不銹鋼管(guan)漏磁檢(jian)測(ce)中，缺陷的位置信息與檢測信號波形特征之間并不存在一對一的映射關系。通過信號波形特征對缺陷的位置進行識別存在一定的不確定性。檢測信號的波形特征會受到很多因素干擾，如何排除各種因素的干擾，是保證各種區分方法準確性的關鍵。這里介紹一種基于數字信號差分的區分方法。
一、漏磁場的(de)正交(jiao)分(fen)量
漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)具有(you)矢量特性(xing)，當(dang)采用霍爾元(yuan)件(jian)(jian)作為(wei)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)敏感元(yuan)件(jian)(jian)時，通過設(she)計元(yuan)件(jian)(jian)的布(bu)(bu)置方向(xiang)，可(ke)以(yi)獲得漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)的兩個相互正交的分(fen)(fen)(fen)量，即(ji)法向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量Vn(x)與切向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量V1(x)）。沿著(zhu)檢測探頭的掃查軌跡方向(xiang)，在與檢測表面垂直的平面內(nei)觀(guan)察，可(ke)以(yi)將三維空(kong)間場(chang)(chang)簡(jian)化(hua)為(wei)二維場(chang)(chang)，進一步(bu)可(ke)分(fen)(fen)(fen)別研(yan)究漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)法向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量Vn（x）與切向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量VV1(x)）的分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)情況，這樣(yang)可(ke)以(yi)完備描述漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)的矢量分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)特征。而單方面考察一個分(fen)(fen)(fen)量常(chang)常(chang)不足以(yi)對漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)進行準確、充分(fen)(fen)(fen)地描述。
選用外徑為88.9mm，壁厚為9.35mm的不銹鋼管，利用電火花加工方式制作內、外部缺陷。采用直流磁化線圈提供軸向磁化，磁敏感元件選用兩個集成霍爾元件，在空間上呈相互垂直的角度擺放，分別檢測不銹鋼管(guan)中人工缺陷漏磁場的法向分量Va(x)與切向分量V1(x)，信號波形如圖4-20和圖4-21所示。
如果單獨利用(yong)切向或法向分量(liang)的(de)(de)檢測(ce)信號波形特征對缺(que)(que)陷形態進(jin)行(xing)(xing)評判，則丟失了兩者關聯性(xing)對缺(que)(que)陷評判的(de)(de)作(zuo)用(yong)，為(wei)此，必(bi)須綜合利用(yong)內、外部缺(que)(que)陷檢測(ce)信號的(de)(de)切向分量(liang)與(yu)法向分量(liang)。從漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢測(ce)拾取(qu)本(ben)質(zhi)過(guo)程來(lai)看(kan)，通過(guo)多(duo)元(yuan)件(jian)布置不可(ke)(ke)能在空(kong)間某一(yi)點對漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)進(jin)行(xing)(xing)各分量(liang)信息的(de)(de)同步拾取(qu)，因為(wei)多(duo)個磁(ci)(ci)(ci)(ci)敏感元(yuan)件(jian)所處(chu)的(de)(de)空(kong)間檢測(ce)點并(bing)不能完全重合，而且會(hui)增加(jia)傳感器系統的(de)(de)復雜(za)性(xing)。因此，通過(guo)精確(que)構造能夠拾取(qu)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)正交(jiao)分量(liang)的(de)(de)辦法比較困難(nan)。這里介紹一(yi)種(zhong)正交(jiao)變換的(de)(de)方(fang)法，可(ke)(ke)對檢測(ce)信號本(ben)身進(jin)行(xing)(xing)特征考察。
差分(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)是正交變換的(de)一(yi)種(zhong)，從差分(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)的(de)功能(neng)來看，對缺(que)陷漏磁場某一(yi)分(fen)(fen)量檢測(ce)信(xin)號進行(xing)二階差分(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)之后，可以得到與原始檢測(ce)信(xin)號近(jin)似映像關(guan)系的(de)輸出量，從而(er)使得兩者在(zai)波形(xing)特征上具有(you)了可參照、可對比的(de)特征參數，如(ru)峰-峰值。這樣一(yi)來，可以提取同一(yi)檢測(ce)點的(de)空間多(duo)維度(du)信(xin)息(xi)，并保證了信(xin)息(xi)量均來源于同一(yi)空間檢測(ce)點。
