不銹鋼管漏磁檢測中，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、漏磁場(chang)的(de)正交(jiao)分(fen)量
漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)具有矢量(liang)特性(xing)，當采用霍(huo)爾元(yuan)(yuan)件(jian)作為磁(ci)(ci)敏感(gan)元(yuan)(yuan)件(jian)時，通過設計元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)布置(zhi)方向(xiang)(xiang)，可(ke)以(yi)(yi)獲得(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)的(de)兩(liang)個相互正交的(de)分(fen)(fen)量(liang)，即(ji)法向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿著檢測(ce)探(tan)頭的(de)掃查軌(gui)跡方向(xiang)(xiang)，在與檢測(ce)表面垂直的(de)平(ping)面內觀察，可(ke)以(yi)(yi)將(jiang)三維空間場(chang)(chang)簡化為二(er)維場(chang)(chang)，進(jin)一(yi)(yi)步可(ke)分(fen)(fen)別研究(jiu)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)法向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的(de)分(fen)(fen)布情況，這樣可(ke)以(yi)(yi)完備描述漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)的(de)矢量(liang)分(fen)(fen)布特征。而單方面考察一(yi)(yi)個分(fen)(fen)量(liang)常(chang)(chang)常(chang)(chang)不足以(yi)(yi)對漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)進(jin)行準確、充分(fen)(fen)地(di)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(gang)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(li)用切向或法(fa)向分量(liang)的(de)檢(jian)測信(xin)(xin)號(hao)波(bo)形(xing)特征對(dui)缺陷(xian)形(xing)態(tai)進行(xing)(xing)評判(pan)，則(ze)丟失了兩者關(guan)聯性對(dui)缺陷(xian)評判(pan)的(de)作用，為(wei)此(ci)，必須(xu)綜合(he)利(li)用內(nei)、外部(bu)缺陷(xian)檢(jian)測信(xin)(xin)號(hao)的(de)切向分量(liang)與法(fa)向分量(liang)。從漏磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測拾取本(ben)(ben)質過(guo)程來看，通過(guo)多元件(jian)布(bu)置不(bu)可(ke)能在空(kong)(kong)間某一點(dian)對(dui)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)進行(xing)(xing)各分量(liang)信(xin)(xin)息(xi)的(de)同步拾取，因為(wei)多個(ge)磁(ci)(ci)(ci)敏(min)感(gan)元件(jian)所處的(de)空(kong)(kong)間檢(jian)測點(dian)并不(bu)能完全重合(he)，而(er)且會增(zeng)加傳感(gan)器系統的(de)復雜性。因此(ci)，通過(guo)精確(que)構造能夠(gou)拾取漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)正交分量(liang)的(de)辦(ban)法(fa)比較(jiao)困難。這里介紹一種正交變換(huan)的(de)方法(fa)，可(ke)對(dui)檢(jian)測信(xin)(xin)號(hao)本(ben)(ben)身進行(xing)(xing)特征考察。
差分(fen)處理(li)是正交變換的(de)(de)一(yi)種，從差分(fen)處理(li)的(de)(de)功能來看，對(dui)缺(que)陷漏磁場(chang)某(mou)一(yi)分(fen)量(liang)檢測信(xin)(xin)號(hao)(hao)進(jin)行二階差分(fen)處理(li)之后，可(ke)以得到與原始檢測信(xin)(xin)號(hao)(hao)近(jin)似(si)映像關系的(de)(de)輸(shu)出(chu)量(liang)，從而使得兩者在波(bo)形特征(zheng)上具有(you)了可(ke)參照、可(ke)對(dui)比的(de)(de)特征(zheng)參數，如峰-峰值。這(zhe)樣一(yi)來，可(ke)以提(ti)取(qu)同一(yi)檢測點(dian)的(de)(de)空間多維(wei)度信(xin)(xin)息(xi)，并保證了信(xin)(xin)息(xi)量(liang)均來源(yuan)于同一(yi)空間檢測點(dian)。
二、數字(zi)信號(hao)的(de)差(cha)分處理(li)分析
