不銹鋼管(guan)漏磁檢(jian)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、漏磁場的正(zheng)交(jiao)分(fen)量
漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場具有矢(shi)量(liang)特性(xing)，當采用霍爾(er)元件(jian)作為磁(ci)(ci)敏(min)感元件(jian)時，通過設計元件(jian)的(de)(de)布(bu)置方(fang)(fang)(fang)向(xiang)，可以(yi)獲得漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場的(de)(de)兩個相互(hu)正交的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)量(liang)，即法向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與(yu)(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿(yan)著(zhu)檢測(ce)探頭的(de)(de)掃查軌跡方(fang)(fang)(fang)向(xiang)，在與(yu)(yu)檢測(ce)表面垂直的(de)(de)平面內觀察，可以(yi)將三(san)維(wei)空間場簡化為二(er)維(wei)場，進一(yi)步可分(fen)(fen)(fen)別研究(jiu)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場法向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與(yu)(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)布(bu)情況(kuang)，這樣可以(yi)完備描述漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場的(de)(de)矢(shi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)布(bu)特征。而單方(fang)(fang)(fang)面考察一(yi)個分(fen)(fen)(fen)量(liang)常常不足以(yi)對漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場進行準確、充(chong)分(fen)(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(yong)(yong)切(qie)向或法(fa)向分(fen)量的(de)(de)檢(jian)測(ce)信號(hao)(hao)波形(xing)特(te)征(zheng)對(dui)缺(que)(que)(que)陷形(xing)態進(jin)行(xing)評判(pan)，則丟失(shi)了兩者關聯性(xing)(xing)對(dui)缺(que)(que)(que)陷評判(pan)的(de)(de)作用(yong)(yong)，為此，必須綜合利(li)用(yong)(yong)內、外部(bu)缺(que)(que)(que)陷檢(jian)測(ce)信號(hao)(hao)的(de)(de)切(qie)向分(fen)量與法(fa)向分(fen)量。從漏(lou)(lou)磁檢(jian)測(ce)拾取本(ben)質過(guo)程來看(kan)，通(tong)過(guo)多元件布(bu)置不可能(neng)在空間(jian)某一點(dian)對(dui)漏(lou)(lou)磁場(chang)(chang)進(jin)行(xing)各分(fen)量信息的(de)(de)同步拾取，因為多個磁敏感(gan)元件所處的(de)(de)空間(jian)檢(jian)測(ce)點(dian)并不能(neng)完全重合，而且會(hui)增加傳感(gan)器系統的(de)(de)復雜性(xing)(xing)。因此，通(tong)過(guo)精確構(gou)造能(neng)夠拾取漏(lou)(lou)磁場(chang)(chang)正(zheng)交(jiao)分(fen)量的(de)(de)辦法(fa)比較困(kun)難。這里介紹一種(zhong)正(zheng)交(jiao)變(bian)換的(de)(de)方法(fa)，可對(dui)檢(jian)測(ce)信號(hao)(hao)本(ben)身進(jin)行(xing)特(te)征(zheng)考察。
差分(fen)處理(li)是正交變換的(de)(de)一(yi)種，從(cong)差分(fen)處理(li)的(de)(de)功能(neng)來看，對缺陷漏磁場某一(yi)分(fen)量(liang)檢測(ce)信號進行二階差分(fen)處理(li)之后，可(ke)以得到與原(yuan)始檢測(ce)信號近似映像關(guan)系的(de)(de)輸出(chu)量(liang)，從(cong)而使得兩者在波(bo)形特(te)征(zheng)(zheng)上具有了(le)可(ke)參(can)照(zhao)、可(ke)對比的(de)(de)特(te)征(zheng)(zheng)參(can)數，如峰-峰值。這樣一(yi)來，可(ke)以提(ti)取同一(yi)檢測(ce)點(dian)的(de)(de)空間多維度信息(xi)，并保證(zheng)了(le)信息(xi)量(liang)均(jun)來源于同一(yi)空間檢測(ce)點(dian)。
二(er)、數字信(xin)號的差分處理分析
