不銹鋼(gang)管漏磁(ci)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)磁場的正交分量
漏(lou)磁場(chang)具有(you)矢(shi)量(liang)(liang)特(te)性，當采用(yong)霍爾元件作為磁敏感元件時，通(tong)過設計元件的(de)布(bu)置方(fang)向(xiang)(xiang)，可(ke)以獲得漏(lou)磁場(chang)的(de)兩個相互正交的(de)分(fen)(fen)量(liang)(liang)，即(ji)法向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)Vn(x)與切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)V1(x)）。沿(yan)著(zhu)檢(jian)測(ce)探頭(tou)的(de)掃查軌跡方(fang)向(xiang)(xiang)，在與檢(jian)測(ce)表面垂直的(de)平面內觀(guan)察(cha)，可(ke)以將三維空間場(chang)簡化為二維場(chang)，進一(yi)步可(ke)分(fen)(fen)別(bie)研(yan)究漏(lou)磁場(chang)法向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)Vn（x）與切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)VV1(x)）的(de)分(fen)(fen)布(bu)情況，這樣可(ke)以完(wan)備描述(shu)漏(lou)磁場(chang)的(de)矢(shi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)布(bu)特(te)征。而單方(fang)面考察(cha)一(yi)個分(fen)(fen)量(liang)(liang)常常不足以對漏(lou)磁場(chang)進行準確、充分(fen)(fen)地描述(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(bu)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(qie)向(xiang)(xiang)或法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)的(de)檢測(ce)信(xin)(xin)號(hao)波形(xing)特(te)征(zheng)(zheng)對缺陷形(xing)態進行評判，則丟失了(le)兩者關聯性對缺陷評判的(de)作用，為此(ci)(ci)，必(bi)須綜(zong)合利用內、外部(bu)缺陷檢測(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)與(yu)法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)。從漏磁(ci)檢測(ce)拾(shi)取本(ben)質過程來看(kan)，通(tong)過多元件布置不可能(neng)在空(kong)間某一(yi)點對漏磁(ci)場(chang)進行各(ge)分(fen)(fen)(fen)量(liang)信(xin)(xin)息的(de)同步拾(shi)取，因(yin)為多個磁(ci)敏感元件所處(chu)的(de)空(kong)間檢測(ce)點并不能(neng)完(wan)全重合，而且會增加傳感器系統的(de)復雜性。因(yin)此(ci)(ci)，通(tong)過精確構造能(neng)夠拾(shi)取漏磁(ci)場(chang)正(zheng)交分(fen)(fen)(fen)量(liang)的(de)辦法(fa)比較困(kun)難(nan)。這里介紹一(yi)種正(zheng)交變(bian)換的(de)方法(fa)，可對檢測(ce)信(xin)(xin)號(hao)本(ben)身進行特(te)征(zheng)(zheng)考察。
差分處(chu)理(li)是正交變(bian)換(huan)的(de)一(yi)種(zhong)，從(cong)差分處(chu)理(li)的(de)功能來看，對缺陷漏磁場某一(yi)分量(liang)檢測(ce)信號進行二階差分處(chu)理(li)之后，可(ke)以得(de)到與原始(shi)檢測(ce)信號近似映像關系的(de)輸出量(liang)，從(cong)而使得(de)兩者在波形(xing)特(te)征(zheng)上具有(you)了(le)可(ke)參(can)照、可(ke)對比的(de)特(te)征(zheng)參(can)數，如峰-峰值。這(zhe)樣一(yi)來，可(ke)以提取同一(yi)檢測(ce)點的(de)空(kong)間多(duo)維度信息，并保(bao)證了(le)信息量(liang)均(jun)來源于同一(yi)空(kong)間檢測(ce)點。
二、數字信號的差(cha)分處(chu)理分析
缺陷(xian)產生的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)信號是一種有(you)限的(de)(de)(de)數(shu)值(zhi)序列，它反映著檢(jian)(jian)測(ce)空間內漏(lou)磁(ci)(ci)場強(qiang)度沿著掃查路(lu)徑(jing)方向上(shang)(shang)的(de)(de)(de)變化情況，間接反映了(le)缺陷(xian)的(de)(de)(de)形態特征。以檢(jian)(jian)測(ce)路(lu)徑(jing)x為自變量，以采樣點得到的(de)(de)(de)物理量具體數(shu)值(zhi)為縱坐標，按各空間點的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)順序排列起來(lai)，在(zai)顯示設備上(shang)(shang)形成可用于分析的(de)(de)(de)信號波形。
