不(bu)銹鋼管(guan)漏磁檢測中，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(lou)磁場的正交(jiao)分量
漏(lou)(lou)磁(ci)場具有矢(shi)量(liang)(liang)特(te)性，當(dang)采用霍爾元件(jian)作為磁(ci)敏感(gan)元件(jian)時，通過設(she)計元件(jian)的布置方向(xiang)，可(ke)(ke)以獲(huo)得漏(lou)(lou)磁(ci)場的兩個(ge)相互正交的分(fen)量(liang)(liang)，即法向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)Vn(x)與切向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)V1(x)）。沿著(zhu)檢測(ce)探頭(tou)的掃查(cha)軌跡方向(xiang)，在(zai)與檢測(ce)表面垂直的平面內觀察，可(ke)(ke)以將(jiang)三維空間場簡化為二維場，進一步可(ke)(ke)分(fen)別研究漏(lou)(lou)磁(ci)場法向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)Vn（x）與切向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)VV1(x)）的分(fen)布情況，這(zhe)樣可(ke)(ke)以完備描(miao)述(shu)(shu)漏(lou)(lou)磁(ci)場的矢(shi)量(liang)(liang)分(fen)布特(te)征。而單(dan)方面考察一個(ge)分(fen)量(liang)(liang)常常不足以對(dui)漏(lou)(lou)磁(ci)場進行(xing)準確、充分(fen)地描(miao)述(shu)(shu)。
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。
如果單獨利用切向或法向分(fen)(fen)(fen)量的(de)(de)檢(jian)測(ce)信號波形(xing)(xing)特(te)征對(dui)缺(que)(que)陷形(xing)(xing)態進(jin)行(xing)評判(pan)，則(ze)丟失了兩者關聯性(xing)(xing)對(dui)缺(que)(que)陷評判(pan)的(de)(de)作(zuo)用，為此，必須(xu)綜合利用內(nei)、外部缺(que)(que)陷檢(jian)測(ce)信號的(de)(de)切向分(fen)(fen)(fen)量與法向分(fen)(fen)(fen)量。從漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)拾取(qu)本質過程(cheng)來看，通過多元件布置不可能(neng)在(zai)空間某一點對(dui)漏(lou)磁(ci)(ci)場進(jin)行(xing)各分(fen)(fen)(fen)量信息的(de)(de)同步拾取(qu)，因為多個(ge)磁(ci)(ci)敏感(gan)元件所處的(de)(de)空間檢(jian)測(ce)點并不能(neng)完全重合，而且會增加(jia)傳感(gan)器(qi)系(xi)統的(de)(de)復(fu)雜(za)性(xing)(xing)。因此，通過精確構造能(neng)夠(gou)拾取(qu)漏(lou)磁(ci)(ci)場正交分(fen)(fen)(fen)量的(de)(de)辦法比較困難(nan)。這里介紹(shao)一種正交變換的(de)(de)方法，可對(dui)檢(jian)測(ce)信號本身進(jin)行(xing)特(te)征考察。
差分處理是正交變換的一(yi)種，從(cong)差分處理的功能來(lai)看(kan)，對(dui)缺陷(xian)漏磁場某(mou)一(yi)分量檢(jian)(jian)測信(xin)號進行(xing)二(er)階差分處理之后(hou)，可(ke)以得到與原始檢(jian)(jian)測信(xin)號近似映像關(guan)系的輸出量，從(cong)而使得兩者在(zai)波形特征上具(ju)有了可(ke)參照、可(ke)對(dui)比的特征參數，如峰-峰值。這樣一(yi)來(lai)，可(ke)以提取同(tong)一(yi)檢(jian)(jian)測點的空(kong)間多維度信(xin)息，并保證了信(xin)息量均(jun)來(lai)源于同(tong)一(yi)空(kong)間檢(jian)(jian)測點。
二(er)、數(shu)字信號的差(cha)分(fen)處理分(fen)析
缺陷(xian)產生的(de)(de)漏磁檢(jian)測信號(hao)是一種有限的(de)(de)數值序(xu)列，它反映(ying)著檢(jian)測空間內漏磁場強度沿著掃查路(lu)徑方向上的(de)(de)變(bian)(bian)化情(qing)況，間接反映(ying)了缺陷(xian)的(de)(de)形(xing)態特征。以檢(jian)測路(lu)徑x為自(zi)變(bian)(bian)量(liang)，以采(cai)樣(yang)點(dian)得到的(de)(de)物理量(liang)具(ju)體數值為縱坐標(biao)，按(an)各(ge)空間點(dian)的(de)(de)檢(jian)測順序(xu)排(pai)列起來，在(zai)顯示設備上形(xing)成可用于分析(xi)的(de)(de)信號(hao)波形(xing)。
