不銹鋼管漏磁(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(yi)、漏磁場(chang)的正交(jiao)分量(liang)
漏(lou)(lou)磁場(chang)具有矢(shi)量(liang)特(te)性，當采用霍爾(er)元件作為磁敏感(gan)元件時，通過設(she)計(ji)元件的布(bu)置(zhi)方(fang)向，可(ke)以(yi)(yi)(yi)獲得漏(lou)(lou)磁場(chang)的兩個(ge)相互正交的分(fen)(fen)量(liang)，即法向分(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與(yu)切向分(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿(yan)著檢測探頭的掃查軌跡方(fang)向，在與(yu)檢測表面(mian)垂直的平面(mian)內(nei)觀察(cha)(cha)，可(ke)以(yi)(yi)(yi)將三維空間場(chang)簡化為二維場(chang)，進一步可(ke)分(fen)(fen)別研究漏(lou)(lou)磁場(chang)法向分(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與(yu)切向分(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的分(fen)(fen)布(bu)情(qing)況(kuang)，這樣(yang)可(ke)以(yi)(yi)(yi)完備描(miao)述(shu)漏(lou)(lou)磁場(chang)的矢(shi)量(liang)分(fen)(fen)布(bu)特(te)征。而(er)單方(fang)面(mian)考(kao)察(cha)(cha)一個(ge)分(fen)(fen)量(liang)常(chang)常(chang)不足以(yi)(yi)(yi)對漏(lou)(lou)磁場(chang)進行(xing)準(zhun)確(que)、充分(fen)(fen)地描(miao)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(ru)果單(dan)獨利用切向(xiang)或(huo)法向(xiang)分(fen)量的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)波形(xing)特(te)征(zheng)對缺陷形(xing)態進(jin)行評(ping)判，則丟失了(le)兩者關聯性對缺陷評(ping)判的(de)(de)(de)作用，為此(ci)，必須綜合(he)利用內、外(wai)部缺陷檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)切向(xiang)分(fen)量與法向(xiang)分(fen)量。從漏(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)(ce)拾取(qu)本質過程(cheng)來看，通(tong)過多元件(jian)(jian)布置不(bu)可(ke)能在空間(jian)某一點對漏(lou)磁場(chang)進(jin)行各分(fen)量信(xin)(xin)(xin)息的(de)(de)(de)同(tong)步拾取(qu)，因為多個(ge)磁敏感元件(jian)(jian)所(suo)處的(de)(de)(de)空間(jian)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)點并不(bu)能完全(quan)重合(he)，而且(qie)會增(zeng)加傳感器系(xi)統的(de)(de)(de)復雜性。因此(ci)，通(tong)過精(jing)確(que)構造能夠拾取(qu)漏(lou)磁場(chang)正交分(fen)量的(de)(de)(de)辦法比較困難(nan)。這里介(jie)紹一種正交變(bian)換的(de)(de)(de)方(fang)法，可(ke)對檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)本身進(jin)行特(te)征(zheng)考察。
差(cha)分(fen)處(chu)理是正(zheng)交變換的一(yi)(yi)種(zhong)，從(cong)差(cha)分(fen)處(chu)理的功能來看(kan)，對缺(que)陷(xian)漏磁場某(mou)一(yi)(yi)分(fen)量(liang)檢測(ce)信(xin)號進行二階差(cha)分(fen)處(chu)理之后，可(ke)以得到與原始檢測(ce)信(xin)號近似(si)映像關系的輸出量(liang)，從(cong)而使得兩者在波形特(te)(te)征(zheng)上具有了可(ke)參(can)照、可(ke)對比的特(te)(te)征(zheng)參(can)數，如峰(feng)-峰(feng)值。這樣一(yi)(yi)來，可(ke)以提取同一(yi)(yi)檢測(ce)點(dian)的空(kong)間多維(wei)度信(xin)息，并保(bao)證(zheng)了信(xin)息量(liang)均(jun)來源于同一(yi)(yi)空(kong)間檢測(ce)點(dian)。
二(er)、數字信號的差分處理分析
