一种水下导电材料结构物缺陷交流电磁场检测仪器技术领域
本发明涉及海洋结构物缺陷无损检测技术领域，特别涉及一种水下导电材料结构
物缺陷交流电磁场检测仪器。
背景技术
随着陆地资源的枯竭，越来越多的资源逐步进入海洋开发时代。海洋资源开发，需
要大量的人力、物力和财力支持，特别是各类海工装备和结构物往往需要先进的技术和高
昂的成本。服役后的各类海洋结构物长期处于海洋腐蚀环境，承受不同类型的巨大负载，受
到海底洋流的破坏作用，很容易产生各种类型的缺陷。结构物缺陷在外力作用下逐渐发展
壮大，最终可能导致结构物的失效，危及作业人员安全，带来灾难性的损失。
由于海洋环境的特殊性，水下检测技术有着较高的要求。海洋背景噪声较大，信号
由水下传输至水面通常损失较大，影响缺陷信号的分析和判定；海洋结构物表面有较厚的
附着物和防腐涂层，传统检测手段，比如磁粉、渗透、涡流、漏磁等，需要对结构物表面彻底
清理，检测效率低且容易破坏结构物的防腐涂层；水下检测对探头及系统的密封性有较高
要求，海水的介质属性限制了射线、超声等检测技术在水下的应用；水下结构物通常结构复
杂，管网、导管架等连接错综复杂，对探头及系统的结构尺寸、密封性和检测缺陷的性能有
较高要求。
交流电磁场检测(ACFM)技术是一种新型的无损检测技术，由于交流电磁场检测技
术对提离影响小，缺陷信号特征明显，能够定量缺陷，无需提前标定，适用各种导电材料，特
别适合水下结构物表面缺陷的检测。传统水下ACFM仪器需要采用水下机器人方式下放，成
本高昂，作业效率低，特别对于复杂的水下结构物常规ACFM探头难以抵达。传统水下ACFM检
测仪器通常借助两个方向的线圈式传感器探测畸变磁场，检测精度和可靠性差，借助特征
信号Bx、Bz仅可对缺陷的深度和长度评估，忽略反映缺陷宽度的By关键信息，不能实现缺陷
三维尺寸的评估。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术不足，利用交流电磁场检测技术，采用以太网传
输或光纤传输技术有效解决水下探头信号长距离传输衰减的问题，设计结构紧凑、便于密
封、方便潜水员携带的水下检测探头和信号处理模块，采用高精度三轴TMR传感器使得探头
结构变的更加小巧，可用于复杂水下结构的缺陷检测，三轴TMR传感器可以获取缺陷周围畸
变磁场Bx、By和Bz，可分别评估缺陷的深度、宽度和长度，达到三维缺陷尺寸的定量评估，能
够用于100m以内水深海洋导电材料结构物缺陷的检测。
一种水下导电材料结构物缺陷交流电磁场检测仪器，包括位于水面上方作业船上
的计算机、网线、位于水面以下的水下模块和探头，所述水下模块包括壳体和安装在壳体内
的NET2801、锂电池、电压转换模块、信号处理模块、激励模块，所述探头包括探头壳体和安
装在探头壳体内的激励线圈、圆柱磁芯、三轴TMR传感器、端盖、水密封插头、传感器套，所述
计算机通过网线与NET2801的以太网输出端口连接，所述锂电池通过稳压模块分别与
NET2801、信号处理模块、激励模块和三轴TMR传感器连接，锂电池的充电口与壳体顶盖上的
数据传输插头连接，所述激励模块与缠绕在圆柱磁芯上的激励线圈连接，所述三轴TMR传感
器的输出端通过信号处理模块与NET2801的模拟信号输入端连接。
所述水下模块的壳体包括底盖、主壳、顶盖、探头插头、数据传输插头、连接架和吊
环，所述主壳为圆柱形壳体且内部为环空的主腔，主壳顶部设有台阶孔甲和位于台阶孔甲
之上且直径大于台阶孔甲的台阶孔乙，主壳底部设有台阶孔丙和位于台阶孔丙之下且直径
