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、漏磁場的正交分(fen)量
漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)具有矢量(liang)(liang)特(te)性，當采用霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)作為磁(ci)(ci)敏感元(yuan)(yuan)件(jian)時，通過設計元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)布置方(fang)向，可(ke)以獲得漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)的(de)(de)兩個相互正交的(de)(de)分(fen)(fen)量(liang)(liang)，即(ji)法向分(fen)(fen)量(liang)(liang)Vn(x)與(yu)切(qie)向分(fen)(fen)量(liang)(liang)V1(x)）。沿著檢測探頭的(de)(de)掃查軌(gui)跡方(fang)向，在(zai)與(yu)檢測表面(mian)(mian)垂直的(de)(de)平面(mian)(mian)內觀察，可(ke)以將三維(wei)空間場(chang)(chang)簡化為二(er)維(wei)場(chang)(chang)，進一(yi)步(bu)可(ke)分(fen)(fen)別研究漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)法向分(fen)(fen)量(liang)(liang)Vn（x）與(yu)切(qie)向分(fen)(fen)量(liang)(liang)VV1(x)）的(de)(de)分(fen)(fen)布情(qing)況，這樣可(ke)以完備描述(shu)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)的(de)(de)矢量(liang)(liang)分(fen)(fen)布特(te)征(zheng)。而單方(fang)面(mian)(mian)考察一(yi)個分(fen)(fen)量(liang)(liang)常(chang)常(chang)不(bu)足以對漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)進行準確、充(chong)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，分別檢測不銹鋼管(guan)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(guo)單獨利用切(qie)向(xiang)(xiang)或(huo)法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)的檢測(ce)(ce)信號波形(xing)特征對(dui)(dui)(dui)缺(que)陷形(xing)態進(jin)(jin)行評判(pan)，則丟失了兩者(zhe)關聯(lian)性對(dui)(dui)(dui)缺(que)陷評判(pan)的作(zuo)用，為此，必須綜合利用內、外部缺(que)陷檢測(ce)(ce)信號的切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)與法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)。從漏(lou)(lou)磁檢測(ce)(ce)拾取本質過(guo)程來看(kan)，通(tong)過(guo)多(duo)元件(jian)布(bu)置不可能在空間某一點對(dui)(dui)(dui)漏(lou)(lou)磁場(chang)(chang)進(jin)(jin)行各分(fen)(fen)量(liang)信息的同步拾取，因(yin)為多(duo)個磁敏感元件(jian)所處的空間檢測(ce)(ce)點并不能完全重合，而且(qie)會(hui)增加傳感器系統(tong)的復(fu)雜性。因(yin)此，通(tong)過(guo)精確(que)構造能夠拾取漏(lou)(lou)磁場(chang)(chang)正交分(fen)(fen)量(liang)的辦法(fa)比較(jiao)困(kun)難(nan)。這里(li)介紹一種正交變換的方法(fa)，可對(dui)(dui)(dui)檢測(ce)(ce)信號本身進(jin)(jin)行特征考察。
差分(fen)處(chu)理(li)是正交變換的(de)一(yi)種，從(cong)差分(fen)處(chu)理(li)的(de)功(gong)能來看，對(dui)缺陷(xian)漏磁場某一(yi)分(fen)量(liang)檢測(ce)(ce)信號(hao)進行二階差分(fen)處(chu)理(li)之后(hou)，可(ke)以得(de)到(dao)與(yu)原(yuan)始檢測(ce)(ce)信號(hao)近似映(ying)像關系的(de)輸出(chu)量(liang)，從(cong)而使得(de)兩者在波形(xing)特(te)征上具有(you)了可(ke)參照、可(ke)對(dui)比的(de)特(te)征參數，如峰(feng)-峰(feng)值。這(zhe)樣一(yi)來，可(ke)以提取同一(yi)檢測(ce)(ce)點的(de)空(kong)間多(duo)維度(du)信息，并保證了信息量(liang)均來源于同一(yi)空(kong)間檢測(ce)(ce)點。
二、數字信號的(de)差(cha)分處理分析
缺陷產生(sheng)的漏磁(ci)檢(jian)測(ce)信號是(shi)一種有(you)限的數值序(xu)列(lie)，它(ta)反映著(zhu)(zhu)檢(jian)測(ce)空間內(nei)漏磁(ci)場強度沿著(zhu)(zhu)掃查路徑(jing)方(fang)向上(shang)的變化情況(kuang)，間接反映了缺陷的形(xing)態(tai)特征。以檢(jian)測(ce)路徑(jing)x為自變量(liang)，以采樣點得到的物(wu)理(li)量(liang)具體數值為縱(zong)坐標(biao)，按各空間點的檢(jian)測(ce)順序(xu)排列(lie)起來，在顯(xian)示設備上(shang)形(xing)成可用于分析的信號波形(xing)。