實(shi)際上，數字信(xin)(xin)號處理技術被廣泛(fan)應用(yong)于(yu)檢(jian)測信(xin)(xin)號的(de)模式識(shi)別(bie)。部分(fen)研究(jiu)人員采(cai)用(yong)投影算法，在(zai)不增加分(fen)析軟件計算量的(de)同時，提高了漏磁檢(jian)測的(de)信(xin)(xin)噪比，初步實(shi)現了同類型缺陷(xian)的(de)位置特(te)征(zheng)(zheng)識(shi)別(bie)。但從本(ben)質來(lai)看，該方法仍未脫離根據信(xin)(xin)號波形(xing)特(te)征(zheng)(zheng)進行類型劃分(fen)的(de)范(fan)疇，容易(yi)受到其(qi)他因素的(de)干擾，對(dui)形(xing)態特(te)征(zheng)(zheng)隨(sui)機(ji)性較強的(de)自然缺陷(xian)適(shi)應性較差。
對時域(yu)離散信(xin)號進行(xing)數(shu)字(zi)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理，可(ke)以有效地消去檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號中(zhong)的(de)(de)趨勢項，提高(gao)信(xin)號的(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)。由于內、外部(bu)缺陷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號的(de)(de)頻率段不(bu)(bu)同，部(bu)分(fen)(fen)(fen)學(xue)者提出對模擬檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號采(cai)用一階差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理的(de)(de)方(fang)法，經過(guo)(guo)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理之后的(de)(de)信(xin)號波(bo)形(xing)(xing)(xing)可(ke)以提高(gao)內、外部(bu)缺陷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號的(de)(de)差(cha)異程(cheng)度(du)。但其評判規則仍是以內、外部(bu)缺陷信(xin)號的(de)(de)波(bo)形(xing)(xing)(xing)特征(zheng)為(wei)依據(ju)的(de)(de)，只不(bu)(bu)過(guo)(guo)用于對比(bi)的(de)(de)波(bo)形(xing)(xing)(xing)是經過(guo)(guo)一次差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理之后得到的(de)(de)，雖(sui)然提高(gao)了檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號的(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)，但對于缺陷的(de)(de)深度(du)、形(xing)(xing)(xing)狀以及走(zou)向(xiang)等形(xing)(xing)(xing)態特征(zheng)不(bu)(bu)一致(zhi)的(de)(de)情(qing)況(kuang)，該方(fang)法適應(ying)性欠佳。
隨著差分(fen)階(jie)數的(de)提高，考慮到(dao)差分(fen)過(guo)程中的(de)累積誤(wu)差，采(cai)用后(hou)向(xiang)差分(fen)處(chu)理。用x°(h)表(biao)(biao)示(shi)離散采(cai)樣信號(hao)序列(lie)，用（h）表(biao)(biao)示(shi)采(cai)樣信號(hao)經(jing)過(guo)一(yi)階(jie)差分(fen)后(hou)的(de)數字(zi)序列(lie)，x2(k)）表(biao)(biao)示(shi)經(jing)過(guo)9二(er)階(jie)差分(fen)后(hou)的(de)數字(zi)序列(lie)，為(wei)簡化計(ji)算，步(bu)長取(qu)1，也即向(xiang)后(hou)一(yi)步(bu)差分(fen)。從信號(hao)處(chu)理效(xiao)果(guo)出發(fa)，也可(ke)以用多步(bu)差分(fen)處(chu)理，可(ke)根據(ju)現場(chang)應用效(xiao)果(guo)進行調試(shi)。
通(tong)過式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可(ke)計算出(chu)檢測(ce)(ce)信號(hao)的(de)(de)各(ge)階差分(fen)輸出(chu)量(liang)，并可(ke)利用(yong)檢測(ce)(ce)量(liang)和差分(fen)輸出(chu)量(liang)來(lai)構建評判指(zhi)標(biao)，而(er)不是僅在檢測(ce)(ce)信號(hao)波(bo)形上尋求解(jie)決方案，從而(er)可(ke)有效地避免缺(que)陷其他(ta)形態特征對內、外部缺(que)陷區分(fen)的(de)(de)影(ying)響。
數字(zi)信(xin)號(hao)差(cha)分處(chu)理可以通過軟件(jian)算法實(shi)現(xian)，其僅對原始采樣數據進行差(cha)分處(chu)理即(ji)可實(shi)現(xian)在役(yi)漏(lou)磁(ci)檢測設備(bei)的性(xing)能提升(sheng)，而(er)無(wu)須對檢測探頭及信(xin)號(hao)采集系統做任(ren)何硬件(jian)修改，具(ju)有重要的實(shi)際應用價值(zhi)。
三、內、外部(bu)缺陷(xian)檢(jian)測信號的數字差分處理