實際上(shang)，數字信號處(chu)理技術(shu)被廣泛應(ying)用(yong)于檢測信號的模式識別。部分(fen)研究(jiu)人員采用(yong)投(tou)影算法(fa)，在(zai)不(bu)增加分(fen)析軟件計(ji)算量的同時，提(ti)高了漏磁檢測的信噪比，初步實現了同類型(xing)缺(que)陷的位置特征識別。但從本質來看，該(gai)方法(fa)仍(reng)未(wei)脫離根據信號波形特征進行(xing)類型(xing)劃分(fen)的范(fan)疇，容易受到其他因(yin)素的干(gan)擾，對形態(tai)特征隨機性(xing)較(jiao)強(qiang)的自然缺(que)陷適(shi)應(ying)性(xing)較(jiao)差。
對(dui)(dui)時域離散信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)進行數字差分處(chu)理(li)，可以(yi)(yi)有效地消去檢(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)中的(de)(de)(de)(de)趨勢項，提高信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)。由于(yu)內、外部缺陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)頻率段不(bu)同，部分學者提出對(dui)(dui)模擬檢(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)采用一(yi)階差分處(chu)理(li)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)，經(jing)過(guo)差分處(chu)理(li)之后(hou)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)波形可以(yi)(yi)提高內、外部缺陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)差異程度。但其評判規則仍是(shi)(shi)以(yi)(yi)內、外部缺陷(xian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)波形特征為依據的(de)(de)(de)(de)，只不(bu)過(guo)用于(yu)對(dui)(dui)比(bi)(bi)的(de)(de)(de)(de)波形是(shi)(shi)經(jing)過(guo)一(yi)次(ci)差分處(chu)理(li)之后(hou)得到的(de)(de)(de)(de)，雖然(ran)提高了檢(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)，但對(dui)(dui)于(yu)缺陷(xian)的(de)(de)(de)(de)深(shen)度、形狀以(yi)(yi)及走向等形態特征不(bu)一(yi)致(zhi)的(de)(de)(de)(de)情況，該方(fang)法(fa)適應性欠佳。
隨著差(cha)(cha)分(fen)(fen)階數的(de)提高(gao)，考慮到差(cha)(cha)分(fen)(fen)過程(cheng)中的(de)累(lei)積誤差(cha)(cha)，采用(yong)(yong)后(hou)向(xiang)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理。用(yong)(yong)x°(h)表示離散采樣信號序列(lie)(lie)，用(yong)(yong)（h）表示采樣信號經過一階差(cha)(cha)分(fen)(fen)后(hou)的(de)數字(zi)序列(lie)(lie)，x2(k)）表示經過9二階差(cha)(cha)分(fen)(fen)后(hou)的(de)數字(zi)序列(lie)(lie)，為簡化計(ji)算，步長取(qu)1，也即(ji)向(xiang)后(hou)一步差(cha)(cha)分(fen)(fen)。從信號處(chu)理效(xiao)果出發，也可以用(yong)(yong)多步差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理，可根(gen)據現場應用(yong)(yong)效(xiao)果進行調(diao)試。
通過(guo)式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計(ji)算出(chu)檢(jian)測(ce)信號的(de)各階差分輸出(chu)量，并可利用檢(jian)測(ce)量和差分輸出(chu)量來構(gou)建(jian)評判指標，而不是僅(jin)在檢(jian)測(ce)信號波形(xing)上(shang)尋求(qiu)解決(jue)方(fang)案，從而可有(you)效地避免缺(que)(que)陷其他形(xing)態(tai)特征對內、外(wai)部缺(que)(que)陷區分的(de)影響(xiang)。