大于台阶孔丙的台阶孔丁，所述底盖下部为与主壳底部的台阶孔丁同轴配合的圆盘，底盖
上部设有与主壳下部的台阶孔丙同轴配合的凸台甲，凸台甲内部设有盲孔甲，底盖下部圆
盘上面与台阶孔丁的下面之间设有密封垫甲，底盖依靠六个螺栓安装在主壳下部台阶孔丁
上部的螺栓孔，底盖上部凸台甲的上表面与主壳底部台阶孔丙的下表面之间设有密封圈
甲，底盖底面设有三个呈120°分布的支撑腿。
所述顶盖上部为与主壳上部台阶孔乙同轴配合的圆盘，顶盖下部设有与主壳上部
台阶孔甲同轴配合的凸台乙，凸台乙内部设有盲孔乙，顶盖上部圆盘的底面与主壳上部的
台阶孔乙的上表面之间设有密封垫乙，顶盖依靠六个螺栓安装在主壳上部台阶孔乙下部的
螺栓孔，顶盖下部的凸台乙底面与主壳上部的台阶孔甲上表面之间设有密封圈乙，探头插
头和数据传输插头安装在顶盖上，连接架下端为焊接在顶盖上表面的四根圆柱，连接架上
端为圆环状且中心设有两根交叉的薄板，所述吊环安装在连接架两根交叉薄板的中心。
所述信号处理模块和激励模块依靠螺栓安装在顶盖的盲孔乙的上表面，所述锂电
池和电压转换模块依靠螺栓安装在底盖的盲孔甲的下表面，所述NET2801依靠螺栓安装在
顶盖和底盖之间，可选地，A/D转换模块和光纤发射模块安装在探头主壳的顶盖盲孔乙的上
表面。
缠绕激励线圈的圆柱磁芯同轴安装在圆柱形中空探头壳体内部，外侧设有内四角
孔的端盖依靠螺纹凸台甲安装在探头壳体一端，探头壳体端面与端盖之间设有密封垫丙，
水密封插头安装在探头壳体另一端，探头壳体下部设有锥体凸台，锥体凸台内部与探头壳
体的中空部分相通且底部设有螺纹孔，所述传感器套上端为带有螺纹的凸台乙，传感器套
中心为圆孔，传感器套下部为四方形且有圆角的方块，所述传感器套依靠上部螺纹凸台乙
安装在锥体凸台的下部螺纹孔内，传感器套与锥体凸台之间设有密封垫丁，所述三轴TMR传
感器为封装尺寸长4mm宽4mm高2mm的三轴隧道磁阻磁场传感器，三轴TMR传感器X灵敏轴与
探头壳体的轴线平行，三轴TMR传感器Z灵敏轴与传感器套的底面垂直。
所述NET2801可被A/D转换模块和光纤发射模块替换，所述网线可被光纤和光纤接
收模块替换，探头内的三轴TMR传感器与信号处理模块连接，信号处理模块通过A/D转换模
块与光纤发射模块连接，光纤发射模块通过光纤与水面上作业船上的光纤接收模块连接，
光纤接收模块与计算机连接。
附图说明
附图1是本发明的系统框图。
附图2是本发明的水下模块结构图。
附图3是本发明的水下模块内部图。
附图4是本发明的水下模块剖视图。
附图5是本发明的探头结构示意图。
附图6是本发明的探头剖视图。
附图7是本发明的光纤传输方案示意图。
上图中：计算机(1)、作业船(2)、网线(3)、水下模块(4)、壳体(4.1)、底盖(4.1.1)、
密封垫甲(4.1.1.1)、密封圈甲(4.1.1.2)、盲孔甲(4.1.1.3)、凸台甲(4.1.1.4)、支撑腿
(4.1.1.5)、主壳(4.1.2)、主腔(4.1.2.1)、台阶孔甲(4.1.2.2)、台阶孔乙(4.1.2.3)、台阶
孔丙(4.1.2.4)、台阶孔丁(4.1.2.5)、顶盖(4.1.3)、密封垫乙(4.1.3.1)、密封圈乙
(4.1.3.2)、盲孔乙(4.1.3.3)、凸台乙(4.1.3.4)、探头插头(4.1.4)、数据传输插头
(4.1.5)、连接架(4.1.6)、吊环(4.1.7)、NET2801(4.2)、锂电池(4.3)、稳压模块(4.4)、信号
