基于U型探头的ACFM和AC_MFL法的机理辨析
afm工作原理
afm工作原理静电力学顺序反映了计算材料表面分子或原子结构与特性的研究。
它以电子密度场中的分子或原子图片作为基准进行分析。
原子力显微镜（AFM）是一种用于表征晶体表面及研究其复杂分子结构的方法。
该技术可以将物理原理和化学性质结合在一起，使研究变得更加容易。
AFM基于静电原理，利用电荷斥力来测量表面细微结构。
原子力显微镜在其电荷斥力的作用下将扫描的表面图像转化成电荷数据，再将其记录下来形成表面形态的三维像。
原子力显微镜的基本原理是在一个工作面上将微小的探针晶体夹具固定在一起。
这个夹具上有一个称为穿刺锥（probing cone）的小尖头，该尖头具有静电力学特性，可以对表面产生斥力。
此外，穿刺锥也可以检测表面的微弱的变形，并将变形的感应电势转换成信号发送给上位机控制系统，同时也可以根据该变形的强度，精确度，大小，厚度等进行实时的监控，同时将探测的结果反馈到控制系统中。
原子力显微镜的工作方式是将微小的探针晶体放置在待测物质表面上，然后把夹具移动到靠近待测物质表面的位置，当探针晶体越靠近表面时，斥力就会增强，表面就会变得更加光滑；而当斥力变弱时，表面就会变得更加粗糙。
探针晶体的移动产生的信号被上位机控制系统检测到后就会被发送给上位机，由上位机控制器把这些检测信号变成图像显示出来，从而给出所测表面的形态等分析。
具体而言，原子力显微镜的工作原理是由三个步骤组成的：首先，在工作面上安装探针晶体；其次，探针晶体施加斥力，这是通过探针晶体上位机控制系统检测出来的；最后，检测到的斥力信号发送给上位机，由上位机把检测信号变成三维图像显示出来。
基于原子力显微镜的研究，不仅有助于研究材料层次结构，更重要的是可以用来优化材料性能，比如改善分子结构，优化化学反应等等。
ut检测原理
ut检测原理UT检测原理超声波检测是一种广泛应用于工业与民用领域的非破坏性检测方法，其优点在于能够穿透被测物件内部的材料，检测出结构缺陷、变形、裂纹等问题。
UT检测在制造业、石化、航空航天、交通运输、建筑等领域得到广泛应用。
那么，UT检测的原理又是什么呢？UT检测的基本原理是由超声波的纵波(L波)、横波(T波)以及表面波(S 波)共同组成。
其中，L波是指超声波在测试物质内扩散时的纵向波动，即以杆状铅垂直方向传导的波。
T波是指超声波在测试物质内扩散时的横向波动，与L波垂直方向传导。
S波是指波沿着被测物体表面运行的波。
当它遇到一个界面时，在界面处发生反射和折射，从而形成回声。
在实际检测中，我们需要利用发射探头发出超声波，并通过接收探头接收到反射波。
当发射探头发送超声波时，被测物体的内部结构和材质会影响超声波的传播和反射。
这些影响可以呈现出不同的回声模式，可以通过接收探头接收到这些模式，然后进行分析。
在对收到的信号进行分析时，我们可以利用声速和声阻抗的差异计算出被测物体内部区域的密度、弹性模量、速度等参数。
此外，UT检测还可以检测不同类型的表面裂纹、内部缺陷和变形。
通过对数据的处理和分析，我们可以识别出各种类型的问题，为进一步的维护和修复提供指导。
总体来说，UT检测的原理是利用超声波在不同介质中的传播特性及其反射、折射、干扰等现象，以检测材料内部或表面的缺陷、变形和裂纹等问题。
它的优点在于非破坏性、全面性和高灵敏度。
此外，UT检测还可以提供连续性监测和测量，对改善工业生产效率和提高产品质量具有重要的作用。
综上所述，UT检测是一种非常通用的检测法，其检测原理是基于超声波在不同介质之间的传播特性。
尽管UT检测需要针对不同物料进行参数调整，但是当我们熟悉了UT检测的基本原理之后，通过分析数据，我们可以有效地监测到潜在的问题。
这使得UT检测成为了工业生产和维护领域中不可或缺的检测工具之一。
开尔文探针力显微镜原理
开尔文探针力显微镜原理开尔文探针力显微镜（Kelvin Probe Force Microscope，简称KPFM）是一种基于原子力显微镜（AFM）的表面电荷测量技术。
它通过测量电荷引起的电势差来研究材料的电学性质，包括表面电荷分布、电化学反应、电势分布等。
KPFM的原理基于开尔文（Kelvin）电位法，该方法由威廉·汤姆生（William Thomson）开发，在19世纪70年代被用于测量金属导体的电势。
KPFM是将开尔文电位法与AFM的力测量技术相结合，可以在纳米尺度上测量表面的电荷分布。
KPFM的关键元件是探针，它包括扫描探针和参考探针。