缺(que)陷(xian)(xian)產生的漏(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)信號(hao)是一種有(you)限的數(shu)值序列，它反映著檢(jian)(jian)測(ce)空(kong)間內(nei)漏(lou)磁場強(qiang)度沿著掃查路徑方向上(shang)的變化(hua)情況，間接反映了缺(que)陷(xian)(xian)的形態特征。以檢(jian)(jian)測(ce)路徑x為(wei)自變量，以采樣點(dian)得到的物理量具(ju)體數(shu)值為(wei)縱坐(zuo)標，按(an)各空(kong)間點(dian)的檢(jian)(jian)測(ce)順序排(pai)列起(qi)來，在顯示設備上(shang)形成(cheng)可用于(yu)分析的信號(hao)波形。
實際上，數字(zi)信(xin)號處理技術被(bei)廣(guang)泛應用于檢測信(xin)號的(de)(de)模式識(shi)別。部分研究(jiu)人員采用投影算法，在不增(zeng)加分析軟件計算量的(de)(de)同時，提(ti)高(gao)了漏磁(ci)檢測的(de)(de)信(xin)噪比(bi)，初步實現了同類(lei)型(xing)(xing)缺陷的(de)(de)位置特征(zheng)識(shi)別。但從本質來看，該方法仍未脫離根據信(xin)號波(bo)形特征(zheng)進(jin)行類(lei)型(xing)(xing)劃分的(de)(de)范疇，容易(yi)受到其他因素(su)的(de)(de)干擾，對形態特征(zheng)隨機性較強的(de)(de)自然缺陷適應性較差。
對(dui)(dui)時域(yu)離散信(xin)(xin)(xin)號進行數字差分(fen)處理(li)，可以有效地消去(qu)檢測信(xin)(xin)(xin)號中的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)項，提高信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪比。由于(yu)內(nei)、外部(bu)缺陷(xian)檢測信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率段不(bu)同，部(bu)分(fen)學者(zhe)提出對(dui)(dui)模擬檢測信(xin)(xin)(xin)號采用一階差分(fen)處理(li)的(de)(de)(de)(de)方法(fa)，經過差分(fen)處理(li)之后的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號波形(xing)可以提高內(nei)、外部(bu)缺陷(xian)檢測信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)差異程度(du)。但其(qi)評判(pan)規則(ze)仍是以內(nei)、外部(bu)缺陷(xian)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)波形(xing)特征(zheng)(zheng)為(wei)依據的(de)(de)(de)(de)，只不(bu)過用于(yu)對(dui)(dui)比的(de)(de)(de)(de)波形(xing)是經過一次差分(fen)處理(li)之后得到的(de)(de)(de)(de)，雖然提高了檢測信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪比，但對(dui)(dui)于(yu)缺陷(xian)的(de)(de)(de)(de)深度(du)、形(xing)狀以及走向等(deng)形(xing)態特征(zheng)(zheng)不(bu)一致(zhi)的(de)(de)(de)(de)情況，該方法(fa)適應性欠佳。
隨著(zhu)差(cha)(cha)分(fen)階數的(de)提高，考(kao)慮(lv)到差(cha)(cha)分(fen)過程中的(de)累(lei)積(ji)誤差(cha)(cha)，采用(yong)(yong)后向差(cha)(cha)分(fen)處(chu)理。用(yong)(yong)x°(h)表示(shi)(shi)離散采樣信(xin)號(hao)序(xu)列，用(yong)(yong)（h）表示(shi)(shi)采樣信(xin)號(hao)經過一階差(cha)(cha)分(fen)后的(de)數字序(xu)列，x2(k)）表示(shi)(shi)經過9二階差(cha)(cha)分(fen)后的(de)數字序(xu)列，為簡化計算，步長(chang)取1，也即向后一步差(cha)(cha)分(fen)。從信(xin)號(hao)處(chu)理效果(guo)出(chu)發(fa)，也可以用(yong)(yong)多步差(cha)(cha)分(fen)處(chu)理，可根(gen)據現場應用(yong)(yong)效果(guo)進行調試。
通過式（4-4)～式（4-7）可(ke)計算出檢測信(xin)號(hao)的各階差(cha)分輸(shu)出量，并可(ke)利用(yong)檢測量和差(cha)分輸(shu)出量來構建評判指標，而不是僅在檢測信(xin)號(hao)波(bo)形上尋求解決方(fang)案，從而可(ke)有效地避(bi)免缺(que)陷(xian)其他(ta)形態(tai)特征對內、外部缺(que)陷(xian)區分的影響。
數字信(xin)號差分處理(li)可以通過軟件算法實現(xian)，其僅對原始采樣數據進行差分處理(li)即可實現(xian)在(zai)役(yi)漏磁(ci)檢測(ce)設備的性能提升，而無須對檢測(ce)探頭及信(xin)號采集系統做(zuo)任何硬(ying)件修(xiu)改，具(ju)有重要的實際(ji)應用價值。
三、內、外部缺陷檢測信號的數字差分處理