二、數字(zi)信號的差(cha)分處理分析(xi)
缺陷(xian)產(chan)生的(de)漏磁檢測(ce)信(xin)(xin)號是一(yi)種有限(xian)的(de)數值序(xu)列，它反映(ying)著檢測(ce)空間內漏磁場強度沿著掃查路徑方向(xiang)上(shang)的(de)變化情況，間接反映(ying)了(le)缺陷(xian)的(de)形態特(te)征。以檢測(ce)路徑x為(wei)自變量(liang)，以采樣(yang)點(dian)得到的(de)物理量(liang)具(ju)體數值為(wei)縱坐(zuo)標，按各空間點(dian)的(de)檢測(ce)順序(xu)排(pai)列起(qi)來，在顯示設備上(shang)形成可用于(yu)分析(xi)的(de)信(xin)(xin)號波形。
實際(ji)上(shang)，數字信(xin)(xin)號處理技術被(bei)廣泛應用于檢(jian)測信(xin)(xin)號的(de)模式識別。部分研究人員采用投影(ying)算法(fa)，在不增(zeng)加分析軟件計算量的(de)同時(shi)，提高(gao)了漏磁檢(jian)測的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比，初步實現(xian)了同類型(xing)缺(que)陷的(de)位置特征識別。但從本質來看，該方法(fa)仍未脫離根據信(xin)(xin)號波形特征進(jin)行類型(xing)劃分的(de)范疇，容(rong)易受到其他因素的(de)干擾，對形態特征隨機性(xing)較強的(de)自然缺(que)陷適(shi)應性(xing)較差。
對(dui)時(shi)域(yu)離(li)散信(xin)(xin)(xin)號(hao)進行數字(zi)差分(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)，可以有效地消去檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)中的(de)(de)(de)(de)趨勢項，提(ti)高(gao)(gao)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪比。由于(yu)內、外(wai)部缺陷(xian)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)頻率(lv)段不(bu)同，部分(fen)(fen)學(xue)者提(ti)出對(dui)模(mo)擬檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)采(cai)用一階差分(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)的(de)(de)(de)(de)方法，經過(guo)差分(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)之(zhi)后的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號(hao)波形(xing)可以提(ti)高(gao)(gao)內、外(wai)部缺陷(xian)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)差異程度。但(dan)其評判規則仍(reng)是以內、外(wai)部缺陷(xian)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)波形(xing)特(te)征為依據的(de)(de)(de)(de)，只不(bu)過(guo)用于(yu)對(dui)比的(de)(de)(de)(de)波形(xing)是經過(guo)一次差分(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)之(zhi)后得到的(de)(de)(de)(de)，雖然提(ti)高(gao)(gao)了檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪比，但(dan)對(dui)于(yu)缺陷(xian)的(de)(de)(de)(de)深度、形(xing)狀以及走向等(deng)形(xing)態特(te)征不(bu)一致(zhi)的(de)(de)(de)(de)情況，該(gai)方法適應性欠佳(jia)。
隨著差(cha)分(fen)階數的(de)(de)提(ti)高，考(kao)慮到差(cha)分(fen)過程(cheng)中的(de)(de)累積(ji)誤(wu)差(cha)，采用(yong)后(hou)向(xiang)差(cha)分(fen)處(chu)(chu)理。用(yong)x°(h)表示(shi)離散(san)采樣信號(hao)序(xu)列，用(yong)（h）表示(shi)采樣信號(hao)經(jing)過一階差(cha)分(fen)后(hou)的(de)(de)數字序(xu)列，x2(k)）表示(shi)經(jing)過9二階差(cha)分(fen)后(hou)的(de)(de)數字序(xu)列，為簡化(hua)計算，步長(chang)取1，也即向(xiang)后(hou)一步差(cha)分(fen)。從信號(hao)處(chu)(chu)理效(xiao)果出發，也可以用(yong)多步差(cha)分(fen)處(chu)(chu)理，可根據現場應用(yong)效(xiao)果進行調(diao)試。
