿真软件，对ACFM技术进行了仿真分析，并建立了相应的数学模型；开发了ACFM实验平台；对水下缺陷的ACFM进行了仿真和实验分析；分析了被检试件的材料属性对ACFM信号的影响；研究了管棒类试件轴向裂纹的ACFM方法。南昌航空大学以任尚坤教授为代表，于2008年开始对ACFM技术进行研究。其研究了铁磁性和非铁磁性两类材料在不同的ACFM频率下，被检试件表面磁场分布的特点；分析了试件表面 B _x 、 B _z 信号分量与缺陷的对应关系；任尚坤等人采用仿真分析的方法对空气环境下扰动磁场特征量的影响因素进行了分析；宋凯等人对U形磁芯的ACFM与AC-MFL原理进行了辨识。李安强等人利用ACFM方法对焊缝进行跟踪研究。湘潭大学洪波、汤迪铭、李安强等人将ACFM技术用于焊缝焊接过程中的焊缝跟踪，并将ACFM应用于其他领域，扩大了ACFM的应用范围。吉林化工学院潘晓明等人借助仿真分析焊缝缺陷对ACFM的影响，结合焊缝缺陷试样的ACFM实验，研究彼此之间的相互关联。

在国内，中国石油大学（华东）研究了该技术中裂纹的反演计算方法；葛玖浩针对管道的簇状裂纹进行了识别和三维轮廓重构的研究。2017年吴衍运对基于ACFM的缺陷三维可视化技术进行了研究，并取得了一定成果。南昌航空大学根据裂纹的特征与裂纹处磁场分布的特点，建立了裂纹的反演算法。胡书辉等人开展了对ACFM特征信号与裂纹反演的研究，给出了试件二维表面裂纹形状的反演算法。冷建成等人开展了金属磁记忆（Metal Magnetic Memory，MMM）与ACFM技术联合的自升式海洋平台检测实验，利用MMM检测并分析应力集中部分，借助ACFM评估应力集中部分的缺陷深度尺寸。赵玉丰建立了两种探头模型，一种是含有三组裂纹缺陷的模型，另一种是检测线圈相互垂直的模型，并定量分析缺陷的信息。中国石油大学（华东）对探头的结构进行了优化，进一步加深了对阵列探头的研究，仿真模拟了阵列探头排布间距对检测效果的影响并进行了实验验证，制作出阵列探头，并搭建系统进行实验测试，针对ACFM任意走向的裂纹开展了相关研究，提出了正交双U形ACFM探头。同时，为了实现管柱表面裂纹的全周向快速检测，其提出了外穿式ACFM探头和亥姆霍兹探头。

随着技术的发展，国内学者开始关注ACFM设备的研制。国防科技大学的康中尉与罗飞路教授对ACFM技术做了大量的数值模拟，并开展了ACFM仪的研制。南昌航空大学设计了基于该技术的信号处理电路，进行了ACFM仪的开发，研制了基于巨磁电阻（GMR）传感器、隧道磁电阻（TMR）传感器的ACFM试验样机；南昌航空大学宋凯老师团队对交流电磁场的应力检测技术进行了研究，并研发了一套交流电磁场应力检测系统。针对传统ACFM系统的稳定性和实时性差的问题，南昌航空大学的张亚帆等人提出了一种基于S3C2440和嵌入式Linux操作系统的ACFM裂纹信号采集分析系统的设计方案，研究并设计了一套基于ARM9的嵌入式ACFM系统。为将仪器做到小型化、便携式，南昌航空大学的周留赐进行了便携式交变电磁场检测仪器的研制及实验。中国石油大学（华东）的李伟教授对缺陷的智能可视化方向进行了深入研究及相关仿真，基于LabVIEW软件开发了检测仪器。袁新安着重研究了水下结构物缺陷ACFM的智能检测和三维重构，并开发了一套智能水下检测系统。2010年张祎达研发了一套便携式ACFM系统，以便在工程环境中使用。李文艳制作并开发了一系列探头，这些探头可以适应不同形状的结构物，并研制了工业样机进行实验测试。刘涛研制并开发了水下检测探头，对水下检测探头进行了结构设计和加工制作，并开发出配套系统进行实验测试。贾廷亮针对隔水管研发了一套快速缺陷检测系统。姜永胜侧重于研究焊缝检测，其研发了一套检测系统。马维平研发了一套便携式水下ACFM智能系统。中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心在理论研究和实验的支持下，研发了不同类型的陆上交流电磁场智能检测仪与水下交流电磁场智能检测仪。陆上交流电磁场智能检测仪如图1-6～图1-9所示。图1-10与图1-11所示为研发的便携式水下交流电磁场智能检测仪，分别可实现对50m与500m水深结构物的缺陷检测。其所研发的交流电磁场智能检测仪均可满足工程需要，已应用于压力容器、压力管道、工业锅炉、大型钢结构、海上石油平台、火车铁轨、火车轮毂、高压线缆、船舶、各种规格螺栓等中。

在检测探头制作及研发方面，我国已研发出笔式探头、平面探头、螺纹螺栓探头、带编码器探头等多种检测探头。各种可选检测探头如表1-2与表1-3所示。

1.2.3 国内外对比

综上可知，在理论研究方面，国内外对ACFM的研究均取得了一定成果。在技术应用方面，国外主要是TSC在研究ACFM，并针对不同的检测对象开发不同的仪器及探头；国内主要是各大高校在研制不同的ACFM仪器，其中中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心在理论研究和实验的支持下，研发了不同类型的陆上交流电磁场智能检测仪与水下交流电磁场智能检测仪，并针对不同的工况开发了不同类型的探头，而其他高校目前研发的仪器大多处于实验室样机及系统研究阶段。ACFM系统如图1-12所示。

国内外仪器优劣对比如表1-4所示。