不銹(xiu)鋼管漏(lou)磁(ci)檢測(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(yi)、漏磁場(chang)的(de)正(zheng)交(jiao)分(fen)量
漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)具(ju)有(you)矢量(liang)特性，當采用霍爾元件作為(wei)磁(ci)(ci)敏感元件時，通過(guo)設計元件的布(bu)置方向(xiang)(xiang)，可(ke)以(yi)獲得漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)的兩(liang)個相(xiang)互正交的分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)，即法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與切向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿著檢測探(tan)頭的掃查軌跡方向(xiang)(xiang)，在與檢測表面垂直的平面內(nei)觀察(cha)(cha)，可(ke)以(yi)將三維空間場(chang)簡化為(wei)二(er)維場(chang)，進一步可(ke)分(fen)(fen)(fen)(fen)別研(yan)究漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與切向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu)情況，這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)完備描述漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)的矢量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu)特征。而單方面考察(cha)(cha)一個分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)常常不足以(yi)對漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)進行準確、充分(fen)(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(qie)向(xiang)或(huo)法向(xiang)分(fen)量(liang)的(de)(de)檢測(ce)信號(hao)波形(xing)(xing)特征對缺(que)陷形(xing)(xing)態(tai)進行(xing)評判，則丟失了兩者關(guan)聯性對缺(que)陷評判的(de)(de)作用(yong)，為(wei)此，必須綜合利用(yong)內(nei)、外部缺(que)陷檢測(ce)信號(hao)的(de)(de)切(qie)向(xiang)分(fen)量(liang)與法向(xiang)分(fen)量(liang)。從(cong)漏磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)拾取本質過程來看(kan)，通(tong)過多元件布置不(bu)可能(neng)在空(kong)間某一點對漏磁(ci)(ci)(ci)場進行(xing)各分(fen)量(liang)信息(xi)的(de)(de)同步拾取，因為(wei)多個磁(ci)(ci)(ci)敏感元件所處的(de)(de)空(kong)間檢測(ce)點并不(bu)能(neng)完全重(zhong)合，而且會(hui)增加(jia)傳感器系統的(de)(de)復雜性。因此，通(tong)過精確構造能(neng)夠拾取漏磁(ci)(ci)(ci)場正交分(fen)量(liang)的(de)(de)辦法比較困難(nan)。這里介紹一種正交變換的(de)(de)方(fang)法，可對檢測(ce)信號(hao)本身進行(xing)特征考察。
差分(fen)(fen)處理(li)是正交變換的(de)一(yi)(yi)(yi)種，從差分(fen)(fen)處理(li)的(de)功能來(lai)看，對缺陷漏磁(ci)場某一(yi)(yi)(yi)分(fen)(fen)量檢(jian)(jian)測信(xin)號進行二階差分(fen)(fen)處理(li)之后，可(ke)以(yi)得到與原始(shi)檢(jian)(jian)測信(xin)號近(jin)似映(ying)像關系(xi)的(de)輸(shu)出量，從而使得兩者在(zai)波形特征(zheng)上(shang)具有了可(ke)參照、可(ke)對比的(de)特征(zheng)參數，如峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值。這(zhe)樣一(yi)(yi)(yi)來(lai)，可(ke)以(yi)提(ti)取同(tong)一(yi)(yi)(yi)檢(jian)(jian)測點的(de)空間多維(wei)度信(xin)息(xi)，并(bing)保證了信(xin)息(xi)量均(jun)來(lai)源于同(tong)一(yi)(yi)(yi)空間檢(jian)(jian)測點。
二、數字信號的差分(fen)處(chu)理分(fen)析(xi)
缺陷產生的(de)漏(lou)(lou)磁檢測(ce)信(xin)號是一種(zhong)有限(xian)的(de)數值序列，它(ta)反(fan)映著(zhu)檢測(ce)空(kong)間(jian)內漏(lou)(lou)磁場強度沿(yan)著(zhu)掃查路徑方向上(shang)的(de)變化情況，間(jian)接反(fan)映了缺陷的(de)形(xing)態特征。以檢測(ce)路徑x為自變量(liang)，以采樣點得到的(de)物理量(liang)具體數值為縱坐標，按各(ge)空(kong)間(jian)點的(de)檢測(ce)順序排列起來(lai)，在顯示設備上(shang)形(xing)成可用于分(fen)析的(de)信(xin)號波(bo)形(xing)。