缺(que)陷(xian)產生的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)信號(hao)是一種(zhong)有限的(de)(de)(de)數值(zhi)序列(lie)，它(ta)反映(ying)著檢(jian)測(ce)空(kong)間內漏(lou)磁(ci)場(chang)強度沿(yan)著掃(sao)查(cha)路徑方向上的(de)(de)(de)變(bian)化情況，間接反映(ying)了缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)形(xing)態特征。以檢(jian)測(ce)路徑x為(wei)自變(bian)量，以采樣(yang)點(dian)得到的(de)(de)(de)物理量具體數值(zhi)為(wei)縱坐(zuo)標(biao)，按各空(kong)間點(dian)的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)順(shun)序排(pai)列(lie)起(qi)來，在顯示設備上形(xing)成可用于分析的(de)(de)(de)信號(hao)波形(xing)。
實(shi)際上，數字信號處理(li)技術被廣泛應用于(yu)檢測信號的(de)(de)模式識(shi)別(bie)。部分(fen)研究人員采用投影算(suan)法，在(zai)不增加分(fen)析軟件計算(suan)量的(de)(de)同(tong)時，提高了漏磁檢測的(de)(de)信噪比(bi)，初步(bu)實(shi)現(xian)了同(tong)類型缺陷的(de)(de)位置特征識(shi)別(bie)。但從(cong)本質來看，該(gai)方法仍(reng)未脫離根據(ju)信號波形特征進行類型劃分(fen)的(de)(de)范(fan)疇，容(rong)易(yi)受到(dao)其他因素的(de)(de)干擾，對形態特征隨機性(xing)較強的(de)(de)自然缺陷適應性(xing)較差。
對時域離散信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)進(jin)行數字差分(fen)處(chu)理，可(ke)以有效地(di)消去檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)中(zhong)的(de)趨勢項，提高信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)。由于內、外部(bu)(bu)(bu)缺陷(xian)檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)頻率段(duan)不(bu)同，部(bu)(bu)(bu)分(fen)學者提出對模擬(ni)檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)采用一階差分(fen)處(chu)理的(de)方(fang)(fang)法，經(jing)過差分(fen)處(chu)理之后(hou)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)波形(xing)(xing)可(ke)以提高內、外部(bu)(bu)(bu)缺陷(xian)檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)差異程度。但其評(ping)判規則(ze)仍是(shi)以內、外部(bu)(bu)(bu)缺陷(xian)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)波形(xing)(xing)特(te)(te)征為依(yi)據的(de)，只不(bu)過用于對比(bi)的(de)波形(xing)(xing)是(shi)經(jing)過一次(ci)差分(fen)處(chu)理之后(hou)得到的(de)，雖(sui)然(ran)提高了(le)檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)，但對于缺陷(xian)的(de)深(shen)度、形(xing)(xing)狀(zhuang)以及(ji)走向等形(xing)(xing)態特(te)(te)征不(bu)一致的(de)情況，該方(fang)(fang)法適應性(xing)欠佳。
隨(sui)著差(cha)(cha)分階(jie)數(shu)的(de)提高(gao)，考慮(lv)到差(cha)(cha)分過(guo)程中(zhong)的(de)累積誤差(cha)(cha)，采用(yong)后(hou)(hou)向差(cha)(cha)分處理(li)。用(yong)x°(h)表(biao)示離散采樣(yang)信(xin)(xin)號(hao)序(xu)列，用(yong)（h）表(biao)示采樣(yang)信(xin)(xin)號(hao)經(jing)過(guo)一階(jie)差(cha)(cha)分后(hou)(hou)的(de)數(shu)字(zi)序(xu)列，x2(k)）表(biao)示經(jing)過(guo)9二階(jie)差(cha)(cha)分后(hou)(hou)的(de)數(shu)字(zi)序(xu)列，為簡化計算，步長取(qu)1，也即向后(hou)(hou)一步差(cha)(cha)分。從信(xin)(xin)號(hao)處理(li)效(xiao)果出(chu)發(fa)，也可以用(yong)多步差(cha)(cha)分處理(li)，可根據現(xian)場應用(yong)效(xiao)果進行調試。
通過(guo)式（4-4)～式（4-7）可(ke)計算出檢測(ce)信號的(de)各階差分(fen)(fen)(fen)輸(shu)出量，并可(ke)利用檢測(ce)量和差分(fen)(fen)(fen)輸(shu)出量來構建評判指標，而不是(shi)僅在檢測(ce)信號波形上尋求(qiu)解(jie)決方案，從而可(ke)有效(xiao)地(di)避免(mian)缺(que)陷其他形態特征對內、外(wai)部缺(que)陷區分(fen)(fen)(fen)的(de)影響。