實際上，數字信號處理技術被廣泛應用于(yu)檢測信號的(de)模式識(shi)(shi)別(bie)。部分研究人員(yuan)采用投影算法(fa)，在不增加(jia)分析軟件計算量的(de)同時，提高了(le)漏磁檢測的(de)信噪比(bi)，初步實現了(le)同類型(xing)缺(que)陷的(de)位置特(te)征(zheng)識(shi)(shi)別(bie)。但從本質(zhi)來看，該方法(fa)仍未脫離根(gen)據信號波形(xing)(xing)特(te)征(zheng)進行(xing)類型(xing)劃(hua)分的(de)范疇，容易(yi)受到(dao)其(qi)他因素(su)的(de)干擾(rao)，對形(xing)(xing)態特(te)征(zheng)隨機性較強的(de)自然(ran)缺(que)陷適應性較差。
對(dui)(dui)時域離散信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)進(jin)行數字差(cha)分處(chu)(chu)理，可以(yi)有(you)效地消去(qu)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)中的(de)趨勢項，提(ti)(ti)高信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)噪比。由于內、外(wai)部缺(que)陷檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)頻率段不(bu)同，部分學者提(ti)(ti)出(chu)對(dui)(dui)模(mo)擬檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)采(cai)用一(yi)階差(cha)分處(chu)(chu)理的(de)方法，經過(guo)(guo)差(cha)分處(chu)(chu)理之(zhi)后的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)波(bo)形(xing)(xing)可以(yi)提(ti)(ti)高內、外(wai)部缺(que)陷檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)差(cha)異程度。但其(qi)評判規則仍是(shi)以(yi)內、外(wai)部缺(que)陷信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)波(bo)形(xing)(xing)特(te)征(zheng)為依據的(de)，只不(bu)過(guo)(guo)用于對(dui)(dui)比的(de)波(bo)形(xing)(xing)是(shi)經過(guo)(guo)一(yi)次差(cha)分處(chu)(chu)理之(zhi)后得到的(de)，雖(sui)然提(ti)(ti)高了(le)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)噪比，但對(dui)(dui)于缺(que)陷的(de)深度、形(xing)(xing)狀以(yi)及走向等形(xing)(xing)態(tai)特(te)征(zheng)不(bu)一(yi)致的(de)情(qing)況(kuang)，該方法適應性欠(qian)佳。
隨著差(cha)分(fen)(fen)階數(shu)(shu)的(de)(de)提高，考慮(lv)到(dao)差(cha)分(fen)(fen)過(guo)程中的(de)(de)累積誤差(cha)，采用(yong)(yong)后(hou)向(xiang)差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理。用(yong)(yong)x°(h)表(biao)示離散采樣(yang)信(xin)(xin)號序(xu)列(lie)(lie)，用(yong)(yong)（h）表(biao)示采樣(yang)信(xin)(xin)號經過(guo)一階差(cha)分(fen)(fen)后(hou)的(de)(de)數(shu)(shu)字序(xu)列(lie)(lie)，x2(k)）表(biao)示經過(guo)9二階差(cha)分(fen)(fen)后(hou)的(de)(de)數(shu)(shu)字序(xu)列(lie)(lie)，為簡(jian)化計算，步(bu)(bu)長取(qu)1，也(ye)(ye)即向(xiang)后(hou)一步(bu)(bu)差(cha)分(fen)(fen)。從信(xin)(xin)號處(chu)理效果出發(fa)，也(ye)(ye)可以用(yong)(yong)多(duo)步(bu)(bu)差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理，可根據現場應(ying)用(yong)(yong)效果進行調試。
通過式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可(ke)(ke)計算出(chu)(chu)檢測信號的(de)各階差分輸出(chu)(chu)量(liang)，并可(ke)(ke)利用檢測量(liang)和差分輸出(chu)(chu)量(liang)來構(gou)建評判(pan)指標(biao)，而(er)不是僅在檢測信號波形上(shang)尋(xun)求解(jie)決方案(an)，從而(er)可(ke)(ke)有效地避免缺(que)陷(xian)其他形態特征(zheng)對(dui)內、外部(bu)缺(que)陷(xian)區分的(de)影響(xiang)。