扫描探针是一根细尖的导电材料，被用来感知表面电势变化。
参考探针则是位于一定距离处的金属探针，它固定在一个已知电势上，作为基准电势。
KPFM的工作原理如下：1.扫描探针接触到待测表面：在AFM模式下，扫描探针通过在扫描区域上下移动，可以检测到表面的高度拓扑结构。
2.探针-表面之间的相互作用：表面的电荷分布会引起探针与表面之间的静电力，这个力与待测表面的电势差成正比。
3.参考探针的作用：参考探针通过与表面保持恒定的电势差，起到一个参考，可以准确的测量表面的电势。
4.电势差的测量：KPFM通过比较扫描探针和参考探针之间的电势差来测量表面的电势差。
根据扫描探针的位置和电势差的大小，可以绘制出电势分布的图像。
5.数据分析：根据电势分布的图像，可以确定材料的电荷分布、电势分布和表面电化学反应等信息。
这些信息可以用于研究半导体器件、薄膜材料、生物材料等领域。
KPFM具有高分辨率、灵敏度和非接触测量的特点，广泛应用于纳米电子学、材料科学、表面化学等领域中的电学性质研究。
与其他电荷检测技术相比，KPFM在原子尺度上提供了更高的空间分辨率和灵敏度。
但是，KPFM也存在一些限制，例如在空气中的应用受到电场屏蔽的影响，需要在真空或者恶劣环境下工作。
总之，KPFM利用原子力显微镜的力测量技术，结合开尔文电位法，可以在纳米尺度上测量表面的电势差，研究材料的电学性质。
AFM原理及功能介绍
Tapping Mode & Contact Mode
№ 4 Tapping mode Contact mode
5
适用于形貌变化小的，软 适用于形貌变化大的 的样品 样品 有phase图像，拉力阻力 无phase图 小，图像黑，推力阻力 大，图像亮；部分反映 软硬，亮时硬，软时暗 （force modulation也反 映软硬）
Interleave Mode AFM
Interleave Mode AFM
Conductive or Magnetic Domains
Interleave Mode AFM
1. Cantilever traces surface topography on first trace. 2. Cantilever retraces surface topography on first retrace. 3. Cantilever ascends to Lift scan height. 4. Lifted cantilever profiles topography while responding to magnetic
优点： 具有很高的扫描速度（通过量） 接触式AFM是能得到原子分辨图像的唯一AFM技 术。 在垂直形貌图上粗糙样品有急变有时用接触模式很 容易扫描。
Contact Mode AFM
缺点： 侧向（剪切）力能扭曲图象特征。 在探针-样品在空气中相互作用的法向力很高，取决于样品 表面吸收液层的capillary forces（毛细力）。 侧向力和高的法向力的合力能降低空间分辨率和破坏柔软 样品（即生物样品、高聚物、硅等）主要是取决于探针和
许多样品（1nm-5nm）都具有很高的侧向
压电力显微镜pfm工作机理
压电力显微镜(PFM)工作机理什么是压电力显微镜(PFM)压电力显微镜(Piezo Force Microscopy, PFM)是一种常用的显微镜技术，用于研究材料的压电性质和力学性质。
它利用压电效应和原子力显微镜(AFM)的原理实现对材料的微观表征和测试。
压电效应压电效应是指某些晶体材料在受到机械应力时会产生电荷分布的现象。
这种效应是基于反比于应力的偏压电位或电荷的非线性响应。
压电效应是许多材料的基础，如石英，铁电体等。
压电力显微镜工作原理压电力显微镜利用原子力显微镜(AFM)的原理，并通过更改AFM探针的工作模式来实现对压电性质的测量。
以下是PFM的常见步骤：1.样品表面扫描：首先，用AFM扫描样品表面以获取样品的形貌信息。
这可以通过利用探针的扫描机械来实现，探针顶端与样品表面相距几纳米。
扫描期间，探针记录表面的高程变化。
2.AC工作模式切换：在常规AFM工作模式下，探针是通过垂直弯曲来检测样品表面的力，从而测量表面的形貌。
为了进行PFM测试，需要将AFM切换到AC工作模式。
在AC模式下，探针以振荡的方式工作。
探针的振幅将在表面与探针之间交替测量。
3.应用交变电压：在AC工作模式下，将交变电压应用到压电材料上。
