不銹鋼管(guan)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、漏磁場的正交分量
漏(lou)磁(ci)場(chang)(chang)具有(you)矢量(liang)特(te)性，當采用霍爾元(yuan)件(jian)作為磁(ci)敏(min)感元(yuan)件(jian)時，通過設計元(yuan)件(jian)的布置方向(xiang)(xiang)(xiang)，可以(yi)獲得漏(lou)磁(ci)場(chang)(chang)的兩個相互(hu)正交的分量(liang)，即(ji)法向(xiang)(xiang)(xiang)分量(liang)Vn(x)與(yu)切向(xiang)(xiang)(xiang)分量(liang)V1(x)）。沿著檢測探(tan)頭的掃查軌跡方向(xiang)(xiang)(xiang)，在與(yu)檢測表面(mian)(mian)垂直(zhi)的平面(mian)(mian)內觀察，可以(yi)將(jiang)三維空間(jian)場(chang)(chang)簡(jian)化(hua)為二維場(chang)(chang)，進一步可分別(bie)研究(jiu)漏(lou)磁(ci)場(chang)(chang)法向(xiang)(xiang)(xiang)分量(liang)Vn（x）與(yu)切向(xiang)(xiang)(xiang)分量(liang)VV1(x)）的分布情況，這樣(yang)可以(yi)完備描述漏(lou)磁(ci)場(chang)(chang)的矢量(liang)分布特(te)征(zheng)。而單方面(mian)(mian)考察一個分量(liang)常常不足以(yi)對漏(lou)磁(ci)場(chang)(chang)進行準確、充分地描述。
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)切向(xiang)或法(fa)(fa)向(xiang)分量(liang)的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信號(hao)波形特(te)征對(dui)缺陷(xian)形態進行評判，則丟失了兩者(zhe)關(guan)聯(lian)性對(dui)缺陷(xian)評判的(de)(de)作用(yong)，為(wei)此(ci)，必須綜(zong)合(he)利(li)用(yong)內(nei)、外部(bu)缺陷(xian)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信號(hao)的(de)(de)切向(xiang)分量(liang)與(yu)法(fa)(fa)向(xiang)分量(liang)。從漏磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)拾取(qu)本質過程(cheng)來看，通過多元件(jian)布置不可能在(zai)空間某一點對(dui)漏磁(ci)(ci)場進行各分量(liang)信息的(de)(de)同步(bu)拾取(qu)，因為(wei)多個(ge)磁(ci)(ci)敏感元件(jian)所處的(de)(de)空間檢(jian)測(ce)(ce)(ce)點并不能完(wan)全重合(he)，而且會增(zeng)加傳感器系(xi)統的(de)(de)復雜性。因此(ci)，通過精確構造能夠拾取(qu)漏磁(ci)(ci)場正交(jiao)分量(liang)的(de)(de)辦法(fa)(fa)比較困(kun)難。這(zhe)里介(jie)紹(shao)一種正交(jiao)變(bian)換的(de)(de)方法(fa)(fa)，可對(dui)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信號(hao)本身進行特(te)征考察。
差分處(chu)理是正交變(bian)換的(de)一種，從差分處(chu)理的(de)功能來看(kan)，對缺(que)陷漏磁場某一分量(liang)檢測(ce)信號進行(xing)二階差分處(chu)理之后(hou)，可(ke)以得(de)到與原(yuan)始檢測(ce)信號近似映像關系的(de)輸(shu)出(chu)量(liang)，從而使(shi)得(de)兩者在波形特征(zheng)上具有了(le)可(ke)參照、可(ke)對比的(de)特征(zheng)參數，如峰-峰值。這(zhe)樣一來，可(ke)以提取同一檢測(ce)點的(de)空間(jian)多維度信息，并保證了(le)信息量(liang)均(jun)來源(yuan)于同一空間(jian)檢測(ce)點。
二、數字信號(hao)的差分處理分析
缺陷產生的(de)漏(lou)磁檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)是一種有(you)限(xian)的(de)數值序(xu)列，它反映(ying)(ying)著檢測(ce)(ce)空(kong)間(jian)內漏(lou)磁場強(qiang)度沿著掃查路徑(jing)方(fang)向上的(de)變化情況，間(jian)接反映(ying)(ying)了缺陷的(de)形態特(te)征(zheng)。以檢測(ce)(ce)路徑(jing)x為自變量(liang)，以采樣(yang)點得到的(de)物理量(liang)具體數值為縱(zong)坐標，按各空(kong)間(jian)點的(de)檢測(ce)(ce)順序(xu)排(pai)列起來(lai)，在(zai)顯示(shi)設備上形成(cheng)可用于分析的(de)信(xin)號(hao)波形。