實際(ji)上，數字信(xin)號(hao)(hao)處理技(ji)術被(bei)廣(guang)泛應用于(yu)檢測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)模式識別。部分研究人(ren)員采用投影算法，在不(bu)增加分析(xi)軟件計算量的(de)(de)同時，提高了漏磁檢測(ce)的(de)(de)信(xin)噪比，初步(bu)實現了同類(lei)型缺陷的(de)(de)位置特(te)征(zheng)識別。但從本質來看(kan)，該方法仍未脫離(li)根據信(xin)號(hao)(hao)波(bo)形(xing)(xing)特(te)征(zheng)進行類(lei)型劃(hua)分的(de)(de)范疇，容易(yi)受到其(qi)他因素的(de)(de)干擾，對形(xing)(xing)態特(te)征(zheng)隨機性較強的(de)(de)自然缺陷適應性較差。
對(dui)(dui)(dui)時域(yu)離散信(xin)號(hao)進行數字(zi)差(cha)分(fen)(fen)處理，可以(yi)(yi)有效(xiao)地消去檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)中的趨勢項(xiang)，提(ti)高信(xin)號(hao)的信(xin)噪比(bi)。由于內、外部(bu)缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的頻率(lv)段(duan)不同，部(bu)分(fen)(fen)學者提(ti)出對(dui)(dui)(dui)模擬檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)采用一(yi)階差(cha)分(fen)(fen)處理的方法，經過(guo)差(cha)分(fen)(fen)處理之(zhi)后的信(xin)號(hao)波(bo)形可以(yi)(yi)提(ti)高內、外部(bu)缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的差(cha)異程度(du)(du)。但其評判規(gui)則仍是以(yi)(yi)內、外部(bu)缺(que)陷(xian)信(xin)號(hao)的波(bo)形特征為依據的，只不過(guo)用于對(dui)(dui)(dui)比(bi)的波(bo)形是經過(guo)一(yi)次差(cha)分(fen)(fen)處理之(zhi)后得到的，雖然(ran)提(ti)高了檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的信(xin)噪比(bi)，但對(dui)(dui)(dui)于缺(que)陷(xian)的深(shen)度(du)(du)、形狀以(yi)(yi)及走(zou)向等形態特征不一(yi)致的情(qing)況，該方法適應性欠佳。
隨著差(cha)分(fen)(fen)(fen)階(jie)數的提高，考(kao)慮到差(cha)分(fen)(fen)(fen)過(guo)程中的累積誤(wu)差(cha)，采用(yong)后(hou)向差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)理。用(yong)x°(h)表示離(li)散采樣信號(hao)(hao)序(xu)列(lie)，用(yong)（h）表示采樣信號(hao)(hao)經過(guo)一階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)后(hou)的數字序(xu)列(lie)，x2(k)）表示經過(guo)9二階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)后(hou)的數字序(xu)列(lie)，為簡化計算，步(bu)長取1，也即向后(hou)一步(bu)差(cha)分(fen)(fen)(fen)。從信號(hao)(hao)處(chu)理效果出發，也可以(yi)用(yong)多步(bu)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)理，可根(gen)據現場應用(yong)效果進(jin)行(xing)調試。
通過式（4-4)～式（4-7）可(ke)計算出(chu)檢(jian)測信號(hao)的各階差(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)，并可(ke)利用檢(jian)測量(liang)和差(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)來(lai)構(gou)建評判指(zhi)標(biao)，而(er)不是(shi)僅(jin)在檢(jian)測信號(hao)波(bo)形上尋求解決方案，從而(er)可(ke)有效(xiao)地避免缺陷(xian)(xian)其他形態特征對(dui)內、外部缺陷(xian)(xian)區(qu)分(fen)(fen)的影響。
數字信號差分處理(li)可以通(tong)過軟件算(suan)法實(shi)(shi)現，其(qi)僅對(dui)原始(shi)采樣數據(ju)進行(xing)差分處理(li)即可實(shi)(shi)現在役(yi)漏磁檢測設備的(de)性(xing)能提升，而(er)無須對(dui)檢測探頭及(ji)信號采集系統(tong)做任何硬件修改，具有重要的(de)實(shi)(shi)際應用價值(zhi)。