交变电压将使压电材料振荡，并产生相应的机械应力。
这个机械应力将导致压电效应而引起压电材料表面电荷的分布变化。
4.探测电荷变化：通过探针与样品表面之间的相互作用，可以测量到表面的电荷变化。
当探针接触到样品表面上的电荷时，电荷会通过探针被检测到。
这种电荷变化可以通过改变交变电压频率以及在不同位置上进行扫描来进行定量测量。
5.生成电荷分布图像：通过记录在表面上检测到的电荷变化，可以生成电荷分布图像。
这些图像可以显示出样品表面的压电性质和局部表面电荷分布。
压电力显微镜的应用压电力显微镜具有广泛的应用领域，包括材料科学、纳米技术、生物医学和电子器件测试等。
以下是一些典型的应用：1.压电材料研究：压电力显微镜可用于对压电材料的性质进行研究。
ACF电流模PWM控制技术的研究与实现
ACF电流模PWM控制技术的研究与实现ACF电流模PWM控制技术的研究与实现摘要：随着电力系统的不断发展和需求的增加，变频调速技术在工业和交通领域得到了广泛应用，而ACF电流模PWM控制技术作为其中重要的一种调速控制方法，具有高精度、快速响应和良好的稳定性等优点。
本文主要研究和实现了ACF电流模PWM控制技术，探讨了其原理、特点以及在实际应用中的可行性和效果。
一、引言随着电力设备和系统的不断发展，对电机调速控制的要求越来越高。
ACF电流模PWM控制技术由于其优越的性能和可靠性被广泛应用于电力系统中的调速装置中。
本文将着重介绍ACF电流模PWM控制技术的原理及其在调速控制中的应用。
二、ACF电流模PWM控制技术的原理和特点1. 原理ACF电流模PWM控制技术是一种通过控制交流电流的幅值和相位角来控制电机输出转矩的调速控制方法。
其主要原理是通过对电流模型进行建模和控制，使电流满足特定的转速需求，从而控制电机的转速和输出功率。
2. 特点ACF电流模PWM控制技术具有以下特点：- 高精度：电流模型的建模和控制算法能够精确地控制电机的转速和输出功率，提供高精度的调速控制。
- 快速响应：ACF电流模PWM控制技术具有快速的响应特性，在电机启动、加速和减速过程中可以快速调整电流控制参数，提供良好的控制性能。
- 稳定性好：通过对电流模型进行精确建模和控制，能够保持电机的稳定运行状态，提供良好的稳定性。
三、ACF电流模PWM控制技术的实验研究为了验证ACF电流模PWM控制技术的有效性和可行性，本文进行了一系列的实验研究。
首先，在实验室中搭建了ACF电流模PWM控制的调速系统，然后通过对不同负载和转速要求下的实验，评估了该技术在不同工况下的性能。
实验结果表明，ACF电流模PWM控制技术具有较高的控制精度，并且能够在不同负载和转速要求下快速响应，实现了稳定和可靠的调速控制。
实验还发现，ACF电流模PWM控制技术对电机的控制性能不受负载和转速要求的影响，能够在不同工况下保持较好的稳定性。
无损探伤磁粉考试问答及答案
1.1 简述磁粉探伤原理答：磁粉探伤是指铁磁性材料和工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合适关照下目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置，形状和大小的一种探伤方法。
1.2简述磁粉探伤的适用范围答：磁粉探伤适用于铁磁性材料表面和近表面尺寸很小、间隙极窄、目视难以看出的不连续性。
2.1试阐述下列概念：a .磁场 b. 磁导率 c. 磁畴 d. 起始磁化曲线e . 磁滞现象f . 矫顽力g . 软磁材料h . 硬顽力I. 居里点 j. 退磁场 k. 磁路答： a. 磁场是具有磁力线作用的空间，磁场存在于被磁化物理或通电导体的内部和周围。
b. 表征磁介质磁化的难易程度的物理量称为磁导率。
c. 铁磁性材料内部自发的磁化的大小和方向基本均匀一致的小区域称为磁畴。
d. 在B-H曲线中，从满足H=0，B=0的原点至B的最大值处的B-H曲线段，叫做起始磁化曲线。
e. 在外加磁场的方向发生变化时，磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的现象称为磁化现象。
f. 用来抵消剩磁的磁场强度（或反向磁化强度）称为矫顽力。
g. 指磁滞回线狭长具有高磁导率、低剩磁、低矫顽力和低磁阻的铁磁性材料称为软磁材料。
h. 指磁滞回线肥大具有低磁导率、高剩磁、高矫顽力和高磁阻的铁磁性材料称为硬磁材料。