差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)既然(ran)可(ke)(ke)以起到頻率成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)析(xi)取作(zuo)用，那么(me)可(ke)(ke)以進一(yi)步理(li)解(jie)為(wei)：具有不同(tong)(tong)頻率成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)內、外部(bu)缺陷檢測(ce)(ce)信號對(dui)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)的(de)(de)(de)響應輸出(chu)量(liang)(liang)也會不同(tong)(tong)；再者，由于檢測(ce)(ce)信號的(de)(de)(de)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)過(guo)程(cheng)在(zai)本質上是對(dui)檢測(ce)(ce)數(shu)據沿掃查路徑變化趨勢(shi)的(de)(de)(de)定量(liang)(liang)描(miao)述(shu)，如果將(jiang)時域檢測(ce)(ce)信號數(shu)據視(shi)為(wei)可(ke)(ke)見的(de)(de)(de)位移(yi)(yi)量(liang)(liang)，則一(yi)階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)過(guo)程(cheng)更(geng)傾(qing)向(xiang)于描(miao)述(shu)這(zhe)種(zhong)位移(yi)(yi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)變化特征，即速度(du)(du)信息；不難理(li)解(jie)，進一(yi)步的(de)(de)(de)二階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)不妨(fang)視(shi)為(wei)對(dui)這(zhe)種(zhong)位移(yi)(yi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)加速度(du)(du)信息的(de)(de)(de)提取，而加速度(du)(du)更(geng)傾(qing)向(xiang)于描(miao)述(shu)或體現出(chu)事物的(de)(de)(de)本質特征。利(li)用二階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)(liang)與信號源(yuan)進行(xing)特征參(can)數(shu)的(de)(de)(de)參(can)照對(dui)比，可(ke)(ke)發現內、外部(bu)缺陷產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)漏磁信號源(yuan)在(zai)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)差(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分(fen)
下面(mian)對不(bu)同位(wei)置(zhi)刻(ke)(ke)槽檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號進行差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理，研究缺陷的位(wei)置(zhi)特征與二階(jie)差(cha)(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)量之間的關聯性。以外(wai)徑為(wei)88.9mm、壁(bi)(bi)厚(hou)為(wei)9.35mm的鋼管(guan)作為(wei)試件(jian)，采用電火(huo)花(hua)加(jia)工方(fang)法(fa)，分(fen)(fen)別在鋼管(guan)內(nei)、外(wai)壁(bi)(bi)刻(ke)(ke)制不(bu)同深度的周(zhou)向刻(ke)(ke)槽。同樣(yang)，選用集成(cheng)霍爾元件(jian)UGN-3505作為(wei)磁(ci)敏感(gan)元件(jian)，以0.5mm提離(li)距離(li)封裝于(yu)檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭內(nei)部，拾取漏磁(ci)場(chang)的法(fa)向分(fen)(fen)量。試驗過程中(zhong)，保證探(tan)頭掃查速(su)度恒定不(bu)變，檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號及二階(jie)差(cha)(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)如(ru)圖4-22所示。
從圖4-22中(zhong)可以(yi)看出(chu)，對檢測(ce)(ce)數據進行(xing)后(hou)向(xiang)二(er)階(jie)差分(fen)(fen)處(chu)理(li)，可以(yi)使得差分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)在(zai)波(bo)形上類(lei)似于原始檢測(ce)(ce)信(xin)號波(bo)形，相鄰波(bo)峰與波(bo)谷之(zhi)間(jian)出(chu)現位置(zhi)互換。分(fen)(fen)析(xi)檢測(ce)(ce)信(xin)號與二(er)階(jie)差分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)之(zhi)間(jian)的(de)關系(xi)時，重點(dian)觀(guan)察兩者峰-峰值這一特征(zheng)參數的(de)變化情況(kuang)。為便于論述評判(pan)(x)z4指標的(de)構(gou)建(jian)過程，缺(que)陷的(de)檢測(ce)(ce)信(xin)號與二(er)階(jie)差分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)分(fen)(fen)別記為V°(x)和(he)(he)。通過比(bi)較(jiao)Vo(x)zA（x）和(he)(he)峰-峰值來構(gou)建(jian)評判(pan)指標，即
