1.3 ACFM系统

本节介绍ACFM系统。1.3.1节介绍ACFM系统的发展与研究现状，1.3.2节介绍ACFM探头的组成。

1.3.1 ACFM系统的发展与研究现状

随着ACFM技术理论的不断完善，ACFM设备也逐步成熟。从仪器的发展水平来看，目前可分为三代产品：第一代产品是以分类元件为主的ACFM仪，它仅显示相关信号（如缺陷、提离变化等）的一维信息，能够解决特定范围的无损检测问题；第二代产品是以计算机为主体的ACFM仪，它可以将ACFM特征信号的信息实时显示在屏幕上，并具有存储、报表等功能；第三代产品是在第二代产品的基础上进行优化的智能化检测仪器，其除具备第二代产品的所有功能外，还可以在检测过程中智能判断缺陷的存在，并对缺陷的几何尺寸（如裂纹长度、深度等）进行量化。从探头的发展水平来看，也主要包含三个方面，第一是检测传感器数量的增加，由单个传感器变为多个传感器；第二是适应性的提高，由开始特定的检测环境（如平板等）逐步可以适应多种工况（如焊缝、螺纹、管道等）；第三是应用领域的拓宽，随着理论和制造技术的成熟，陆上环境检测探头不断趋于完善，水下检测探头在工程现场也得到了大量应用。

国内多家高校及科研机构对ACFM技术开展了持续研究并开发了部分陆地实验样机系统。罗飞路、康中尉、陈棣湘等人针对ACFM技术开展了系统研究，将独立分量分析、小波神经网络、频率扫描和脉冲激励等技术应用于ACFM技术中，提出了基于磁通密度幅值蝶形图的斜率比值缺陷识别模型。齐玉良等人建立了空气环境中的ACFM有限元仿真模型，用以分析不同加载参数下的试件表面缺陷周围电磁场的畸变规律。倪春生等人开展了ACFM传感器、探头电磁兼容的可靠性优化设计。任尚坤等人将不同类型的磁场传感器运用到ACFM探头中，设计了信号调理电路等硬件模块，研发了集成式陆上ACFM仪。刘佳利等人搭建了ACFM扫描成像实验平台，对缺陷识别方法进行了定性研究。李勇等人利用均匀电场脉冲激励技术实现了对铝板埋深缺陷的可视化成像检测。作者及其课题组针对ACFM技术开展了持续研究，在探头结构、激励方式、信号处理、缺陷反演与评估、仪器研制等方面做了大量研究工作，针对水下ACFM技术进行了初步仿真与实验分析。国内的中海油研究总院、中海油天津分公司检测中心、海洋石油工程股份有限公司、深圳海油工程水下技术有限公司等都开展了ACFM工业现场测试。

图1-13所示为一种基本的ACFM系统原理图，一套完整的ACFM系统主要由探头、信号发生器、AD采集器和上位机组成。信号发生器产生的交变电流能加载到探头的激励线圈上，当探头移动到裂纹处时，试件表面的电流会发生扰动，进而造成空间磁场的扰动，通过探头内部的检测传感器拾取磁场的畸变情况，将磁信号转换为电压信号，通过AD采集器将模拟电压信号转化为数字量传到上位机中，经过软件的处理，就可以实现对缺陷的信号分析，得到缺陷的特征量。

1.3.2 ACFM探头的组成

ACFM探头的作用是在试件表面激发出均匀的电流并且检测畸变的磁场信号。不同类型的ACFM探头虽然外观不同，但其结构基本相同。图1-14所示为一种基本的ACFM探头，主要由磁场传感器、激励模块（激励线圈、U形磁芯）、信号处理模块和壳体组成。

1.磁场传感器

磁场传感器主要用来检测畸变的磁场信号，只要是对磁场变化敏感的传感器，如各向异性磁电阻（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）传感器、巨磁电阻（Giant Magneto Resistance，GMR）传感器及隧道磁电阻（Tunnel Magneto Resistance，TMR）传感器等都可以作为磁场传感器。

常用的传感器参数对比如表1-5所示。

本书选择TMR传感器作为检测传感器，由TMR传感器典型的输出曲线可知，在输入磁场的变化范围时，TMR传感器的电压输出和外加磁场输入具有较强的线性关系，有利于对微弱磁场进行线性感应测量。结果表明，TMR传感器有较大的线性感应范围、极低的功耗、更高的灵敏度、较宽的工作电压范围、更小的封装尺寸，非常适合对微弱磁场进行检测。

2.激励模块

ACFM是基于电磁感应的检测方式，激励源为线圈，由早期的研究可知，将激励线圈绕在金属磁芯上可以显著增强激励效果，同时经过仿真研究，U形磁芯产生的激励电场相对于矩形磁芯产生的激励电场的方向性更明显，感应电流集中在U形磁芯的腿部区域，因此激励由在U形磁芯上缠绕均匀的多匝线圈来实现。

3.信号处理模块

在大多数检测中，畸变的磁场变化量一般很小且容易受干扰噪声的影响，采用图1-13所示的ACFM系统在检测微小缺陷时的检测灵敏度很低，因此在ACFM系统中，广泛使用各种放大电路和滤波电路等信号处理电路，以提高微小缺陷的检测灵敏度。

传感器的检测信号在探头内就需要进行初步的放大和滤波处理，以防噪声信号干扰。探头内常用的信号处理芯片为AD620，其为低功耗运算放大器芯片，该芯片可以通过设置不同放大电阻实现对不同倍数信号的放大。运算放大器芯片辅以电容滤波电路就能实现对探头信号的初步滤波和放大处理，具有体积小、效率高、功耗低等优点。

4.常用的检测探头

图1-15所示为部分探头实物图。每种探头各有其独特的优势和适用范围，单探头属于线扫描，探头内部可放置单个传感器，单个传感器的分辨范围较窄，一次扫描只能提取该路径上的电磁场信息，一般用于管道和平面的线性扫描；对于大面积试件的检测来说，使用单探头需要多次重复扫描，而平面阵列探头由于内部可放置多个传感器，使分辨范围大大提高，单次扫描面积更广，检测速度更快；笔式探头适合对小试件进行检测或对试件上焊缝和管接点等阵列探头无法伸入的区域中的缺陷进行检测；外螺纹探头用于检测管道螺纹部分的缺陷；内穿式检测探头用于检测管道内壁的缺陷，外穿式检测探头用于检测管道外表面的缺陷；焊缝检测探头能对平板对接焊缝区域和两侧热影响区域同时进行检测；针对水下焊缝和水下平板结构可以分别使用水下焊缝检测探头和水下平板阵列探头进行检测。