實(shi)際上，數字(zi)信號處理(li)技術被廣泛應用于檢測信號的(de)模(mo)式識別。部分研究(jiu)人員采用投影算(suan)法(fa)，在(zai)不增(zeng)加分析(xi)軟件計算(suan)量的(de)同時，提高(gao)了漏(lou)磁檢測的(de)信噪比，初步實(shi)現了同類(lei)型(xing)缺陷(xian)的(de)位置特征(zheng)(zheng)識別。但(dan)從本質來看，該方法(fa)仍未脫離根據信號波形(xing)特征(zheng)(zheng)進行類(lei)型(xing)劃分的(de)范疇，容易受到(dao)其他因素的(de)干擾(rao)，對(dui)形(xing)態(tai)特征(zheng)(zheng)隨(sui)機性(xing)較(jiao)強的(de)自然缺陷(xian)適應性(xing)較(jiao)差(cha)。
對時(shi)域離散信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號進(jin)行數字差(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)，可以(yi)有效地消去檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號中的(de)(de)(de)(de)趨勢項，提高(gao)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)。由于(yu)內(nei)、外部(bu)(bu)(bu)缺(que)(que)(que)陷檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)頻率段不同，部(bu)(bu)(bu)分學(xue)者提出(chu)對模擬檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號采(cai)用一(yi)階差(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)方法，經過差(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)之后(hou)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號波形可以(yi)提高(gao)內(nei)、外部(bu)(bu)(bu)缺(que)(que)(que)陷檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)異程度。但其評判規則(ze)仍是以(yi)內(nei)、外部(bu)(bu)(bu)缺(que)(que)(que)陷信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)波形特征(zheng)為依據的(de)(de)(de)(de)，只不過用于(yu)對比(bi)的(de)(de)(de)(de)波形是經過一(yi)次差(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)之后(hou)得到的(de)(de)(de)(de)，雖然提高(gao)了檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)，但對于(yu)缺(que)(que)(que)陷的(de)(de)(de)(de)深(shen)度、形狀以(yi)及走(zou)向等(deng)形態特征(zheng)不一(yi)致的(de)(de)(de)(de)情況，該方法適應性欠佳。
隨著(zhu)差(cha)分(fen)(fen)階數的(de)(de)提高，考慮到差(cha)分(fen)(fen)過程中的(de)(de)累積誤(wu)差(cha)，采用(yong)(yong)后向差(cha)分(fen)(fen)處理(li)。用(yong)(yong)x°(h)表(biao)示離散采樣(yang)信(xin)號(hao)(hao)序列(lie)，用(yong)(yong)（h）表(biao)示采樣(yang)信(xin)號(hao)(hao)經(jing)過一階差(cha)分(fen)(fen)后的(de)(de)數字序列(lie)，x2(k)）表(biao)示經(jing)過9二階差(cha)分(fen)(fen)后的(de)(de)數字序列(lie)，為簡(jian)化計算，步(bu)長取(qu)1，也即向后一步(bu)差(cha)分(fen)(fen)。從(cong)信(xin)號(hao)(hao)處理(li)效果出發，也可以用(yong)(yong)多步(bu)差(cha)分(fen)(fen)處理(li)，可根據(ju)現(xian)場(chang)應用(yong)(yong)效果進行調(diao)試。
通過式（4-4)～式（4-7）可(ke)計算出檢測信號的各(ge)階(jie)差(cha)分輸出量，并可(ke)利用(yong)檢測量和(he)差(cha)分輸出量來構建評(ping)判(pan)指標，而(er)不是僅在檢測信號波形(xing)上尋求解(jie)決(jue)方案，從(cong)而(er)可(ke)有效地避免(mian)缺(que)陷其(qi)他形(xing)態特(te)征對內(nei)、外部(bu)缺(que)陷區(qu)分的影(ying)響(xiang)。
數(shu)字信號差分處理(li)可(ke)(ke)以通過軟件(jian)(jian)算法實現，其(qi)僅對原始采樣數(shu)據進行差分處理(li)即可(ke)(ke)實現在役(yi)漏(lou)磁(ci)檢測設(she)備(bei)的性能提(ti)升，而(er)無(wu)須對檢測探頭及信號采集系統(tong)做任何(he)硬(ying)件(jian)(jian)修改，具有(you)重要的實際應(ying)用價值。
三(san)、內(nei)、外部缺陷檢測信號(hao)的數字差分處理