处理模块(4.5)、激励模块(4.6)、A/D转换模块(4.7)、光纤发射模块(4.8)、探头(5)、激励线
圈(5.1)、圆柱磁芯(5.2)、三轴TMR传感器(5.3)、探头壳体(5.4)、锥体凸台(5.4.1)、端盖
(5.5)、密封垫丙(5.5.1)、内四角孔(5.5.2)、螺纹凸台甲(5.5.3)、水密封插头(5.6)、传感
器套(5.7)、密封垫丁(5.7.1)、螺纹凸台乙(5.7.2)、光纤(6)、光纤接收模块(6.1)。
具体实施方式
结合附图1-7，对本发明作进一步的描述：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例和实施例中的特征可以相互
组合。
实施例1
如图1所示，本发明包括位于水面上方作业船(2)上的计算机(1)、网线(3)、位于水
面以下的水下模块(4)和探头(5)，所述水下模块(4)包括壳体(4.1)和安装在壳体内的
NET2801(4.2)、锂电池(4.3)、电压转换模块(4.4)、信号处理模块(4.5)、激励模块(4.6)，所
述探头(5)包括探头壳体(5.4)和安装在探头壳体(5.4)内的激励线圈(5.1)、圆柱磁芯
(5.2)、三轴TMR传感器(5.3)、端盖(5.5)、水密封插头(5.6)、传感器套(5.7)，所述计算机
(1)通过网线(3)与NET2801(4.2)的以太网输出端口连接，所述锂电池(4.3)通过稳压模块
(4.4)分别与NET2801(4.2)、信号处理模块(4.5)、激励模块(4.6)和三轴TMR传感器(5.3)连
接，锂电池(4.3)的充电口与壳体(4.1)顶盖(4.1.3)上的数据传输插头(4.1.5)连接，所述
激励模块(4.6)与缠绕在圆柱磁芯(5.2)上的激励线圈(5.1)连接，所述三轴TMR传感器
(5.3)的输出端通过信号处理模块(4.5)与NET2801(4.2)的模拟信号输入端连接。
如图2-4所示，所述水下模块(4)的壳体(4.1)包括底盖(4.1.1)、主壳(4.1.2)、顶
盖(4.1.3)、探头插头(4.1.4)、数据传输插头(4.1.5)、连接架(4.1.6)和吊环(4.1.7)，所述
主壳(4.1.2)为圆柱形壳体且内部为环空的主腔(4.1.2.1)，主壳(4.1.2)顶部设有台阶孔
甲(4.1.2.2)和位于台阶孔甲之上且直径大于台阶孔甲的台阶孔乙(4.1.2.3)，主壳
(4.1.2)底部设有台阶孔丙(4.1.2.4)和位于台阶孔丙之下且直径大于台阶孔丙的台阶孔
丁(4.1.2.5)，所述底盖(4.1.1)下部为与主壳(4.1.2)底部的台阶孔丁(4.1.2.5)同轴配合
的圆盘，底盖(4.1.1)上部设有与主壳(4.1.2)下部的台阶孔丙(4.1.2.4)同轴配合的凸台
甲(4.1.1.4)，凸台甲(4.1.1.4)内部设有盲孔甲(4.1.1.3)，底盖(4.1.1)下部圆盘上面与
台阶孔丁(4.1.2.5)的下面之间设有密封垫甲(4.1.1.1)，底盖(4.1.1)依靠六个螺栓安装
在主壳(4.1.2)下部台阶孔丁(4.1.2.5)上部的螺栓孔，底盖(4.1.1)上部凸台甲(4.1.1.4)
的上表面与主壳(4.1.2)底部台阶孔丙(4.1.2.4)的下表面之间设有密封圈甲(4.1.1.2)，
拧紧底盖(4.1.1)与主壳(4.1.2)之间的螺栓，底盖(4.1.1)同时压紧密封垫甲(4.1.1.1)和
密封圈甲(4.1.1.2)，形成两级防水密封，底盖底面设有三个呈120°分布的支撑腿
(4.1.1.5)，用于在海水中稳定支撑。