缺陷(xian)產(chan)生的漏磁(ci)檢(jian)測(ce)信號是一種有限的數(shu)值序列(lie)，它反映著檢(jian)測(ce)空間內漏磁(ci)場強度沿著掃查路徑方向上的變化情況，間接反映了缺陷(xian)的形態(tai)特征。以檢(jian)測(ce)路徑x為(wei)自變量，以采樣點得到(dao)的物(wu)理量具(ju)體數(shu)值為(wei)縱坐標，按各(ge)空間點的檢(jian)測(ce)順序排列(lie)起來，在(zai)顯示設(she)備上形成可用于分析的信號波形。
實際上，數字信號處理技術被(bei)廣泛(fan)應(ying)用于(yu)檢(jian)測(ce)信號的(de)(de)(de)模(mo)式(shi)識別。部(bu)分研究人(ren)員采(cai)用投影算法，在(zai)不(bu)增(zeng)加分析(xi)軟件(jian)計算量的(de)(de)(de)同(tong)時，提高了漏磁檢(jian)測(ce)的(de)(de)(de)信噪比，初步實現(xian)了同(tong)類型缺陷的(de)(de)(de)位置特征(zheng)識別。但(dan)從本質來看，該方法仍(reng)未(wei)脫離根據信號波形特征(zheng)進行類型劃分的(de)(de)(de)范疇，容易受到其他因素的(de)(de)(de)干擾，對形態特征(zheng)隨(sui)機(ji)性(xing)較強的(de)(de)(de)自(zi)然缺陷適應(ying)性(xing)較差。
對(dui)時域(yu)離散信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)進(jin)行數字(zi)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理，可以(yi)(yi)有(you)效地消去檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)中的(de)(de)(de)趨勢項，提(ti)高(gao)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)。由于內、外(wai)部缺(que)(que)陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)頻率段不(bu)同，部分(fen)學者提(ti)出對(dui)模擬檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)采用(yong)一階(jie)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理的(de)(de)(de)方法(fa)，經過差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理之后(hou)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)波形(xing)可以(yi)(yi)提(ti)高(gao)內、外(wai)部缺(que)(que)陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異程度。但其評判規則(ze)仍是以(yi)(yi)內、外(wai)部缺(que)(que)陷(xian)(xian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)波形(xing)特征為依(yi)據的(de)(de)(de)，只不(bu)過用(yong)于對(dui)比(bi)(bi)的(de)(de)(de)波形(xing)是經過一次差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理之后(hou)得到的(de)(de)(de)，雖(sui)然提(ti)高(gao)了檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)，但對(dui)于缺(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)深度、形(xing)狀以(yi)(yi)及走向等(deng)形(xing)態特征不(bu)一致的(de)(de)(de)情況，該方法(fa)適應性欠佳。
隨著差(cha)分階數的(de)(de)提高(gao)，考慮到差(cha)分過程中的(de)(de)累積誤差(cha)，采(cai)用(yong)(yong)后(hou)向差(cha)分處(chu)理。用(yong)(yong)x°(h)表(biao)示(shi)離散采(cai)樣信(xin)號(hao)序列(lie)，用(yong)(yong)（h）表(biao)示(shi)采(cai)樣信(xin)號(hao)經(jing)過一(yi)(yi)階差(cha)分后(hou)的(de)(de)數字序列(lie)，x2(k)）表(biao)示(shi)經(jing)過9二階差(cha)分后(hou)的(de)(de)數字序列(lie)，為(wei)簡化(hua)計算，步長取1，也即(ji)向后(hou)一(yi)(yi)步差(cha)分。從信(xin)號(hao)處(chu)理效(xiao)果出發，也可(ke)(ke)以(yi)用(yong)(yong)多步差(cha)分處(chu)理，可(ke)(ke)根據(ju)現場應用(yong)(yong)效(xiao)果進行調試(shi)。