分析表4-7中的(de)數據可以(yi)發現，內(nei)、外(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)評判指標βa的(de)量值差異較(jiao)大(da)，因此(ci)，可以(yi)通過設定合(he)理的(de)區(qu)分門限來(lai)達到(dao)區(qu)分內(nei)、外(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)的(de)目的(de)，而且缺(que)陷(xian)深度(du)對評判指標βa的(de)影響(xiang)較(jiao)小，不會因為缺(que)陷(xian)的(de)深度(du)過大(da)或是(shi)過小產(chan)生評判失效。
2. 不通(tong)孔(kong)內(nei)、外位置(zhi)區(qu)分
下面(mian)進一步討論數字信號差(cha)(cha)分(fen)方法在不通孔缺陷上的適用性(xing)。仍然選(xuan)用鋼(gang)管(guan)作為(wei)試件(jian)，外徑為(wei)88.9mm，壁(bi)厚為(wei)9.35mm，并在鋼(gang)管(guan)上加工各類不通孔缺陷。檢測探頭采(cai)用集成(cheng)霍爾元件(jian)UGN-3503作為(wei)磁敏感元件(jian)進行封裝，實際提(ti)離距離為(wei)0.5mm，拾取漏(lou)磁場的法向分(fen)量Va(x)，檢測信號及二階差(cha)(cha)分(fen)輸(shu)出如圖4-23所示。
根(gen)據(ju)式（4-8）計算評判(pan)指(zhi)標(biao)βa，見表(biao)4-8。可以發現(xian)，對(dui)于不同位置(zhi)和(he)形狀的不通孔缺(que)陷，β。仍(reng)可作為評判(pan)指(zhi)標(biao)來(lai)區分(fen)和(he)識(shi)別缺(que)陷的位置(zhi)特(te)征(zheng)。由于該評判(pan)指(zhi)標(biao)是對(dui)時域檢測信號與其二階差分(fen)輸出量之(zhi)間進行(xing)對(dui)比，而不是僅僅對(dui)信號的波(bo)形特(te)征(zheng)進行(xing)信息提取(qu)，因此保證了評判(pan)方法對(dui)具有不同形態特(te)征(zheng)的缺(que)陷仍(reng)然具有良(liang)好的位置(zhi)特(te)征(zheng)識(shi)別能(neng)力。
3. 斜向裂紋內、外位置區(qu)分
不銹鋼管在生(sheng)產和(he)使用(yong)過(guo)程(cheng)中，當受到復雜載荷的作用(yong)時(shi)，往(wang)往(wang)會在內、外管壁出現(xian)與鋼管軸向處于既非(fei)(fei)垂直、也非(fei)(fei)平(ping)行(xing)的斜(xie)向裂紋。下(xia)面討論數字信號(hao)差分方法在斜(xie)向裂紋上的適(shi)用(yong)性。
在不銹鋼管內、外表面上用電火花(hua)方法加工斜向(xiang)刻槽，刻槽相對于管材軸向(xiang)方向(xiang)傾斜45°，深度分(fen)別為1.0mm（外部(bu)缺陷(xian)），3.0mm（內部(bu)缺陷(xian)），寬度均為0.5mm；鋼管直線(xian)前(qian)進，磁化器仍然選用直流(liu)磁化線(xian)圈，斜向(xiang)缺陷(xian)的檢(jian)測信號及二階差分(fen)輸出(chu)如圖4-24所示。
利用(yong)式(shi)（4-8）計算評(ping)判指標βd，見表4-9。可以(yi)發現，通過設定(ding)區(qu)分門限（如βr-d=0.2）可以(yi)有(you)效區(qu)分斜向裂紋的(de)位置(zhi)特征(zheng)。
從(cong)表(biao)4-9中可以看(kan)出(chu)，評判指標βa適應性較好(hao)，受缺陷的其他(ta)形(xing)態特(te)征影響較小，如缺陷的形(xing)狀、深(shen)度和(he)走向等，可對各種內、外部缺陷進行有(you)效的區(qu)分。
上(shang)(shang)述(shu)試驗過(guo)程中，評判指(zhi)標的(de)構(gou)(gou)建(jian)是基于(x)。4檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)與其二階差分輸出(chu)量之間(x)4的(de)相似(si)特(te)征參數(shu)（即(ji)峰-峰值），區分流程如圖4-25所示。由于該評判指(zhi)標的(de)構(gou)(gou)建(jian)過(guo)程僅(jin)僅(jin)是對常規漏磁檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)進(jin)行算法(fa)上(shang)(shang)的(de)處理，對檢(jian)測(ce)(ce)硬件未加任何改動(dong)，因此在傳統(tong)漏磁檢(jian)測(ce)(ce)設備上(shang)(shang)可方(fang)便地添加內、外部缺陷區分功能(neng)，有(you)效升級傳統(tong)漏磁設備的(de)檢(jian)測(ce)(ce)功能(neng)。