i. 铁磁性物质在加热时，使磁性消失而转变为顺磁性物质的那一温度叫做居里点。
j. 把铁磁性材料磁化时，由材料中磁极所产生的磁场称为退磁场。
k. 磁感应线通过的闭合路径叫做磁路。
2.2常用的磁导率有几种，其定义是说明答：常用的磁导率有三种：绝对磁导率、真空磁导率、相对磁导率。
绝对磁导率是指磁感应强度B与磁场强度H的比值。
用符号µ表示。
是随磁场大小不同而改变的变量，在SI 单位制中的单位是亨[利]每米[H/m]。
真空磁导率是指在真空中，磁导率是一个不变的恒定值，又称为磁常数，用µ0表示：µ0=4 ×10-7 H/m相对磁导率是指为了比较各种材料的磁导能力，把任一种材料的磁导率和真空磁导率比值，用µT表示。
afm的工作原理
afm的工作原理AFM的工作原理一、引言原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的表面形貌观测仪器，可以实现纳米级别的表面形貌测量和成像。
它是由美国物理学家贝特·戴维德（Binnig Gerd）和海因里希·罗尔夫（Rohrer Heinrich）于1986年发明的。
AFM采用扫描探针技术，通过探针与样品表面之间的相互作用力来获取样品表面形貌信息。
二、扫描探针AFM中最重要的部件是扫描探针。
扫描探针通常由硅或硅化物制成，具有尖端结构。
扫描探针可以通过悬臂梁固定在仪器上，并且可以在x、y、z三个方向上移动。
三、扫描方式AFM采用扫描方式进行成像。
在扫描过程中，探头被放置在样品表面上，并沿着x和y方向进行移动，同时z方向保持不变。
当探头接近样品表面时，会出现范德华力或静电斥力等相互作用力，这些力会导致探针的弯曲或振动。
AFM通过测量探针的弯曲或振动来获取样品表面形貌信息。
四、力-距离曲线在扫描过程中，AFM通过记录扫描探针受到的相互作用力和距离之间的关系，得到力-距离曲线。
力-距离曲线可以反映出样品表面形貌信息。
当扫描探针接近样品表面时，会出现范德华力或静电斥力等相互作用力，这些力会导致探针的弯曲或振动。
AFM通过测量探针的弯曲或振动来获取样品表面形貌信息。
五、成像方式在得到了力-距离曲线之后，AFM可以通过计算机处理数据来生成样品表面形貌图像。
AFM有两种成像方式：接触模式和非接触模式。
1. 接触模式接触模式是最常用的成像方式之一。
在接触模式下，扫描探头与样品表面保持接触状态，并且在z方向上施加一个微小的压力（通常为纳牛顿级别）。
此时，扫描探头会不断地在样品表面上移动，并且记录下力-距离曲线。
通过对这些数据进行处理，可以生成样品表面形貌图像。
2. 非接触模式非接触模式是另一种常用的成像方式。
在非接触模式下，扫描探头与样品表面之间的相互作用力很小，通常为飞秒牛顿级别。
深度解析AFM（原子力显微镜）—上
深度解析AFM（原子力显微镜）—上显微镜的发展历史：1877光学显微镜1932透射电子显微镜1965扫描电子显微镜1983扫描隧道显微镜1985原子力显微镜1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdB inni g和Heinr ich Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)。
STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体。
1985年，IBM公司的Binn i ng和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜(AFM)，弥补了STM的不足，可以用来测量任何样品的表面。
AFM的原理AFM是在STM的基础上发展起来的一种显微技术。
首先，了解一下STM的工作原理。
STM是利用原子间的隧道效应进行测量的。
隧道效应经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量;粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。
例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。
如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。
