电流微扰检测系统：交流与直流方案的技术剖析

在无损检测（NDT）领域，电流微扰法是一种用于探测材料表面及近表面缺陷的精密技术。其核心思想在于，向被检区域注入一个稳定电流场，当该电流场遭遇裂纹、夹杂等不连续性时，会产生扰动，进而改变局部磁场。通过精确捕捉这种磁场微扰，便可反推出缺陷的存在与特征。根据注入电流性质的不同，检测系统可分为交流（AC）和直流（DC）两种主要类型。

交流（AC）检测系统：工作原理与信号链路

交流检测系统是目前应用更为广泛的方案。其工作流程构成一个完整的信号产生、激励、探测、处理与分析的闭环。

一个典型的交流检测系统工作流程如图1所示。

1. 信号源与激励：系统始于信号发生器，它产生一个特定频率的正弦波信号。该信号经由功率放大器放大，以恒定的电流值驱动探头中的激励线圈。激励线圈在被检测工件的表面感应出均匀、未受扰动的涡流场，其电流密度为 I₀。

2. 微扰探测：探测器（通常为探测线圈）被巧妙地安置在激励线圈与被检工件表面之间。它的核心任务并非感知宏观的激励磁场，而是专注于捕捉由表面或亚表面缺陷引起的局部磁场微扰 ΔB。

3. 信号处理与解调：探测器输出的微弱模拟信号首先进入前置放大器进行放大。随后，信号被送入相敏探测器（也称锁相放大器）。这是一个关键环节，相敏探测器能将信号分解为两个正交分量：与激励电流同相的分量 A 和相位相差 90° 的分量 B。这两个分量包含了关于缺陷深度、尺寸等丰富的相位和幅度信息。

4. 数字化与分析：经过相敏检波后的模拟信号 A 和 B，通过模数转换器（ADC）进行数字化，并传输至计算机。在计算机中，为了凸显由缺陷引起的快速变化信号，通常会采用数字高通滤波器对数据进行处理，有效抑制因探头提离效应等因素造成的低频缓变信号干扰，从而显著提升信噪比。

图1 典型的交流电流微扰检测系统

探头设计精髓：实现高灵敏度检测的关键

那么，如何在强大的激励磁场背景下，精确捕捉到由缺陷引起的微弱磁场扰动 ΔB 呢？这正是探头设计的核心挑战。

在绝大多数高性能探头设计中，激励线圈的轴向与探测器线圈的轴向被设计成相互垂直，如图2所示。这种正交配置是一种巧妙的空间滤波手段，它使得探测器线圈对激励线圈直接产生的磁场理论上不产生感应，从而在物理层面实现了激励场与信号场的“解耦”。

图2 电流微扰探头中激励线圈和探测器线圈的配置

为了进一步抵消残余的耦合效应和环境共模噪声，探测器线圈常采用差动式配置。通过这些精密的解耦措施，系统的背景噪声被大幅压低，使得对微弱缺陷信号的探测灵敏度得以显著提升。最终，探测器的整体取向应以最大化地捕捉图1中所示的磁场微扰 ΔB 为目标。

要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对探头设计、信号处理算法、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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直流（DC）检测系统：一种可行的替代方案

电流微扰法的原理不仅限于交流电，同样可以采用直流电进行激励。直流检测系统在某些特定应用场景下，也能得到与交流系统相近的检测结果。

然而，两者在核心传感技术上存在根本差异。交流系统依赖于变化的磁场（dB/dt）在线圈中感应出电动势，因此探测器可以是线圈。但在直流系统中，注入的电流是恒定的，缺陷处产生的磁场微扰 ΔB 也是一个静态或准静态的磁场。对于这种不随时间变化的磁场，感应线圈将无法产生响应。因此，在直流检测系统中，必须采用能够直接测量磁场强度的传感器，例如霍尔效应探测器，来替代传统的线圈探测器。