如图2-4所示，所述顶盖(4.1.3)上部为与主壳(4.1.2)上部台阶孔乙(4.1.2.3)同
轴配合的圆盘，顶盖(4.1.3)下部设有与主壳(4.1.2)上部台阶孔甲(4.1.2.2)同轴配合的
凸台乙(4.1.3.4)，凸台乙(4.1.3.4)内部设有盲孔乙(4.1.3.3)，顶盖(4.1.3)上部圆盘的
底面与主壳(4.1.2)上部的台阶孔乙(4.1.2.3)的上表面之间设有密封垫乙(4.1.3.1)，顶
盖(4.1.3)依靠六个螺栓安装在主壳(4.1.2)上部台阶孔乙(4.1.2.3)下部的螺栓孔，顶盖
(4.1.3)下部的凸台乙(4.1.3.4)底面与主壳(4.1.2)上部的台阶孔甲(4.1.2.2)上表面之
间设有密封圈乙(4.1.3.2)，拧紧顶盖(4.1.3)与主壳(4.1.2)之间的螺栓，顶盖(4.1.3)同
时压紧密封垫乙(4.1.3.1)和密封圈乙(4.1.3.2)，形成两级防水密封，探头插头(4.1.4)和
数据传输插头(4.1.5)安装在顶盖(4.1.3)上，连接架(4.1.6)下端为焊接在顶盖(4.1.3)上
表面的四根圆柱，连接架(4.1.6)上端为圆环状且中心设有两根交叉的薄板，所述吊环
(4.1.7)安装在连接架(4.1.6)两根交叉薄板的中心。
如图3-4所示，所述信号处理模块(4.5)和激励模块(4.6)依靠螺栓安装在顶盖
(4.1.3)的盲孔乙(4.1.3.3)的上表面，所述锂电池(4.3)和电压转换模块(4.4)依靠螺栓安
装在底盖(4.1.1)的盲孔甲(4.1.1.3)的下表面，所述NET2801(4.2)依靠螺栓安装在顶盖
(4.1.3)和底盖(4.1.1)之间。
如图5-6所示，所述缠绕激励线圈(5.1)的圆柱磁芯(5.2)同轴安装在圆柱形中空
探头壳体(5.4)内部，圆柱形结构有利于探头(5)的水下密封设计和封装，外侧设有内四角
孔(5.5.2)的端盖(5.5)依靠螺纹凸台甲(5.5.3)安装在探头壳体(5.4)一端，内四角孔
(5.5.2)用于端盖的安装，探头壳体(5.4)端面与端盖(5.5)之间设有密封垫丙(5.5.1)，水
密封插头(5.6)安装在探头壳体(5.4)另一端，探头壳体(5.4)下部设有锥体凸台(5.4.1)，
锥体凸台(5.4.1)内部与探头壳体(5.4)的中空部分相通且底部设有螺纹孔，所述传感器套
(5.7)上端为带有螺纹的凸台乙(5.7.2)，传感器套(5.7)中心为圆孔，传感器套(5.7)下部
为四方形且有圆角的方块，传感器套(5.7)的下部四方形结构有利于借助扳手拧紧，所述传
感器套(5.7)依靠上部螺纹凸台乙(5.7.2)安装在锥体凸台(5.4.1)的下部螺纹孔内，传感
器套(5.7)与锥体凸台(5.4.1)之间设有密封垫丁(5.7.1)，所述三轴TMR传感器(5.3)为封
装尺寸长4mm宽4mm高2mm的三轴隧道磁阻磁场传感器，较小的传感器尺寸可使得探头尺寸
做的非常小，有利于水下复杂结构缺陷的检测，三轴TMR传感器(5.3)X灵敏轴与探头壳体
(5.4)的轴线平行，三轴TMR传感器(5.3)Z灵敏轴与传感器套(5.7)的底面垂直。
锂电池(4.3)输出的电压经过稳压模块(4.4)后保持电压稳定，有利于获得平稳的
缺陷特征信号，减少系统内部电源电压或锂电池电压下降对缺陷信号的影响，稳压模块
(4.4)输出的电源分别给NET2801(4.2)、信号处理模块(4.5)、激励模块(4.6)和三轴TMR传
感器(5.3)供电，激励模块(4.6)发出正弦或脉冲激励信号加载至探头(5)内部的激励线圈