數字信號差分處理可以通過軟件(jian)算法實現，其僅(jin)對原始采(cai)樣數據進行(xing)差分處理即可實現在役(yi)漏磁檢(jian)測設備的(de)性(xing)能提升，而無須對檢(jian)測探(tan)頭及信號采(cai)集系統做任何硬件(jian)修改，具(ju)有重要的(de)實際(ji)應用價(jia)值。
三、內、外部缺陷檢測信號(hao)的數字差(cha)分處理
差(cha)(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)既(ji)然可(ke)以(yi)(yi)起到頻率(lv)成分的(de)(de)(de)(de)析取作(zuo)用，那么可(ke)以(yi)(yi)進一步(bu)理(li)(li)解為(wei)(wei)：具有不(bu)同頻率(lv)成分的(de)(de)(de)(de)內、外(wai)部缺陷檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)對差(cha)(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)響應輸(shu)出量(liang)(liang)也會不(bu)同；再者，由于(yu)檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)過程在本質上是對檢測(ce)數(shu)據沿掃查(cha)路(lu)徑變化(hua)趨勢(shi)的(de)(de)(de)(de)定(ding)量(liang)(liang)描述，如果將(jiang)時域(yu)檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)數(shu)據視為(wei)(wei)可(ke)見的(de)(de)(de)(de)位(wei)移量(liang)(liang)，則一階差(cha)(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)過程更(geng)傾(qing)向(xiang)于(yu)描述這種(zhong)(zhong)位(wei)移量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)特征(zheng)，即速(su)度(du)(du)(du)信(xin)(xin)(xin)(xin)息；不(bu)難理(li)(li)解，進一步(bu)的(de)(de)(de)(de)二(er)階差(cha)(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)不(bu)妨視為(wei)(wei)對這種(zhong)(zhong)位(wei)移量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)加速(su)度(du)(du)(du)信(xin)(xin)(xin)(xin)息的(de)(de)(de)(de)提取，而(er)加速(su)度(du)(du)(du)更(geng)傾(qing)向(xiang)于(yu)描述或體現出事物的(de)(de)(de)(de)本質特征(zheng)。利用二(er)階差(cha)(cha)(cha)分輸(shu)出量(liang)(liang)與(yu)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)源進行特征(zheng)參(can)(can)數(shu)的(de)(de)(de)(de)參(can)(can)照對比，可(ke)發現內、外(wai)部缺陷產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)漏磁信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)源在差(cha)(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)過程中的(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異。
1. 刻槽(cao)內、外(wai)位置區(qu)分
下面對不(bu)同(tong)位置刻(ke)(ke)槽檢(jian)測信號(hao)進行(xing)差(cha)分處理，研究缺陷的位置特(te)征與二(er)階差(cha)分輸出量之間的關聯性。以(yi)外徑(jing)為(wei)(wei)88.9mm、壁(bi)厚(hou)為(wei)(wei)9.35mm的鋼管(guan)作(zuo)為(wei)(wei)試件，采用(yong)電火花(hua)加工方法，分別在鋼管(guan)內(nei)、外壁(bi)刻(ke)(ke)制(zhi)不(bu)同(tong)深度的周向(xiang)刻(ke)(ke)槽。同(tong)樣，選用(yong)集成(cheng)霍爾元件UGN-3505作(zuo)為(wei)(wei)磁敏感元件，以(yi)0.5mm提離(li)距離(li)封裝于(yu)檢(jian)測探頭內(nei)部，拾(shi)取漏磁場的法向(xiang)分量。試驗過程中，保證探頭掃查速度恒定不(bu)變，檢(jian)測信號(hao)及二(er)階差(cha)分輸出如圖4-22所示。
從圖4-22中可以看出(chu)，對檢(jian)測(ce)(ce)數據(ju)進行后向二(er)(er)階(jie)差分(fen)(fen)處理，可以使(shi)得差分(fen)(fen)輸出(chu)量在(zai)波形上類(lei)似(si)于原始檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)波形，相鄰波峰(feng)與(yu)波谷(gu)之間(jian)出(chu)現位(wei)置(zhi)互換。分(fen)(fen)析檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)與(yu)二(er)(er)階(jie)差分(fen)(fen)輸出(chu)量之間(jian)的關系時，重點觀察兩者峰(feng)-峰(feng)值這一特征參數的變(bian)化情(qing)況(kuang)。為便于論述評判(pan)(x)z4指標的構(gou)建過程，缺陷的檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)與(yu)二(er)(er)階(jie)差分(fen)(fen)輸出(chu)量分(fen)(fen)別(bie)記為V°(x)和(he)(he)。通過比較Vo(x)zA（x）和(he)(he)峰(feng)-峰(feng)值來構(gou)建評判(pan)指標，即