通(tong)過(guo)式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計(ji)算出(chu)檢測信(xin)號(hao)的各階差分輸出(chu)量(liang)，并可利用檢測量(liang)和差分輸出(chu)量(liang)來構建評(ping)判指標，而不是僅(jin)在檢測信(xin)號(hao)波形上(shang)尋求解(jie)決方(fang)案，從而可有(you)效(xiao)地避免(mian)缺陷(xian)其他形態(tai)特(te)征對內、外部缺陷(xian)區分的影響。
數(shu)字信(xin)號差(cha)分(fen)處(chu)理可(ke)以通過軟件算(suan)法(fa)實現(xian)，其僅對(dui)原始采(cai)樣數(shu)據(ju)進行差(cha)分(fen)處(chu)理即可(ke)實現(xian)在役漏磁檢(jian)測設(she)備的性能(neng)提升，而無須對(dui)檢(jian)測探(tan)頭(tou)及(ji)信(xin)號采(cai)集(ji)系(xi)統做任何硬件修(xiu)改(gai)，具有重要的實際(ji)應用價(jia)值(zhi)。
三、內、外(wai)部缺陷檢測(ce)信(xin)號的數字差分處理
差(cha)分(fen)處理(li)(li)既然(ran)可(ke)以起到頻率成(cheng)分(fen)的(de)(de)析取(qu)作用，那么可(ke)以進一(yi)步理(li)(li)解為：具(ju)有(you)不(bu)同頻率成(cheng)分(fen)的(de)(de)內、外(wai)部缺陷檢測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)對(dui)差(cha)分(fen)處理(li)(li)的(de)(de)響應輸出(chu)(chu)量(liang)(liang)也會不(bu)同；再者，由于檢測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)差(cha)分(fen)處理(li)(li)過(guo)程(cheng)(cheng)在本質(zhi)(zhi)上是對(dui)檢測(ce)數據(ju)沿(yan)掃(sao)查路徑(jing)變化趨(qu)勢的(de)(de)定量(liang)(liang)描述，如果將時域檢測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)數據(ju)視(shi)為可(ke)見的(de)(de)位(wei)移(yi)(yi)量(liang)(liang)，則(ze)一(yi)階(jie)差(cha)分(fen)處理(li)(li)過(guo)程(cheng)(cheng)更傾向于描述這種位(wei)移(yi)(yi)量(liang)(liang)的(de)(de)變化特征，即速(su)度信(xin)(xin)息；不(bu)難理(li)(li)解，進一(yi)步的(de)(de)二階(jie)差(cha)分(fen)處理(li)(li)不(bu)妨視(shi)為對(dui)這種位(wei)移(yi)(yi)量(liang)(liang)的(de)(de)加速(su)度信(xin)(xin)息的(de)(de)提(ti)取(qu)，而加速(su)度更傾向于描述或(huo)體現出(chu)(chu)事物的(de)(de)本質(zhi)(zhi)特征。利(li)用二階(jie)差(cha)分(fen)輸出(chu)(chu)量(liang)(liang)與信(xin)(xin)號(hao)(hao)源進行特征參數的(de)(de)參照對(dui)比，可(ke)發現內、外(wai)部缺陷產生的(de)(de)漏磁(ci)信(xin)(xin)號(hao)(hao)源在差(cha)分(fen)處理(li)(li)過(guo)程(cheng)(cheng)中的(de)(de)差(cha)異。
1. 刻槽內(nei)、外位置區分
下面對不(bu)(bu)同位置刻槽(cao)檢測信號進行差(cha)分處(chu)理(li)，研究缺陷的位置特征與二階(jie)差(cha)分輸(shu)出量之間的關聯性。以(yi)外徑為88.9mm、壁厚為9.35mm的鋼管作為試(shi)件(jian)，采用電火花加(jia)工方法，分別在鋼管內、外壁刻制(zhi)不(bu)(bu)同深(shen)度的周向(xiang)刻槽(cao)。同樣，選用集成霍爾元件(jian)UGN-3505作為磁(ci)敏(min)感元件(jian)，以(yi)0.5mm提(ti)離(li)距離(li)封裝于檢測探頭內部，拾取漏磁(ci)場的法向(xiang)分量。試(shi)驗(yan)過(guo)程中，保證探頭掃查速度恒定不(bu)(bu)變，檢測信號及二階(jie)差(cha)分輸(shu)出如圖4-22所(suo)示(shi)。
從圖4-22中可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，對檢(jian)測(ce)(ce)數據進(jin)行后向二階(jie)差分處理(li)，可(ke)以(yi)使(shi)得差分輸(shu)出(chu)量在波(bo)形上類似(si)于原始檢(jian)測(ce)(ce)信號波(bo)形，相鄰波(bo)峰與(yu)波(bo)谷之(zhi)間出(chu)現位置互換。分析檢(jian)測(ce)(ce)信號與(yu)二階(jie)差分輸(shu)出(chu)量之(zhi)間的(de)關系時，重(zhong)點觀察兩(liang)者峰-峰值(zhi)這(zhe)一特征參(can)數的(de)變化情況。為(wei)(wei)便于論述評判(x)z4指標的(de)構建過(guo)程，缺陷的(de)檢(jian)測(ce)(ce)信號與(yu)二階(jie)差分輸(shu)出(chu)量分別(bie)記為(wei)(wei)V°(x)和。通過(guo)比較Vo(x)zA（x）和峰-峰值(zhi)來構建評判指標，即