三、內、外(wai)部(bu)缺陷檢測(ce)信號(hao)的數字差分(fen)處理
差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)既然可(ke)以起到頻(pin)率成分(fen)的(de)(de)(de)(de)析取作(zuo)用(yong)，那(nei)么可(ke)以進(jin)(jin)一(yi)步(bu)理(li)(li)解(jie)為(wei)：具有不同頻(pin)率成分(fen)的(de)(de)(de)(de)內、外(wai)部缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號對差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)響應輸出(chu)量(liang)也(ye)會(hui)不同；再者，由于檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過程在(zai)本(ben)質上是對檢(jian)測(ce)數(shu)(shu)據沿掃(sao)查路徑變化趨勢的(de)(de)(de)(de)定量(liang)描述，如果將時域(yu)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號數(shu)(shu)據視為(wei)可(ke)見的(de)(de)(de)(de)位(wei)移(yi)(yi)量(liang)，則(ze)一(yi)階差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過程更傾(qing)向于描述這(zhe)種(zhong)位(wei)移(yi)(yi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)變化特(te)征，即速(su)度(du)信(xin)(xin)(xin)(xin)息；不難理(li)(li)解(jie)，進(jin)(jin)一(yi)步(bu)的(de)(de)(de)(de)二階差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)不妨視為(wei)對這(zhe)種(zhong)位(wei)移(yi)(yi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)加速(su)度(du)信(xin)(xin)(xin)(xin)息的(de)(de)(de)(de)提取，而加速(su)度(du)更傾(qing)向于描述或體現出(chu)事物的(de)(de)(de)(de)本(ben)質特(te)征。利(li)用(yong)二階差(cha)分(fen)輸出(chu)量(liang)與信(xin)(xin)(xin)(xin)號源(yuan)進(jin)(jin)行特(te)征參(can)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)參(can)照對比，可(ke)發現內、外(wai)部缺(que)陷(xian)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁信(xin)(xin)(xin)(xin)號源(yuan)在(zai)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過程中的(de)(de)(de)(de)差(cha)異。
1. 刻槽(cao)內、外位置(zhi)區分(fen)
下面對(dui)不同(tong)(tong)位置(zhi)刻槽檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號進行差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)，研究缺陷(xian)的位置(zhi)特征(zheng)與二(er)階差(cha)(cha)分(fen)(fen)輸出量(liang)(liang)之間的關聯(lian)性(xing)。以外(wai)(wai)徑為(wei)(wei)88.9mm、壁厚為(wei)(wei)9.35mm的鋼管作為(wei)(wei)試件(jian)，采用電火花加工方法，分(fen)(fen)別在鋼管內、外(wai)(wai)壁刻制不同(tong)(tong)深度(du)的周向刻槽。同(tong)(tong)樣，選用集成霍爾元件(jian)UGN-3505作為(wei)(wei)磁(ci)敏感元件(jian)，以0.5mm提離距離封裝于檢(jian)測(ce)探頭內部，拾取(qu)漏磁(ci)場的法向分(fen)(fen)量(liang)(liang)。試驗過程中，保證探頭掃查速度(du)恒(heng)定不變(bian)，檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號及二(er)階差(cha)(cha)分(fen)(fen)輸出如(ru)圖4-22所示。
從圖4-22中可(ke)以看出(chu)，對檢(jian)測(ce)(ce)數據進行后向二階(jie)差分(fen)(fen)處理，可(ke)以使得(de)差分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)量在波(bo)(bo)形上類似于(yu)原始(shi)檢(jian)測(ce)(ce)信號波(bo)(bo)形，相鄰(lin)波(bo)(bo)峰與(yu)波(bo)(bo)谷之(zhi)間(jian)出(chu)現位置互換。分(fen)(fen)析檢(jian)測(ce)(ce)信號與(yu)二階(jie)差分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)量之(zhi)間(jian)的(de)關系時，重點觀察(cha)兩者峰-峰值(zhi)這一(yi)特(te)征參數的(de)變化情況。為便于(yu)論述評判(pan)(x)z4指標的(de)構建(jian)過程(cheng)，缺陷的(de)檢(jian)測(ce)(ce)信號與(yu)二階(jie)差分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)量分(fen)(fen)別記為V°(x)和(he)。通過比(bi)較Vo(x)zA（x）和(he)峰-峰值(zhi)來構建(jian)評判(pan)指標，即