差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)既然可(ke)以(yi)起到(dao)頻率成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)析取作用(yong)，那么可(ke)以(yi)進(jin)(jin)一步理(li)解(jie)為：具(ju)有(you)不同(tong)頻率成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)、外(wai)部(bu)缺陷檢(jian)(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)對(dui)差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)響應輸出(chu)量(liang)也會不同(tong)；再者，由(you)于(yu)(yu)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)過(guo)程(cheng)在(zai)本質上是對(dui)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測數(shu)(shu)據(ju)沿掃(sao)查路徑變化(hua)趨勢的(de)(de)(de)(de)(de)(de)定量(liang)描述，如(ru)果將時域檢(jian)(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)數(shu)(shu)據(ju)視為可(ke)見的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位移(yi)量(liang)，則(ze)一階(jie)差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)過(guo)程(cheng)更(geng)傾向(xiang)于(yu)(yu)描述這種位移(yi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)特(te)征，即(ji)速度信(xin)(xin)息；不難理(li)解(jie)，進(jin)(jin)一步的(de)(de)(de)(de)(de)(de)二(er)階(jie)差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)不妨視為對(dui)這種位移(yi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)速度信(xin)(xin)息的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)取，而加(jia)速度更(geng)傾向(xiang)于(yu)(yu)描述或(huo)體現出(chu)事物的(de)(de)(de)(de)(de)(de)本質特(te)征。利用(yong)二(er)階(jie)差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)與信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)源進(jin)(jin)行特(te)征參(can)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)參(can)照對(dui)比，可(ke)發現內(nei)、外(wai)部(bu)缺陷產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏磁信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)源在(zai)差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異。
1. 刻槽(cao)內、外位置區分
下面對不同位(wei)置刻槽檢(jian)測信(xin)號進行差分(fen)(fen)處理，研(yan)究缺(que)陷(xian)的位(wei)置特征與二階差分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)量(liang)之間的關聯性。以(yi)外徑為(wei)88.9mm、壁厚為(wei)9.35mm的鋼管作(zuo)為(wei)試件(jian)，采用電(dian)火花(hua)加工方法，分(fen)(fen)別在鋼管內、外壁刻制不同深度的周向(xiang)刻槽。同樣(yang)，選(xuan)用集成霍爾元(yuan)件(jian)UGN-3505作(zuo)為(wei)磁敏感元(yuan)件(jian)，以(yi)0.5mm提離(li)距離(li)封(feng)裝于(yu)檢(jian)測探頭(tou)內部，拾取漏磁場的法向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)。試驗過程中，保證(zheng)探頭(tou)掃查速(su)度恒定不變，檢(jian)測信(xin)號及二階差分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)如圖4-22所示。
從圖4-22中可以看出(chu)，對檢測(ce)(ce)數據進行后(hou)向二(er)階(jie)差分(fen)(fen)處(chu)理，可以使得差分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)在波(bo)(bo)形上類似于原(yuan)始(shi)檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)波(bo)(bo)形，相鄰波(bo)(bo)峰(feng)與波(bo)(bo)谷之(zhi)(zhi)間出(chu)現位置互換。分(fen)(fen)析檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)與二(er)階(jie)差分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)之(zhi)(zhi)間的(de)關(guan)系時，重點觀察兩者峰(feng)-峰(feng)值這一(yi)特征參數的(de)變化情況。為便于論述評判(x)z4指標的(de)構建過(guo)程，缺陷的(de)檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)與二(er)階(jie)差分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)分(fen)(fen)別記為V°(x)和。通過(guo)比(bi)較Vo(x)zA（x）和峰(feng)-峰(feng)值來構建評判指標，即