分析表4-7中(zhong)的(de)數據(ju)可以發(fa)現(xian)，內、外部(bu)缺(que)(que)陷評判指標βa的(de)量(liang)值差異(yi)較(jiao)大，因(yin)(yin)此，可以通過設(she)定合理的(de)區分門限來達到區分內、外部(bu)缺(que)(que)陷的(de)目的(de)，而且缺(que)(que)陷深度對評判指標βa的(de)影響較(jiao)小(xiao)，不會因(yin)(yin)為缺(que)(que)陷的(de)深度過大或是過小(xiao)產生評判失(shi)效。
2. 不通孔(kong)內、外位(wei)置區分
下面進(jin)一步討(tao)論數字信(xin)號差分方法在不通孔缺陷(xian)上的(de)適用性。仍然選用鋼管作為(wei)(wei)試(shi)件(jian)，外徑為(wei)(wei)88.9mm，壁(bi)厚為(wei)(wei)9.35mm，并在鋼管上加工(gong)各(ge)類不通孔缺陷(xian)。檢測探頭(tou)采用集成霍爾元件(jian)UGN-3503作為(wei)(wei)磁(ci)敏(min)感元件(jian)進(jin)行封裝(zhuang)，實(shi)際提離(li)距離(li)為(wei)(wei)0.5mm，拾取漏(lou)磁(ci)場的(de)法向(xiang)分量(liang)Va(x)，檢測信(xin)號及二(er)階差分輸出如(ru)圖4-23所示。
根據式（4-8）計算評(ping)判(pan)指(zhi)標βa，見表4-8。可(ke)以發現(xian)，對(dui)于不(bu)同位置和(he)形(xing)狀的不(bu)通孔(kong)缺(que)陷，β。仍可(ke)作為評(ping)判(pan)指(zhi)標來區分(fen)和(he)識(shi)別缺(que)陷的位置特(te)征。由(you)于該評(ping)判(pan)指(zhi)標是(shi)(shi)對(dui)時域檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)號與(yu)其二階(jie)差分(fen)輸出量之間(jian)進(jin)行對(dui)比，而不(bu)是(shi)(shi)僅(jin)僅(jin)對(dui)信(xin)(xin)(xin)號的波形(xing)特(te)征進(jin)行信(xin)(xin)(xin)息提取，因(yin)此保證了評(ping)判(pan)方法對(dui)具有不(bu)同形(xing)態特(te)征的缺(que)陷仍然具有良好的位置特(te)征識(shi)別能(neng)力。
3. 斜(xie)向裂紋內、外位置區分
不(bu)銹鋼管在(zai)(zai)生產和使用(yong)過(guo)程中(zhong)，當受到(dao)復雜載荷(he)的作用(yong)時，往往會(hui)在(zai)(zai)內、外管壁(bi)出現與鋼管軸(zhou)向處(chu)于既非(fei)垂直、也(ye)非(fei)平行(xing)的斜(xie)向裂紋。下面討論數(shu)字信號差分方法(fa)在(zai)(zai)斜(xie)向裂紋上的適用(yong)性。
在(zai)不銹鋼管內、外表面上用(yong)電(dian)火(huo)花方(fang)法加工(gong)斜(xie)向刻槽，刻槽相對于(yu)管材軸向方(fang)向傾斜(xie)45°，深度分別為1.0mm（外部缺陷），3.0mm（內部缺陷），寬度均為0.5mm；鋼管直線(xian)前進(jin)，磁化器仍然選用(yong)直流磁化線(xian)圈(quan)，斜(xie)向缺陷的檢測(ce)信號及二階差分輸出如圖4-24所(suo)示。
利用式（4-8）計算評判指標βd，見表(biao)4-9。可以發現，通(tong)過設(she)定區(qu)分門限（如βr-d=0.2）可以有效(xiao)區(qu)分斜向裂紋的位置(zhi)特征(zheng)。
從表4-9中可以看出，評判指(zhi)標βa適(shi)應性較(jiao)(jiao)好(hao)，受(shou)缺(que)(que)陷(xian)的(de)其他(ta)形態特征影(ying)響較(jiao)(jiao)小(xiao)，如缺(que)(que)陷(xian)的(de)形狀(zhuang)、深度和走向等，可對(dui)各種(zhong)內、外部缺(que)(que)陷(xian)進行有(you)效的(de)區分(fen)。
上(shang)述試驗過程(cheng)中(zhong)，評判(pan)(pan)指(zhi)標的(de)構建是基于(yu)(yu)(x)。4檢(jian)測(ce)(ce)信號與其(qi)二階(jie)差分(fen)(fen)輸出量之間(x)4的(de)相(xiang)似(si)特(te)征參數(shu)（即峰(feng)-峰(feng)值(zhi)），區分(fen)(fen)流程(cheng)如圖4-25所示。由(you)于(yu)(yu)該(gai)評判(pan)(pan)指(zhi)標的(de)構建過程(cheng)僅(jin)僅(jin)是對常規漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)信號進(jin)行算法上(shang)的(de)處理，對檢(jian)測(ce)(ce)硬件未加(jia)任何改動，因此(ci)在傳統(tong)漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)設(she)備上(shang)可方便地添加(jia)內(nei)、外部缺(que)陷(xian)區分(fen)(fen)功能，有效升級傳統(tong)漏(lou)磁(ci)設(she)備的(de)檢(jian)測(ce)(ce)功能。