量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应(quantum tunneling) 。
可见，宏观上的确定性在微观.上往往就具有不确定性。
虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。
STM就是根据这种效应制成的。
当针尖和样品面间距足够小时(<0.4nm) ，在针尖和样品间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子会穿过势垒，在针尖和样品间流动，形成隧道电流。
在相同的偏置电压下，电流强度对针尖和样品间的距离十分敏感，隧道电流随间距呈指数变化，样品表面的形貌影响着隧道电流的剧烈变化，这种电流变化有计算机进行处理就可以的到样品表面的形貌了。
STM的结构与工作过程AFM即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵。
afm原理
AFM原理引言原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种应用于表面形貌测量的高分辨率显微镜技术。
它可以用来观察极小尺度下的表面结构和性质，对于纳米科学和纳米技术的研究具有重要意义。
本文将深入探讨AFM的工作原理、测量方法以及应用领域。
AFM的工作原理起源AFM的发展起源于1986年由IBM的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）技术。
STM技术通过在样品表面和探针之间施加微弱的隧道电流来测量和调整距离，以此获得样品表面的形貌信息。
原理AFM在STM的基础上进行了改进，主要改变是探测方式。
AFM使用微小的力量来感知样品表面的形态。
1.悬臂梁探针：AFM使用一根极其细小、尖锐的探针，这通常由硅（Si）或碳纳米管制成。
悬臂梁探针由纳米尖端和可弯曲的弹性悬臂构成。
2.范德华力：当探针尖端非常靠近样品表面时，范德华力开始作用。
范德华力是由于探针尖端和样品表面之间的分子间相互作用导致的。
3.弹性变形：当范德华力作用在悬臂梁探针上时，会引起弹性变形。
悬臂梁的弹性变形程度与范德华力的大小成正比。
4.光束偏转：使用激光束照射到悬臂梁上，并通过探针尖端的反射，将激光束偏转，从而测量探针尖端的弹性变形。
5.反馈机制：AFM使用一个反馈机制来保持探针尖端与样品表面之间的恒定距离。
通过控制悬臂梁的弯曲，反馈机制将调整探针的位置，使探针尖端与样品表面保持恒定的力。
通过测量悬臂梁的弯曲来控制距离。
AFM的测量方法侵入式测量侵入式测量是最常用的AFM测量方法之一。
它通过探针尖端直接接触样品表面来测量其形貌和性质。
1.随机扫描：探针尖端沿着样品表面进行随机扫描，通过记录每个点的弯曲程度，从而获得样品的形貌信息。
2.刚体扫描：探针尖端连续接触样品表面，并以固定的速度进行扫描。
通过记录弹性变形的大小和位置，可以获得更加精确的形貌信息。
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2010年第24卷第1期测试技术学报Vol.24 No.1 2010(总第79期)JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLOGY(SumNo.79)
文章编号:1671-7449(2010)01-0067-06
基于U型探头的ACFM和AC-MFL法的机理辨析
宋 凯1,2,康宜华1,2,孙燕华1,巴鲁军3(1.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室,湖北武汉430074;2.南昌航空大学测试与光电工程学院,江西南昌330063;3.中石化胜利油田公司渤海管具公司,山东东营257000)
摘 要: 交变磁场测量技术(ACFM)和交流漏磁检测技术(AC-MFL)在工程实践中有较多应用,都采用了U型磁轭式探头,两种检测方法在探头和信号处理上有诸多相同点,但检测机理有较大差异,造成在研究和应用上的混淆.针对此问题,基于有限元仿真的方法,分析了两种方法在信号检测特征的差异,提出了一种可有效区分的方法,为剖析其检测原理提供理论依据.采用AC-MFL法的检测参数,对U型磁轭式探头进行了仿真,利用上述方法进行评定,结果表明:该探头的检测结果表现为ACFM法的信号特征,而非AC-MFL法.