數(shu)字信號差分處理(li)可以通過軟件算法實(shi)現，其僅對原始(shi)采(cai)樣(yang)數(shu)據進(jin)行差分處理(li)即(ji)可實(shi)現在役漏磁檢測設(she)備的(de)性能提升，而無須對檢測探頭及(ji)信號采(cai)集系統做任何硬件修改，具有(you)重要的(de)實(shi)際應用價值。
三、內、外(wai)部缺(que)陷檢測信號的數字差分處理(li)
差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)既然可以起到頻率成(cheng)(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)析取作用(yong)，那么可以進一步(bu)理(li)(li)解為(wei)：具有不(bu)(bu)同頻率成(cheng)(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)內、外(wai)部(bu)缺陷檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)號對差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)應輸出量(liang)也(ye)會(hui)不(bu)(bu)同；再者(zhe)，由(you)于(yu)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過程(cheng)在(zai)本(ben)質(zhi)上是(shi)對檢(jian)測(ce)(ce)數據沿掃查(cha)路徑變化趨勢的(de)(de)(de)(de)(de)定量(liang)描述，如果將時域檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)號數據視為(wei)可見的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)移(yi)量(liang)，則一階(jie)(jie)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過程(cheng)更傾向于(yu)描述這種(zhong)位(wei)移(yi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)變化特(te)征，即速度信(xin)(xin)(xin)息；不(bu)(bu)難(nan)理(li)(li)解，進一步(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)二階(jie)(jie)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)不(bu)(bu)妨(fang)視為(wei)對這種(zhong)位(wei)移(yi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)速度信(xin)(xin)(xin)息的(de)(de)(de)(de)(de)提取，而加(jia)速度更傾向于(yu)描述或體現出事物的(de)(de)(de)(de)(de)本(ben)質(zhi)特(te)征。利用(yong)二階(jie)(jie)差(cha)(cha)(cha)分(fen)輸出量(liang)與信(xin)(xin)(xin)號源(yuan)進行特(te)征參數的(de)(de)(de)(de)(de)參照對比，可發現內、外(wai)部(bu)缺陷產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)漏磁信(xin)(xin)(xin)號源(yuan)在(zai)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分(fen)
下面對不同位(wei)置刻槽檢測(ce)信號進行差(cha)(cha)分(fen)處理，研究(jiu)缺陷的(de)位(wei)置特征與二(er)階(jie)差(cha)(cha)分(fen)輸出(chu)量(liang)之間的(de)關聯性。以外徑為88.9mm、壁(bi)厚為9.35mm的(de)鋼管作(zuo)為試件(jian)，采(cai)用電火花加工方法(fa)，分(fen)別在鋼管內、外壁(bi)刻制(zhi)不同深度的(de)周(zhou)向刻槽。同樣，選(xuan)用集成霍爾(er)元件(jian)UGN-3505作(zuo)為磁敏感(gan)元件(jian)，以0.5mm提離(li)距離(li)封裝(zhuang)于檢測(ce)探頭(tou)內部(bu)，拾取漏(lou)磁場(chang)的(de)法(fa)向分(fen)量(liang)。試驗過(guo)程中，保(bao)證探頭(tou)掃查速度恒定不變(bian)，檢測(ce)信號及二(er)階(jie)差(cha)(cha)分(fen)輸出(chu)如圖4-22所(suo)示(shi)。
從圖4-22中可(ke)以看出，對檢(jian)(jian)測(ce)(ce)數(shu)據進行后向(xiang)二階差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理，可(ke)以使得差(cha)分(fen)(fen)輸出量(liang)(liang)(liang)在波(bo)形(xing)上類似于(yu)原始檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信號波(bo)形(xing)，相鄰波(bo)峰與(yu)波(bo)谷之(zhi)間(jian)出現位置互(hu)換。分(fen)(fen)析檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信號與(yu)二階差(cha)分(fen)(fen)輸出量(liang)(liang)(liang)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)系時，重(zhong)點觀察兩者峰-峰值這一(yi)特征參數(shu)的(de)變化情況。為便于(yu)論述(shu)評判(x)z4指標的(de)構(gou)建過程，缺陷的(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信號與(yu)二階差(cha)分(fen)(fen)輸出量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)別記為V°(x)和。通過比較Vo(x)zA（x）和峰-峰值來構(gou)建評判指標，即