差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)既然可以起(qi)到頻率(lv)成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)析取(qu)作用，那么可以進一步(bu)理(li)(li)解為(wei)：具有不同頻率(lv)成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)內、外部缺陷檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)對差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)響應輸出(chu)量(liang)(liang)也會不同；再者，由(you)于檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)過(guo)(guo)程在(zai)本質(zhi)上是對檢(jian)(jian)測(ce)數(shu)據(ju)沿(yan)掃(sao)查路徑變(bian)化趨(qu)勢的(de)(de)(de)(de)(de)定量(liang)(liang)描述，如果將時(shi)域檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)數(shu)據(ju)視(shi)為(wei)可見的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)量(liang)(liang)，則一階差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)過(guo)(guo)程更傾向于描述這(zhe)種位(wei)(wei)移(yi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化特(te)(te)征，即速度信(xin)息；不難理(li)(li)解，進一步(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)二階差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)不妨視(shi)為(wei)對這(zhe)種位(wei)(wei)移(yi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)加速度信(xin)息的(de)(de)(de)(de)(de)提取(qu)，而加速度更傾向于描述或體(ti)現出(chu)事(shi)物的(de)(de)(de)(de)(de)本質(zhi)特(te)(te)征。利(li)用二階差(cha)分(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)(liang)與信(xin)號(hao)(hao)源(yuan)進行(xing)特(te)(te)征參(can)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)參(can)照對比，可發現內、外部缺陷產生的(de)(de)(de)(de)(de)漏磁信(xin)號(hao)(hao)源(yuan)在(zai)差(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)過(guo)(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分
下面對(dui)不(bu)同位(wei)置刻(ke)槽檢(jian)測信號進行(xing)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處理，研(yan)究缺陷的位(wei)置特征與二階差(cha)(cha)(cha)分(fen)輸(shu)出(chu)量之間的關聯性。以外徑為88.9mm、壁厚(hou)為9.35mm的鋼(gang)管(guan)(guan)作為試(shi)件(jian)(jian)，采(cai)用電火花加工方(fang)法(fa)，分(fen)別在鋼(gang)管(guan)(guan)內、外壁刻(ke)制(zhi)不(bu)同深度的周向刻(ke)槽。同樣，選用集成霍爾元(yuan)件(jian)(jian)UGN-3505作為磁敏感元(yuan)件(jian)(jian)，以0.5mm提離距離封裝(zhuang)于檢(jian)測探頭內部，拾取(qu)漏磁場的法(fa)向分(fen)量。試(shi)驗過程中，保證探頭掃查速度恒定(ding)不(bu)變，檢(jian)測信號及二階差(cha)(cha)(cha)分(fen)輸(shu)出(chu)如(ru)圖(tu)4-22所(suo)示。
從(cong)圖4-22中可以(yi)看出，對檢測數據進行后(hou)向二(er)階差分(fen)(fen)處(chu)理，可以(yi)使得差分(fen)(fen)輸(shu)出量(liang)在波(bo)形上類似于(yu)原始(shi)檢測信號(hao)波(bo)形，相鄰波(bo)峰(feng)與波(bo)谷之間出現位(wei)置互(hu)換(huan)。分(fen)(fen)析檢測信號(hao)與二(er)階差分(fen)(fen)輸(shu)出量(liang)之間的(de)(de)關系時，重點觀察(cha)兩者峰(feng)-峰(feng)值這(zhe)一(yi)特征參數的(de)(de)變化(hua)情況(kuang)。為便(bian)于(yu)論述評判(pan)(x)z4指標的(de)(de)構建過程，缺陷的(de)(de)檢測信號(hao)與二(er)階差分(fen)(fen)輸(shu)出量(liang)分(fen)(fen)別(bie)記為V°(x)和。通(tong)過比較(jiao)Vo(x)zA（x）和峰(feng)-峰(feng)值來構建評判(pan)指標，即