分析表(biao)4-7中的(de)數(shu)據(ju)可以發(fa)現，內(nei)、外部(bu)缺(que)陷評(ping)判(pan)指標βa的(de)量(liang)值差異較大，因此，可以通過(guo)設定合理的(de)區分門限來達(da)到區分內(nei)、外部(bu)缺(que)陷的(de)目的(de)，而且缺(que)陷深(shen)度對評(ping)判(pan)指標βa的(de)影響較小，不會因為缺(que)陷的(de)深(shen)度過(guo)大或(huo)是(shi)過(guo)小產生(sheng)評(ping)判(pan)失效。
2. 不通孔內(nei)、外位(wei)置區分
下面(mian)進一步討論(lun)數字信號(hao)差分方法在不通孔(kong)缺陷(xian)上的適(shi)用(yong)性。仍然選用(yong)鋼管作(zuo)為(wei)試件，外徑為(wei)88.9mm，壁厚為(wei)9.35mm，并在鋼管上加工各類不通孔(kong)缺陷(xian)。檢測(ce)探頭采(cai)用(yong)集成霍爾元(yuan)件UGN-3503作(zuo)為(wei)磁(ci)敏感(gan)元(yuan)件進行封裝，實(shi)際提(ti)離距離為(wei)0.5mm，拾取漏(lou)磁(ci)場(chang)的法向分量Va(x)，檢測(ce)信號(hao)及二(er)階差分輸出如(ru)圖4-23所(suo)示。
根(gen)據式（4-8）計算評(ping)(ping)判指(zhi)標(biao)βa，見表4-8。可以發現，對于不同位(wei)置和形(xing)(xing)狀的不通孔缺陷(xian)(xian)，β。仍可作為(wei)評(ping)(ping)判指(zhi)標(biao)來區分和識別缺陷(xian)(xian)的位(wei)置特(te)征(zheng)。由于該評(ping)(ping)判指(zhi)標(biao)是(shi)對時域(yu)檢測(ce)信(xin)號(hao)與其二階(jie)差分輸出量之間進行(xing)對比(bi)，而(er)不是(shi)僅(jin)僅(jin)對信(xin)號(hao)的波形(xing)(xing)特(te)征(zheng)進行(xing)信(xin)息提取，因此保(bao)證了評(ping)(ping)判方法對具有不同形(xing)(xing)態(tai)特(te)征(zheng)的缺陷(xian)(xian)仍然具有良好(hao)的位(wei)置特(te)征(zheng)識別能(neng)力(li)。
3. 斜(xie)向裂紋內、外位(wei)置區分
不銹鋼(gang)管在(zai)(zai)生產和(he)使用過程中(zhong)，當受到復雜載荷的(de)(de)作用時，往(wang)往(wang)會在(zai)(zai)內(nei)、外管壁出現與鋼(gang)管軸向處于(yu)既非垂直、也非平(ping)行的(de)(de)斜(xie)向裂(lie)紋(wen)。下面討論數字信號差分方(fang)法在(zai)(zai)斜(xie)向裂(lie)紋(wen)上的(de)(de)適用性。
在不(bu)銹鋼管內、外表(biao)面上(shang)用電火(huo)花方(fang)法加工斜向刻槽，刻槽相對于管材軸向方(fang)向傾斜45°，深(shen)度分(fen)別為(wei)1.0mm（外部缺(que)陷），3.0mm（內部缺(que)陷），寬度均為(wei)0.5mm；鋼管直線(xian)前進，磁化(hua)器仍然選(xuan)用直流磁化(hua)線(xian)圈，斜向缺(que)陷的檢測信號及(ji)二(er)階差分(fen)輸出(chu)如圖4-24所(suo)示。
利(li)用式（4-8）計(ji)算評判指標βd，見表4-9。可以發現，通過(guo)設定區分門限（如βr-d=0.2）可以有(you)效區分斜向裂紋的位置(zhi)特征。
從(cong)表(biao)4-9中可(ke)以看出，評(ping)判指標βa適(shi)應性(xing)較好，受缺陷的其他形態特(te)征影響較小(xiao)，如缺陷的形狀、深度和走向等，可(ke)對各種內、外部缺陷進行(xing)有(you)效的區分。
上(shang)述試驗過(guo)程中(zhong)，評(ping)判指(zhi)標的構建(jian)是基于(yu)(yu)(x)。4檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)與其二(er)階(jie)差分(fen)輸出量之間(x)4的相似特征參數（即峰-峰值），區分(fen)流(liu)程如圖(tu)4-25所示。由于(yu)(yu)該(gai)評(ping)判指(zhi)標的構建(jian)過(guo)程僅僅是對常規漏(lou)磁檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)進行算法上(shang)的處理(li)，對檢測(ce)(ce)硬件未加任何(he)改動，因(yin)此在傳(chuan)統漏(lou)磁檢測(ce)(ce)設備上(shang)可方(fang)便地添加內、外部缺陷區分(fen)功(gong)能，有效升級(ji)傳(chuan)統漏(lou)磁設備的檢測(ce)(ce)功(gong)能。