分(fen)析(xi)表4-7中的(de)(de)數據可以發現，內、外(wai)(wai)部(bu)(bu)缺陷(xian)評判指標βa的(de)(de)量(liang)值差異較大，因此(ci)，可以通過(guo)設定合理的(de)(de)區分(fen)門限(xian)來達到區分(fen)內、外(wai)(wai)部(bu)(bu)缺陷(xian)的(de)(de)目的(de)(de)，而且缺陷(xian)深(shen)度(du)對評判指標βa的(de)(de)影響較小，不會(hui)因為缺陷(xian)的(de)(de)深(shen)度(du)過(guo)大或是(shi)過(guo)小產生(sheng)評判失效。
2. 不(bu)通孔(kong)內、外位置區分
下面(mian)進(jin)(jin)一步討論數字信號(hao)差(cha)分方(fang)法(fa)在(zai)不(bu)通孔(kong)(kong)缺(que)陷上的(de)適用(yong)(yong)性。仍然選(xuan)用(yong)(yong)鋼管作為試件(jian)，外(wai)徑為88.9mm，壁厚為9.35mm，并(bing)在(zai)鋼管上加工(gong)各類不(bu)通孔(kong)(kong)缺(que)陷。檢測探頭采用(yong)(yong)集(ji)成霍(huo)爾元件(jian)UGN-3503作為磁(ci)(ci)敏感元件(jian)進(jin)(jin)行封裝，實際(ji)提離(li)距離(li)為0.5mm，拾(shi)取漏磁(ci)(ci)場的(de)法(fa)向分量Va(x)，檢測信號(hao)及二階差(cha)分輸出如圖4-23所示。
根據(ju)式（4-8）計算(suan)評判(pan)指標βa，見(jian)表(biao)4-8。可(ke)以發現，對(dui)于不同(tong)位(wei)置(zhi)和形(xing)狀(zhuang)的(de)(de)不通孔缺(que)陷，β。仍可(ke)作為評判(pan)指標來區(qu)分(fen)和識別(bie)缺(que)陷的(de)(de)位(wei)置(zhi)特征。由于該評判(pan)指標是對(dui)時域檢測(ce)信(xin)(xin)號(hao)與其二階差分(fen)輸出量之間進行對(dui)比，而(er)不是僅僅對(dui)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)波形(xing)特征進行信(xin)(xin)息提取(qu)，因此保(bao)證了評判(pan)方(fang)法對(dui)具有(you)不同(tong)形(xing)態特征的(de)(de)缺(que)陷仍然具有(you)良好(hao)的(de)(de)位(wei)置(zhi)特征識別(bie)能(neng)力。
3. 斜向裂紋內、外位(wei)置區(qu)分
不銹鋼(gang)管(guan)在(zai)(zai)生產和使用過程中，當受到復雜(za)載荷(he)的(de)作用時，往往會在(zai)(zai)內、外管(guan)壁(bi)出現與鋼(gang)管(guan)軸向處(chu)于(yu)既非(fei)垂直(zhi)、也(ye)非(fei)平行的(de)斜向裂(lie)紋(wen)。下面討論數字信號差分(fen)方(fang)法在(zai)(zai)斜向裂(lie)紋(wen)上的(de)適用性(xing)。
在不銹鋼管內、外表面上用電火花方法加(jia)工斜(xie)向(xiang)刻(ke)槽(cao)，刻(ke)槽(cao)相對于(yu)管材軸向(xiang)方向(xiang)傾斜(xie)45°，深度(du)分(fen)別為1.0mm（外部缺(que)陷），3.0mm（內部缺(que)陷），寬度(du)均為0.5mm；鋼管直線前進(jin)，磁化器仍然(ran)選用直流(liu)磁化線圈(quan)，斜(xie)向(xiang)缺(que)陷的檢測信號及二階差分(fen)輸(shu)出(chu)如圖4-24所(suo)示。
利用(yong)式（4-8）計(ji)算(suan)評判指標(biao)βd，見(jian)表4-9。可(ke)以(yi)發(fa)現，通過設定區分門限（如βr-d=0.2）可(ke)以(yi)有效區分斜向裂紋的位置特征。
從表(biao)4-9中(zhong)可以(yi)看出(chu)，評(ping)判指標βa適應性較好(hao)，受缺(que)陷的(de)其(qi)他形態特征影響較小，如缺(que)陷的(de)形狀(zhuang)、深度(du)和(he)走(zou)向(xiang)等(deng)，可對各種內、外部(bu)缺(que)陷進(jin)行有效的(de)區分。
上述試(shi)驗過(guo)程(cheng)中，評判(pan)指標的(de)構建是基于(x)。4檢(jian)測(ce)(ce)信號與其二階差分輸出量之間(x)4的(de)相似特征參數（即峰-峰值(zhi)），區(qu)分流程(cheng)如圖4-25所示。由于該評判(pan)指標的(de)構建過(guo)程(cheng)僅僅是對常規漏(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)信號進行(xing)算法上的(de)處理(li)，對檢(jian)測(ce)(ce)硬件(jian)未加任何改(gai)動，因此在傳(chuan)統漏(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)設備上可方便地添加內、外部缺(que)陷區(qu)分功能，有效升級(ji)傳(chuan)統漏(lou)磁設備的(de)檢(jian)測(ce)(ce)功能。