數(shu)字信號差(cha)分(fen)(fen)處理可以通過(guo)軟(ruan)件算法實現，其僅對(dui)原始(shi)采樣數(shu)據進(jin)行差(cha)分(fen)(fen)處理即可實現在役漏磁檢(jian)測設備的(de)(de)性能提升，而(er)無(wu)須對(dui)檢(jian)測探頭及信號采集(ji)系統(tong)做任何硬件修改，具有(you)重要的(de)(de)實際(ji)應用(yong)價值。
三、內(nei)、外部缺陷檢測信號的數字差(cha)分處理(li)
差(cha)分(fen)(fen)處理既然(ran)可(ke)(ke)以(yi)起到頻率(lv)成分(fen)(fen)的(de)析(xi)取(qu)作用，那(nei)么可(ke)(ke)以(yi)進(jin)(jin)一(yi)步(bu)(bu)理解為：具有不同(tong)頻率(lv)成分(fen)(fen)的(de)內、外(wai)部(bu)缺陷檢(jian)測信(xin)號(hao)對差(cha)分(fen)(fen)處理的(de)響應輸出(chu)(chu)量(liang)也會不同(tong)；再者，由于(yu)檢(jian)測信(xin)號(hao)的(de)差(cha)分(fen)(fen)處理過程(cheng)在(zai)本質(zhi)(zhi)上是對檢(jian)測數(shu)據沿掃查路徑變(bian)化趨(qu)勢的(de)定量(liang)描(miao)述(shu)，如果將(jiang)時域(yu)檢(jian)測信(xin)號(hao)數(shu)據視為可(ke)(ke)見的(de)位移量(liang)，則一(yi)階(jie)(jie)差(cha)分(fen)(fen)處理過程(cheng)更(geng)傾向(xiang)于(yu)描(miao)述(shu)這(zhe)(zhe)種位移量(liang)的(de)變(bian)化特(te)(te)(te)征(zheng)，即速度(du)信(xin)息；不難理解，進(jin)(jin)一(yi)步(bu)(bu)的(de)二(er)階(jie)(jie)差(cha)分(fen)(fen)處理不妨(fang)視為對這(zhe)(zhe)種位移量(liang)的(de)加速度(du)信(xin)息的(de)提取(qu)，而加速度(du)更(geng)傾向(xiang)于(yu)描(miao)述(shu)或體現(xian)出(chu)(chu)事物的(de)本質(zhi)(zhi)特(te)(te)(te)征(zheng)。利用二(er)階(jie)(jie)差(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)(chu)量(liang)與信(xin)號(hao)源進(jin)(jin)行(xing)特(te)(te)(te)征(zheng)參(can)(can)數(shu)的(de)參(can)(can)照對比，可(ke)(ke)發現(xian)內、外(wai)部(bu)缺陷產生的(de)漏磁(ci)信(xin)號(hao)源在(zai)差(cha)分(fen)(fen)處理過程(cheng)中的(de)差(cha)異。
1. 刻槽內、外(wai)位置區(qu)分
下面對不(bu)同位(wei)置刻(ke)槽(cao)檢測(ce)信號進行差分(fen)(fen)處(chu)理，研究缺(que)陷的(de)(de)位(wei)置特征(zheng)與二(er)階差分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)之間的(de)(de)關聯性。以外(wai)徑為(wei)88.9mm、壁厚(hou)為(wei)9.35mm的(de)(de)鋼(gang)管作為(wei)試(shi)件，采用電(dian)火花加工方法，分(fen)(fen)別在(zai)鋼(gang)管內(nei)、外(wai)壁刻(ke)制不(bu)同深度的(de)(de)周向刻(ke)槽(cao)。同樣，選(xuan)用集成霍爾元件UGN-3505作為(wei)磁(ci)敏感元件，以0.5mm提離(li)距(ju)離(li)封裝于檢測(ce)探頭(tou)內(nei)部，拾(shi)取漏磁(ci)場的(de)(de)法向分(fen)(fen)量(liang)。試(shi)驗過程中，保證(zheng)探頭(tou)掃查速度恒定(ding)不(bu)變，檢測(ce)信號及二(er)階差分(fen)(fen)輸出(chu)如圖4-22所(suo)示。
從(cong)圖(tu)4-22中可以(yi)(yi)看出(chu)，對檢測數據進行后向二(er)階差(cha)分(fen)(fen)處理，可以(yi)(yi)使得差(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)在波形上類似(si)于原始檢測信(xin)號波形，相鄰波峰(feng)(feng)與波谷之間出(chu)現位置互換(huan)。分(fen)(fen)析(xi)檢測信(xin)號與二(er)階差(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)之間的關系時，重點觀察(cha)兩者峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值(zhi)這(zhe)一特征參數的變化(hua)情況(kuang)。為便于論(lun)述(shu)評判(x)z4指標的構(gou)(gou)建(jian)(jian)過(guo)程，缺陷的檢測信(xin)號與二(er)階差(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)分(fen)(fen)別記為V°(x)和(he)。通過(guo)比較Vo(x)zA（x）和(he)峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值(zhi)來構(gou)(gou)建(jian)(jian)評判指標，即