(5.1)上，圆柱磁芯(5.2)可以减少激励线圈(5.1)内部磁场在空气中的衰减，激励线圈
(5.1)内的磁场在圆柱磁芯(5.2)作用下可在下部金属导体表面感应出强度较大的均匀电
场，当电场遇到缺陷时发生改变，金属表面扰动电场引起空间磁场畸变，安装在探头壳体
(5.4)底部传感器套(5.7)内的三轴磁场传感器(5.3)可以有效获取缺陷特征的三个方向畸
变磁场信号Bx、By和Bz，三路磁场信号有利于对缺陷深度、宽度和长度进行分析，实现缺陷
三维尺寸的评估，三路磁场信号经过信号处理模块(4.5)放大、滤波处理进入NET2801(4.2)
模块，NET2801(4.2)整合了A/D转换、数据采集和以太网传输功能，将三路模拟信号变为数
字信号经过网线(3)传输至水面上方的计算机(1)，由于数字信号在网线中衰减很小，可以
实现100m水深缺陷信号特征信号的传输，计算机(1)可对缺陷信号进行分析和处理，水上的
计算机(1)和水下模块(4)连接的网线(3)可自由插拔，探头(5)和水下模块(4)之间的信号
传输电缆可在水密封插头(5.6)和探头插头(4.1.4)之间自由插拔，不影响运输和水下探头
换装，有效避免水中作业的线缆缠绕问题，锂电池(4.3)可由数据传输插头(4.1.5)端口充
电，蓄电量1000mAH，可以为水下模块和探头提供6小时的电量。
实施例2
如图7所示，作为本发明的另一种变形的实施例，所述NET2801(4.2)可被A/D转换
模块(7.7)和光纤发射模块(4.8)替换，所述网线(6)可被光纤(6)和光纤接收模块(6.1)替
换，A/D转换模块(4.7)和光纤发射模块(4.8)安装在探头(5)主壳(4.1.2)的顶盖(4.1.3)盲
孔乙(4.1.3.3)的上表面，水下模块(4)的信号也可以通过光纤(6)传输至水面上，探头(5)
内的三轴TMR传感器(5.3)与信号处理模块(4.5)连接，信号处理模块(4.5)通过A/D转换模
块(4.7)与光纤发射模块(4.8)连接，光纤发射模块(4.8)通过光纤(6)与水面上作业船(2)
上的光纤接收模块(6.1)连接，光纤接收模块(6.1)与计算机(1)连接，三轴TMR传感器(5.3)
拾取畸变磁场信号经过信号处理模块(4.5)后进入A/D转换模块(4.7)变为数字信号，光纤
发射模块(4.8)将数字信号通过光纤(6)传输至水面上的光纤接收模块(6.1)，光纤传输可
有效避免外界信号干扰，提高信号的稳定性，光纤接收模块(6.1)将接收的数字信号传输至
计算机(1)，计算机(1)对接收的信号进行处理和分析。
本发明的有益效果是：采用以太网传输或光纤传输技术有效解决水下探头信号长
距离传输衰减的问题，设计结构紧凑、便于密封、方便潜水员携带的水下检测探头和信号处
理模块，采用高灵敏度三轴TMR传感器，水下探头结构变的更加小巧，可用于复杂水下结构
的缺陷检测，三轴TMR传感器可以获取缺陷周围畸变磁场Bx、By和Bz，可分别评估缺陷的深
度、宽度和长度，达到三维缺陷尺寸的定量评估，能够用于100m以内水深海洋导电材料结构
物缺陷的检测。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识
和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式
的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。