通過(guo)式（4-4)～式（4-7）可(ke)計(ji)算(suan)出(chu)檢測(ce)信號(hao)的(de)各階(jie)差(cha)分輸出(chu)量(liang)(liang)，并可(ke)利用檢測(ce)量(liang)(liang)和差(cha)分輸出(chu)量(liang)(liang)來(lai)構建評判指標，而(er)不是僅(jin)在檢測(ce)信號(hao)波形上(shang)尋(xun)求解(jie)決(jue)方(fang)案，從而(er)可(ke)有效地避免缺(que)陷(xian)其他形態特征對(dui)內、外部缺(que)陷(xian)區分的(de)影響。
數字(zi)信(xin)號差分(fen)(fen)處理(li)可以(yi)通過軟件算法實現(xian)，其(qi)僅(jin)對原始采(cai)樣數據進行差分(fen)(fen)處理(li)即可實現(xian)在(zai)役漏磁檢(jian)測(ce)設備的性能(neng)提升，而無須對檢(jian)測(ce)探頭及信(xin)號采(cai)集系統做(zuo)任何(he)硬件修改，具(ju)有重要的實際應用價值(zhi)。
三、內(nei)、外部缺陷檢測信號的數字差分處理
差分處理(li)既然(ran)可以(yi)起(qi)到頻率(lv)成(cheng)分的(de)(de)(de)析取(qu)作用，那么可以(yi)進一步理(li)解為：具(ju)有(you)不(bu)(bu)同頻率(lv)成(cheng)分的(de)(de)(de)內、外部(bu)缺陷檢(jian)測信號(hao)(hao)對(dui)差分處理(li)的(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)輸出(chu)量(liang)(liang)也(ye)會不(bu)(bu)同；再者(zhe)，由于檢(jian)測信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)差分處理(li)過(guo)程(cheng)在本(ben)質上(shang)是對(dui)檢(jian)測數(shu)(shu)據(ju)沿掃(sao)查路徑(jing)變(bian)化趨(qu)勢的(de)(de)(de)定量(liang)(liang)描(miao)(miao)述，如果將時(shi)域檢(jian)測信號(hao)(hao)數(shu)(shu)據(ju)視(shi)為可見的(de)(de)(de)位移量(liang)(liang)，則(ze)一階差分處理(li)過(guo)程(cheng)更傾向(xiang)于描(miao)(miao)述這種(zhong)位移量(liang)(liang)的(de)(de)(de)變(bian)化特(te)征，即速度信息；不(bu)(bu)難理(li)解，進一步的(de)(de)(de)二階差分處理(li)不(bu)(bu)妨視(shi)為對(dui)這種(zhong)位移量(liang)(liang)的(de)(de)(de)加(jia)速度信息的(de)(de)(de)提取(qu)，而加(jia)速度更傾向(xiang)于描(miao)(miao)述或(huo)體(ti)現出(chu)事物的(de)(de)(de)本(ben)質特(te)征。利用二階差分輸出(chu)量(liang)(liang)與(yu)信號(hao)(hao)源進行特(te)征參數(shu)(shu)的(de)(de)(de)參照對(dui)比，可發(fa)現內、外部(bu)缺陷產生的(de)(de)(de)漏磁(ci)信號(hao)(hao)源在差分處理(li)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)差異。
1. 刻槽(cao)內(nei)、外位置區分
下面對不(bu)同位置刻(ke)槽檢測信號進行差分(fen)處理(li)，研究缺陷的(de)位置特(te)征與二階差分(fen)輸出量(liang)之間的(de)關聯性。以(yi)外徑為(wei)(wei)88.9mm、壁厚為(wei)(wei)9.35mm的(de)鋼管(guan)作為(wei)(wei)試件(jian)，采用(yong)電火(huo)花加(jia)工方法，分(fen)別在鋼管(guan)內、外壁刻(ke)制不(bu)同深度的(de)周向(xiang)(xiang)刻(ke)槽。同樣(yang)，選(xuan)用(yong)集成霍爾元件(jian)UGN-3505作為(wei)(wei)磁敏感(gan)元件(jian)，以(yi)0.5mm提離距離封裝于檢測探(tan)頭內部，拾取漏(lou)磁場的(de)法向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)。試驗(yan)過程中，保證探(tan)頭掃(sao)查(cha)速度恒(heng)定不(bu)變，檢測信號及二階差分(fen)輸出如圖4-22所示。
從(cong)圖4-22中可(ke)以看出(chu)，對檢測數據進行(xing)后向二階(jie)差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理，可(ke)以使得(de)差(cha)分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)量在(zai)波(bo)(bo)形(xing)上類(lei)似于原始檢測信(xin)號(hao)波(bo)(bo)形(xing)，相鄰(lin)波(bo)(bo)峰與波(bo)(bo)谷之間出(chu)現位(wei)置互換。分(fen)(fen)析檢測信(xin)號(hao)與二階(jie)差(cha)分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)量之間的(de)關系時，重(zhong)點(dian)觀察兩者峰-峰值這一(yi)特征參數的(de)變(bian)化情況。為便于論述評判(pan)(x)z4指標的(de)構(gou)建(jian)過程，缺陷的(de)檢測信(xin)號(hao)與二階(jie)差(cha)分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)量分(fen)(fen)別(bie)記為V°(x)和。通過比較Vo(x)zA（x）和峰-峰值來構(gou)建(jian)評判(pan)指標，即