关键词: 交变磁场测量技术;交流漏磁检测技术;检测机理;有限元分析中图分类号: TG115.28 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2010.01.013
SignalMechanismofACFMandAC-MFLMethodBasedonU-ShapeInducer
SONGKai1,2,KANGYihua1,2,SUNYanhua1,BALujun3(1.StateKeyLaboratoryofDigitalManufacturingEquipment&Technology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;2.SchoolofMeasuringandOpticalEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;3.BohaiPipeToolThreadBranchOffice,ShengliOilFieldBranchOffice,ChinaPetrolemChemicalCorporation,Dongying257000,China)
Abstract: Alternativecurrentfieldmeasurement(ACFM)andalternativecurrentmagneticfluxleakage(AC-MFL)techniqueusingU-shapeinducershavebeenappliedwidelytonon-destructivetestingpractices.Twodetectionmethodssharemanyfeaturesontheprobeandsignalprocessing,butthereisgreatdifferenceonthedetectionmechanism.Forthisconfusingproblem,thedifferencesonsignalcharacteristicsoftwomethodswereanalyzedbasedonthefiniteelementsimulationinthispaper.Aneffectivedistinguishingmethodwaspresentedtoprovideatheoreticalbasisfortheprincipleanalysis.TheU-shapeinducermodelwasanalyzedby3-Dfiniteelementmethodtakingintoaccountthemotionoftheprobe.TheprobeparameterandexcitingsystemwerethesameasthatofAC-MFLmethod.The
收稿日期:2009-08-17
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675083);江西省自然科学基金资助项目(2009GQC0106);航空科学基金资助项目(20080956007) 作者简介:宋凯(1975-),男,博士生,主要从事电磁无损检测研究.FEAresultsobtainedbyscanningoverthelongitudinalcrackindicatedthesignalcharacteristicsoftheACFMmethod,ratherthanthatoftheAC-MFLmethod.Keywords:ACFM;AC-MFL;detectionmechanism;finiteelementanalysis(FEA)
0 引 言交变磁场测量技术(AlternativeCurrentFieldMeasurement,简写为ACFM)[1]和交流漏磁检测技术(AlternativeCurrentMagneticFluxLeakage,简写为AC-MFL)[2]是近些年兴起的两种无损检测方法,两种方法都具有检测灵敏度高、探头微型化和易于实现自动化等优点,因而受到了学者们的关注.目前英国的TSC等几家公司开发了ACFM的检测设备,已经应用于水下构件的无损检测,而FOERSTER公司开发了旋转探头法交流漏磁探伤仪,在实际检测中也有大量应用.但有趣的是,两种方法的探头都有基于U型磁轭式的,如DavidA[3](ACFM法,1996年)和GeorgeR[4](ACFM法,2002年)的专利,在U型磁轭上绕制激励线圈构建垂直于两脚连线方向的平行涡流场,有较高的检测灵敏度,李伟[5]也对U型探头进行了仿真和试验.对于AC-MFL法,众多文献都使用U型探头,如GotohY[6-8]
开展了大量仿真和试验研究.LimZS[9]使用U型探头对钢棒进行了检测,激励频率为1kHz～10kHz,能同时检测横、纵向裂纹,但未解释其原因.2008年JohnP[10]的专利也明确其方法为AC-MFL法.由此可见,两种方法无论在名称、探头和信号处理方式上都表现出相似性,甚至很多参数都相近,但原理却大相径庭.尽管从原理上似乎可以区分两者,但这种U型探头何时表现为ACFM法,何时表现为AC-MFL法,如何判定或区分它们,实际上非常令人困惑,这些问题在目前的文献中未有完整的研究.本文基于有限元仿真对U型磁轭式探头开展了研究,分析了探头的磁场特性和检测信号的特征,并提出了一种能区分这两种检测技术的方法,为剖析其检测原理提供了理论依据.