分(fen)析(xi)表4-7中的(de)數據可以發現，內(nei)、外部缺(que)陷(xian)(xian)評(ping)(ping)判指標βa的(de)量值(zhi)差異較大(da)(da)，因此，可以通過(guo)設定合(he)理(li)的(de)區分(fen)門限(xian)來達到(dao)區分(fen)內(nei)、外部缺(que)陷(xian)(xian)的(de)目的(de)，而且(qie)缺(que)陷(xian)(xian)深(shen)度對評(ping)(ping)判指標βa的(de)影響較小(xiao)，不會因為(wei)缺(que)陷(xian)(xian)的(de)深(shen)度過(guo)大(da)(da)或(huo)是過(guo)小(xiao)產生評(ping)(ping)判失效。
2. 不(bu)通孔內、外位置區分
下面(mian)進一(yi)步討論數字信號差分方法在不通孔缺陷上的適用性。仍然選用鋼(gang)(gang)管(guan)作為(wei)(wei)試件，外徑為(wei)(wei)88.9mm，壁厚為(wei)(wei)9.35mm，并在鋼(gang)(gang)管(guan)上加工各類(lei)不通孔缺陷。檢測探頭(tou)采用集成霍爾元件UGN-3503作為(wei)(wei)磁(ci)敏感元件進行(xing)封裝，實(shi)際提離距離為(wei)(wei)0.5mm，拾(shi)取漏(lou)磁(ci)場的法向分量(liang)Va(x)，檢測信號及二(er)階差分輸出如圖4-23所示(shi)。
根據式（4-8）計算評(ping)判指(zhi)標βa，見表4-8。可以(yi)發(fa)現(xian)，對(dui)(dui)于不同位置(zhi)和(he)形(xing)(xing)狀(zhuang)的不通孔缺(que)陷(xian)，β。仍(reng)(reng)可作為(wei)評(ping)判指(zhi)標來區分(fen)和(he)識(shi)別(bie)缺(que)陷(xian)的位置(zhi)特(te)征(zheng)(zheng)(zheng)。由(you)于該評(ping)判指(zhi)標是對(dui)(dui)時(shi)域檢測(ce)信(xin)(xin)號與其二(er)階差分(fen)輸出量之間進(jin)行對(dui)(dui)比，而不是僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)對(dui)(dui)信(xin)(xin)號的波形(xing)(xing)特(te)征(zheng)(zheng)(zheng)進(jin)行信(xin)(xin)息提取，因此保證(zheng)了(le)評(ping)判方法對(dui)(dui)具有不同形(xing)(xing)態特(te)征(zheng)(zheng)(zheng)的缺(que)陷(xian)仍(reng)(reng)然具有良好的位置(zhi)特(te)征(zheng)(zheng)(zheng)識(shi)別(bie)能力。
3. 斜(xie)向裂紋(wen)內、外(wai)位置區分
不銹鋼管在(zai)生(sheng)產和使用(yong)過程(cheng)中，當受到復雜(za)載荷的作用(yong)時(shi)，往往會在(zai)內、外(wai)管壁出現與鋼管軸(zhou)向處于既非(fei)垂直、也(ye)非(fei)平行的斜向裂紋。下(xia)面討論(lun)數字信號差(cha)分方法(fa)在(zai)斜向裂紋上的適用(yong)性。
在不(bu)銹鋼管(guan)內、外(wai)表面上用(yong)電火花(hua)方法加工(gong)斜(xie)(xie)向刻(ke)槽(cao)，刻(ke)槽(cao)相對于(yu)管(guan)材軸(zhou)向方向傾(qing)斜(xie)(xie)45°，深度分別為(wei)1.0mm（外(wai)部缺(que)(que)陷(xian)），3.0mm（內部缺(que)(que)陷(xian)），寬(kuan)度均為(wei)0.5mm；鋼管(guan)直(zhi)線(xian)前(qian)進，磁化(hua)器仍然選用(yong)直(zhi)流磁化(hua)線(xian)圈，斜(xie)(xie)向缺(que)(que)陷(xian)的檢(jian)測信號及二階差分輸出(chu)如圖4-24所示。
利(li)用式（4-8）計算評(ping)判指標βd，見表4-9。可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)，通(tong)過設定區分(fen)門限（如βr-d=0.2）可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)區分(fen)斜向裂紋的位置特征。
從表4-9中(zhong)可以看出，評判指(zhi)標βa適應性較好，受缺陷的其他(ta)形態特征(zheng)影響較小，如缺陷的形狀(zhuang)、深度和(he)走(zou)向等，可對(dui)各種內、外部缺陷進行有效的區(qu)分。
上(shang)述試(shi)驗過程(cheng)中，評判(pan)指標(biao)的構建(jian)是基于(yu)(x)。4檢測(ce)(ce)信(xin)號與其二(er)階差分輸出量之間(x)4的相似特征(zheng)參(can)數(shu)（即峰-峰值），區分流程(cheng)如圖4-25所示(shi)。由于(yu)該評判(pan)指標(biao)的構建(jian)過程(cheng)僅僅是對常規漏(lou)(lou)磁檢測(ce)(ce)信(xin)號進行(xing)算法上(shang)的處理(li)，對檢測(ce)(ce)硬件(jian)未加任何(he)改動，因此在傳統漏(lou)(lou)磁檢測(ce)(ce)設(she)備上(shang)可(ke)方(fang)便地(di)添(tian)加內(nei)、外部(bu)缺陷區分功能，有效(xiao)升(sheng)級傳統漏(lou)(lou)磁設(she)備的檢測(ce)(ce)功能。