分析(xi)表4-7中的(de)(de)數據可以發現，內、外部缺(que)(que)陷評(ping)判(pan)(pan)指(zhi)(zhi)標βa的(de)(de)量(liang)值差(cha)異較(jiao)大，因(yin)此，可以通過(guo)設定合理的(de)(de)區(qu)分門(men)限來達到(dao)區(qu)分內、外部缺(que)(que)陷的(de)(de)目的(de)(de)，而且缺(que)(que)陷深(shen)度對評(ping)判(pan)(pan)指(zhi)(zhi)標βa的(de)(de)影響較(jiao)小(xiao)，不會因(yin)為缺(que)(que)陷的(de)(de)深(shen)度過(guo)大或是(shi)過(guo)小(xiao)產生評(ping)判(pan)(pan)失(shi)效。
2. 不通孔內、外位置區分
下面(mian)進一(yi)步(bu)討(tao)論數字信號差(cha)分方法(fa)在不通孔(kong)缺陷上的(de)適(shi)用性。仍(reng)然選用鋼(gang)管作(zuo)為(wei)試件(jian)，外徑(jing)為(wei)88.9mm，壁厚為(wei)9.35mm，并在鋼(gang)管上加工各類不通孔(kong)缺陷。檢測(ce)探頭采用集成霍爾元(yuan)件(jian)UGN-3503作(zuo)為(wei)磁敏(min)感元(yuan)件(jian)進行封裝，實際(ji)提離(li)(li)距離(li)(li)為(wei)0.5mm，拾取漏(lou)磁場的(de)法(fa)向(xiang)分量Va(x)，檢測(ce)信號及二階差(cha)分輸(shu)出如圖(tu)4-23所示。
根據式（4-8）計(ji)算評(ping)判(pan)指標βa，見表(biao)4-8。可以(yi)發現，對于不同位置和(he)形狀的不通孔缺陷，β。仍(reng)可作(zuo)為評(ping)判(pan)指標來(lai)區分和(he)識別缺陷的位置特(te)(te)征。由于該評(ping)判(pan)指標是對時域檢測信號與其二階差分輸(shu)出(chu)量之(zhi)間進行對比，而不是僅僅對信號的波形特(te)(te)征進行信息提取(qu)，因此保證(zheng)了(le)評(ping)判(pan)方法對具有(you)不同形態(tai)特(te)(te)征的缺陷仍(reng)然具有(you)良好的位置特(te)(te)征識別能力。
3. 斜向裂紋內、外(wai)位置區分
不(bu)銹鋼(gang)管(guan)在(zai)生產和使(shi)用過程中，當受到復(fu)雜載荷的(de)(de)作(zuo)用時，往往會在(zai)內(nei)、外管(guan)壁出現與鋼(gang)管(guan)軸向(xiang)處于既(ji)非(fei)垂直、也非(fei)平行的(de)(de)斜(xie)(xie)向(xiang)裂(lie)紋。下面討論數(shu)字信號差(cha)分方法在(zai)斜(xie)(xie)向(xiang)裂(lie)紋上的(de)(de)適用性。
在不銹(xiu)鋼(gang)管(guan)(guan)內(nei)、外(wai)表面上用電火花方法加工斜(xie)向(xiang)刻(ke)槽(cao)，刻(ke)槽(cao)相對(dui)于管(guan)(guan)材軸向(xiang)方向(xiang)傾斜(xie)45°，深度分(fen)別為(wei)1.0mm（外(wai)部(bu)缺(que)陷），3.0mm（內(nei)部(bu)缺(que)陷），寬度均為(wei)0.5mm；鋼(gang)管(guan)(guan)直線(xian)前(qian)進(jin)，磁(ci)化器仍然選用直流磁(ci)化線(xian)圈，斜(xie)向(xiang)缺(que)陷的檢(jian)測信號及二階差分(fen)輸出(chu)如圖4-24所示。
利用式(shi)（4-8）計算評判指標(biao)βd，見表4-9。可(ke)(ke)以發現，通過設定區(qu)分門(men)限（如βr-d=0.2）可(ke)(ke)以有效區(qu)分斜(xie)向裂紋(wen)的位(wei)置特征。
從表(biao)4-9中可以看出，評(ping)判指標βa適應性較好(hao)，受缺陷的其他形態特征影(ying)響較小，如缺陷的形狀(zhuang)、深度和(he)走向等，可對各種內、外部缺陷進行(xing)有效的區分。
上述(shu)試驗過程(cheng)中，評判指標的(de)構建是(shi)基于(x)。4檢(jian)測(ce)信號與其二階差分(fen)(fen)輸出量之間(x)4的(de)相(xiang)似特征參數(shu)（即峰-峰值），區(qu)分(fen)(fen)流程(cheng)如圖4-25所示。由于該評判指標的(de)構建過程(cheng)僅僅是(shi)對常規(gui)漏(lou)磁檢(jian)測(ce)信號進行算法上的(de)處理，對檢(jian)測(ce)硬件未加任(ren)何改動，因此在傳統漏(lou)磁檢(jian)測(ce)設備上可方便地添(tian)加內、外部(bu)缺陷(xian)區(qu)分(fen)(fen)功(gong)能(neng)(neng)，有效升級傳統漏(lou)磁設備的(de)檢(jian)測(ce)功(gong)能(neng)(neng)。