分(fen)析表4-7中的數據可(ke)以發現，內、外部缺陷(xian)評(ping)判(pan)指(zhi)標βa的量值差異(yi)較大，因(yin)此，可(ke)以通過設(she)定合(he)理(li)的區分(fen)門限來達(da)到區分(fen)內、外部缺陷(xian)的目(mu)的，而且缺陷(xian)深度(du)對評(ping)判(pan)指(zhi)標βa的影響較小，不會因(yin)為缺陷(xian)的深度(du)過大或是過小產生評(ping)判(pan)失效(xiao)。
2. 不通(tong)孔內(nei)、外位置(zhi)區分
下面進一步討論數字信號(hao)差(cha)分(fen)方法(fa)在不(bu)通孔(kong)缺陷上的(de)適用性(xing)。仍然選用鋼管(guan)作為(wei)試件，外徑為(wei)88.9mm，壁厚為(wei)9.35mm，并在鋼管(guan)上加(jia)工各類不(bu)通孔(kong)缺陷。檢測探(tan)頭采用集成(cheng)霍爾元件UGN-3503作為(wei)磁敏感元件進行封裝，實際提離(li)距離(li)為(wei)0.5mm，拾取漏磁場的(de)法(fa)向(xiang)分(fen)量Va(x)，檢測信號(hao)及二階差(cha)分(fen)輸出如圖4-23所示(shi)。
根(gen)據式（4-8）計(ji)算評(ping)判指標(biao)βa，見表4-8。可(ke)以(yi)發現，對于不(bu)(bu)同(tong)位置和形(xing)狀(zhuang)的不(bu)(bu)通孔缺陷，β。仍可(ke)作為(wei)評(ping)判指標(biao)來(lai)區分和識別(bie)缺陷的位置特(te)征(zheng)。由于該評(ping)判指標(biao)是對時域檢(jian)測信號與其(qi)二階差分輸(shu)出(chu)量之間(jian)進行(xing)(xing)對比，而(er)不(bu)(bu)是僅僅對信號的波形(xing)特(te)征(zheng)進行(xing)(xing)信息(xi)提取，因此保證了評(ping)判方法對具(ju)有不(bu)(bu)同(tong)形(xing)態特(te)征(zheng)的缺陷仍然(ran)具(ju)有良好(hao)的位置特(te)征(zheng)識別(bie)能力。
3. 斜向(xiang)裂(lie)紋內、外位置區(qu)分
不銹(xiu)鋼(gang)管在生產(chan)和使用過程中(zhong)，當(dang)受到復(fu)雜載荷的作用時，往往會在內、外(wai)管壁出現與鋼(gang)管軸(zhou)向處于既非(fei)垂(chui)直、也(ye)非(fei)平(ping)行的斜向裂(lie)紋。下面(mian)討論數字信號差分方法在斜向裂(lie)紋上(shang)的適用性(xing)。
在不銹鋼(gang)管內、外(wai)表面上用電火花方法(fa)加工斜(xie)向(xiang)刻(ke)(ke)槽(cao)，刻(ke)(ke)槽(cao)相對于管材軸向(xiang)方向(xiang)傾(qing)斜(xie)45°，深度(du)分(fen)(fen)別(bie)為1.0mm（外(wai)部缺陷），3.0mm（內部缺陷），寬(kuan)度(du)均為0.5mm；鋼(gang)管直(zhi)線前進，磁(ci)化(hua)(hua)器仍然(ran)選用直(zhi)流磁(ci)化(hua)(hua)線圈，斜(xie)向(xiang)缺陷的檢(jian)測信號及二階差分(fen)(fen)輸出如圖4-24所示。
利用式（4-8）計算(suan)評判指(zhi)標βd，見表4-9。可以發現，通過設(she)定區(qu)分門限（如βr-d=0.2）可以有效區(qu)分斜向裂紋的位置(zhi)特(te)征。
從表4-9中可(ke)以(yi)看出，評判指(zhi)標βa適應性較好，受缺(que)陷(xian)的其(qi)他(ta)形(xing)態特征影響較小，如(ru)缺(que)陷(xian)的形(xing)狀、深度和走向等，可(ke)對各種內、外(wai)部缺(que)陷(xian)進行有效的區分。
上(shang)述(shu)試驗過(guo)程中(zhong)，評判指標(biao)的(de)構(gou)建(jian)是(shi)基于(yu)(x)。4檢(jian)測(ce)(ce)信號與其二階差分(fen)(fen)輸出量之間(x)4的(de)相似特征(zheng)參數（即峰(feng)-峰(feng)值），區分(fen)(fen)流程如圖4-25所示。由于(yu)該評判指標(biao)的(de)構(gou)建(jian)過(guo)程僅僅是(shi)對(dui)常規漏磁檢(jian)測(ce)(ce)信號進行算法上(shang)的(de)處理，對(dui)檢(jian)測(ce)(ce)硬件(jian)未加任何改動(dong)，因此在(zai)傳統漏磁檢(jian)測(ce)(ce)設(she)備上(shang)可方便地(di)添加內、外部(bu)缺(que)陷區分(fen)(fen)功能，有(you)效(xiao)升級傳統漏磁設(she)備的(de)檢(jian)測(ce)(ce)功能。