分析表4-7中的(de)數據可以(yi)(yi)發現，內、外部缺陷(xian)(xian)評判(pan)指標βa的(de)量(liang)值差(cha)異(yi)較大，因此，可以(yi)(yi)通過(guo)設定合理的(de)區分門限來(lai)達到區分內、外部缺陷(xian)(xian)的(de)目的(de)，而且(qie)缺陷(xian)(xian)深度對評判(pan)指標βa的(de)影響較小，不(bu)會因為缺陷(xian)(xian)的(de)深度過(guo)大或是過(guo)小產(chan)生評判(pan)失(shi)效。
2. 不(bu)通孔內、外位置區(qu)分(fen)
下面進一(yi)步討論數字信號(hao)差分(fen)方法(fa)在(zai)不通(tong)孔缺陷上的(de)適用(yong)性。仍然(ran)選用(yong)鋼(gang)管作為(wei)試件(jian)(jian)(jian)，外徑為(wei)88.9mm，壁(bi)厚為(wei)9.35mm，并在(zai)鋼(gang)管上加(jia)工各類不通(tong)孔缺陷。檢測探頭采(cai)用(yong)集(ji)成霍爾元件(jian)(jian)(jian)UGN-3503作為(wei)磁敏感元件(jian)(jian)(jian)進行封(feng)裝，實際提離距離為(wei)0.5mm，拾(shi)取漏磁場的(de)法(fa)向分(fen)量Va(x)，檢測信號(hao)及二階(jie)差分(fen)輸出(chu)如(ru)圖4-23所示。
根據(ju)式（4-8）計算評(ping)(ping)判指(zhi)(zhi)標βa，見表4-8。可以發現，對(dui)于不(bu)同位(wei)置(zhi)(zhi)和(he)形(xing)(xing)狀的不(bu)通孔(kong)缺陷(xian)(xian)，β。仍(reng)可作為(wei)評(ping)(ping)判指(zhi)(zhi)標來區分和(he)識別缺陷(xian)(xian)的位(wei)置(zhi)(zhi)特(te)征。由于該評(ping)(ping)判指(zhi)(zhi)標是對(dui)時(shi)域(yu)檢測(ce)信(xin)號與其二階差分輸出量之(zhi)間進行對(dui)比(bi)，而不(bu)是僅僅對(dui)信(xin)號的波形(xing)(xing)特(te)征進行信(xin)息提(ti)取(qu)，因(yin)此保(bao)證(zheng)了(le)評(ping)(ping)判方法(fa)對(dui)具(ju)有不(bu)同形(xing)(xing)態特(te)征的缺陷(xian)(xian)仍(reng)然具(ju)有良好的位(wei)置(zhi)(zhi)特(te)征識別能力。
3. 斜向(xiang)裂紋內、外位置區分
不銹鋼管(guan)在(zai)(zai)生產和使用(yong)過(guo)程中，當受到復雜載荷的作(zuo)用(yong)時，往往會在(zai)(zai)內(nei)、外管(guan)壁出(chu)現(xian)與(yu)鋼管(guan)軸向(xiang)(xiang)處于既(ji)非垂直、也非平行的斜向(xiang)(xiang)裂紋(wen)。下面(mian)討論數字信號差分方(fang)法在(zai)(zai)斜向(xiang)(xiang)裂紋(wen)上的適用(yong)性。
在(zai)不銹鋼管內、外表面上用電火花方(fang)法加(jia)工斜(xie)向(xiang)(xiang)刻槽(cao)，刻槽(cao)相對于管材軸向(xiang)(xiang)方(fang)向(xiang)(xiang)傾斜(xie)45°，深(shen)度(du)分(fen)別為1.0mm（外部缺(que)陷(xian)），3.0mm（內部缺(que)陷(xian)），寬度(du)均為0.5mm；鋼管直線(xian)前進(jin)，磁(ci)化器仍然選用直流(liu)磁(ci)化線(xian)圈(quan)，斜(xie)向(xiang)(xiang)缺(que)陷(xian)的檢測信號(hao)及二階差分(fen)輸出如圖4-24所示。
利用式（4-8）計算評判指標βd，見(jian)表4-9。可以發現，通(tong)過設(she)定區分(fen)門限（如βr-d=0.2）可以有效區分(fen)斜向裂紋的位置特征(zheng)。
從表4-9中可以(yi)看出(chu)，評判指(zhi)標βa適(shi)應性較好(hao)，受缺陷(xian)的(de)其他形態(tai)特征影響較小，如缺陷(xian)的(de)形狀(zhuang)、深度(du)和走向等(deng)，可對各種(zhong)內(nei)、外部缺陷(xian)進行有(you)效的(de)區(qu)分。
上(shang)述試驗過程中(zhong)，評(ping)判(pan)(pan)指標(biao)的(de)(de)構建是基于(yu)(yu)(x)。4檢(jian)測(ce)信號與(yu)其二階差(cha)分(fen)輸出量之(zhi)間(jian)(x)4的(de)(de)相似特征參數（即峰-峰值(zhi)），區(qu)分(fen)流程如(ru)圖(tu)4-25所示。由于(yu)(yu)該評(ping)判(pan)(pan)指標(biao)的(de)(de)構建過程僅(jin)僅(jin)是對常(chang)規漏磁(ci)檢(jian)測(ce)信號進(jin)行(xing)算法上(shang)的(de)(de)處理，對檢(jian)測(ce)硬(ying)件未加任(ren)何改動(dong)，因(yin)此在(zai)傳統漏磁(ci)檢(jian)測(ce)設(she)備上(shang)可方便地添加內、外部(bu)缺(que)陷(xian)區(qu)分(fen)功能，有效升級(ji)傳統漏磁(ci)設(she)備的(de)(de)檢(jian)測(ce)功能。