1 检测基本原理ACFM法是从交流电位差技术(ACPD法)发展而来的.通过导体的电流由于试件表面出现裂纹或缺陷将被扰动,测量不同点之间的电位扰动就是交流电位差技术,而测量相应近表面磁场的扰动就称为ACFM技术.ACFM法的检测原理如图1(a)所示,探头的激励系统使用矩形线圈或U型磁轭,磁轭上绕制线圈,如图1(b)所示,强调产生均匀的电流场,缺陷干扰了均匀的电流流动,受扰动的电流因此而产生了畸变的磁场.扫描时探头的两脚连线与裂纹走向平行,扫描方向也与裂纹平行.信号检测特征如图1(a)所示,其垂直分量的双峰间距表征缺陷的长度信息,水平分量的极小值则与缺陷的深度信息有关.
图1 ACFM法检测原理和探头Fig.1 ProbeandinspectingmechanismofACFM
AC-MFL法是一种基于漏磁场检测的方法,直流漏磁检测(DC-MFL)也可以看成是前者在磁化场频
68测试技术学报2010年第1期率为零时(恒定磁场)的情况.当用交流磁化器对构件磁化时,交变的电流产生交变的磁化场.没有缺陷存在时,磁力线全部束缚在管壁的趋肤层内,使其饱和,当缺陷存在时,形成交流漏磁场,频率与交流激励频率相同.检测探头如图2(a)所示,检测线圈或霍尔传感器位于两脚之间,可检测垂直分量和水平分量表征缺陷检测,结果如图2(b)所示.
图2 AC-MFL法探头和检测结果特征Fig.2 ProbeandinspectingresultsofAC-MFLmethod
由图1和图2可以看出,两者在探头上都采用U型磁轭作为激励器,但ACFM法强调涡流场的畸变,AC-MFL法强调磁场的泄露.
2 机理辨析两种方法名称上很相似,励磁系统相似甚至完全一致,检测探头也完全一致,均通过检测线圈或霍尔传感器获取磁场的畸变而引起信号,这一畸变磁场为包含了缺陷信息的调制磁场,激励信号为载波,在这一角度上二者是完全相同的,因此有必要加以区分.为剖析两种检测方法的内秉特性,从仿真方面进行了研究.
图3 漏磁检测模型及仿真结果Fig.3 FEAmodelandresultsofmagneticfluxleakagetesting
2.1 辨析的困难由于AC-MFL法和直流漏磁检测具有相同的理论基础,认为是缺陷处的漏磁场引起信号,那么它就应该与直流漏磁检测具有相同的信号特征,只不过是激励的方式不同而已.为有利于对比研究,首先分析直流线圈的漏磁检测结果,实现对材料纵向磁化,检测横向裂纹.计算模型如图3所示,包括励磁线圈、钢带和空气,钢带含有横向裂纹,裂纹走向与线圈轴线垂直.因此根据励磁线圈和钢带为对称结构的特点,仅分析实体模型的1/2部分.钢带厚度为2mm,宽度为18mm,长度为30mm.横向裂纹为0.2mm宽(y方向),6.25mm长(x方向),0.1mm深(z方向).
69(总第79期)基于U型探头的ACFM和AC-MFL法的机理辨析(宋 凯等)