分析表4-7中的數據(ju)可以發(fa)現，內、外(wai)部(bu)缺陷(xian)評(ping)(ping)(ping)判指標βa的量(liang)值差異較大，因此，可以通過設定(ding)合理的區(qu)分門限(xian)來達到區(qu)分內、外(wai)部(bu)缺陷(xian)的目的，而且缺陷(xian)深(shen)度(du)對評(ping)(ping)(ping)判指標βa的影響較小(xiao)(xiao)，不會因為缺陷(xian)的深(shen)度(du)過大或是(shi)過小(xiao)(xiao)產生評(ping)(ping)(ping)判失效。
2. 不通孔內、外位置區分
下面進一(yi)步(bu)討論數字信號差分方法在(zai)不通(tong)孔缺陷上(shang)的適用(yong)性。仍然選(xuan)用(yong)鋼(gang)管作為試件，外徑(jing)為88.9mm，壁厚為9.35mm，并在(zai)鋼(gang)管上(shang)加工(gong)各類(lei)不通(tong)孔缺陷。檢測探頭采用(yong)集成霍爾元件UGN-3503作為磁敏感元件進行封裝，實際提(ti)離距離為0.5mm，拾取漏磁場的法向分量Va(x)，檢測信號及(ji)二階差分輸(shu)出如圖(tu)4-23所(suo)示。
根據式(shi)（4-8）計算評(ping)判指(zhi)(zhi)標(biao)(biao)βa，見表4-8。可以發(fa)現，對(dui)(dui)于不同位置(zhi)和形(xing)狀的(de)不通(tong)孔(kong)缺陷(xian)，β。仍(reng)可作為評(ping)判指(zhi)(zhi)標(biao)(biao)來區分和識別缺陷(xian)的(de)位置(zhi)特征(zheng)。由于該(gai)評(ping)判指(zhi)(zhi)標(biao)(biao)是(shi)對(dui)(dui)時域檢(jian)測信號與其(qi)二階差分輸出量之間進(jin)行對(dui)(dui)比，而不是(shi)僅僅對(dui)(dui)信號的(de)波形(xing)特征(zheng)進(jin)行信息提(ti)取，因此保證(zheng)了評(ping)判方法對(dui)(dui)具有(you)(you)不同形(xing)態特征(zheng)的(de)缺陷(xian)仍(reng)然具有(you)(you)良好(hao)的(de)位置(zhi)特征(zheng)識別能力。
3. 斜向(xiang)裂紋內、外位置區分
不銹鋼管(guan)在(zai)生產和使用(yong)過程中，當受到復(fu)雜載荷的(de)(de)作用(yong)時，往往會在(zai)內(nei)、外(wai)管(guan)壁(bi)出現與鋼管(guan)軸(zhou)向處于既非(fei)垂直、也(ye)非(fei)平(ping)行的(de)(de)斜向裂紋。下面討論數字信(xin)號差(cha)分方法在(zai)斜向裂紋上的(de)(de)適用(yong)性。
在不銹鋼(gang)(gang)管(guan)內、外(wai)表(biao)面上用(yong)電火(huo)花方法加工斜(xie)(xie)向刻槽(cao)，刻槽(cao)相對于管(guan)材軸向方向傾斜(xie)(xie)45°，深度(du)分別為(wei)1.0mm（外(wai)部(bu)缺陷），3.0mm（內部(bu)缺陷），寬(kuan)度(du)均為(wei)0.5mm；鋼(gang)(gang)管(guan)直線(xian)前進(jin)，磁(ci)化器仍然選用(yong)直流磁(ci)化線(xian)圈(quan)，斜(xie)(xie)向缺陷的檢測信號(hao)及二階(jie)差分輸出如(ru)圖4-24所示。
利用(yong)式(shi)（4-8）計(ji)算評判指標(biao)βd，見表(biao)4-9。可(ke)以發現，通過(guo)設定區分門限(xian)（如βr-d=0.2）可(ke)以有效(xiao)區分斜向(xiang)裂紋的位(wei)置特征。
從表4-9中可以看出(chu)，評判指(zhi)標βa適應(ying)性較好(hao)，受缺陷(xian)的其(qi)他(ta)形態(tai)特征影響較小，如缺陷(xian)的形狀、深(shen)度和走(zou)向等，可對各種內、外部(bu)缺陷(xian)進(jin)行(xing)有效的區分。
上述試驗過(guo)程(cheng)中，評判指(zhi)標的(de)構建(jian)是基(ji)于(x)。4檢(jian)測(ce)(ce)信號與(yu)其二階(jie)差分輸(shu)出量之(zhi)間(x)4的(de)相似特征參數（即峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值），區分流程(cheng)如圖4-25所示(shi)。由(you)于該評判指(zhi)標的(de)構建(jian)過(guo)程(cheng)僅僅是對常規漏(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)信號進行算法上的(de)處(chu)理，對檢(jian)測(ce)(ce)硬件未加任何(he)改動(dong)，因此在(zai)傳統漏(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)設備(bei)上可方便地添(tian)加內(nei)、外部缺(que)陷(xian)區分功(gong)能，有效升級傳統漏(lou)磁設備(bei)的(de)檢(jian)測(ce)(ce)功(gong)能。
