不(bu)銹(xiu)鋼(gang)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(yi)、漏磁場的正交分(fen)量(liang)
漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)具有矢(shi)量(liang)特(te)性，當采用(yong)霍(huo)爾元(yuan)件(jian)作為磁(ci)(ci)敏感元(yuan)件(jian)時，通過設計元(yuan)件(jian)的(de)布置(zhi)方(fang)向(xiang)，可(ke)(ke)(ke)以獲得漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)的(de)兩個(ge)相互(hu)正(zheng)交的(de)分(fen)(fen)(fen)量(liang)，即法向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿(yan)著檢(jian)測探頭的(de)掃查軌(gui)跡方(fang)向(xiang)，在(zai)與(yu)檢(jian)測表面垂直的(de)平面內(nei)觀察(cha)，可(ke)(ke)(ke)以將三維空間(jian)場(chang)簡化為二維場(chang)，進一(yi)步可(ke)(ke)(ke)分(fen)(fen)(fen)別研究漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)法向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的(de)分(fen)(fen)(fen)布情況，這樣可(ke)(ke)(ke)以完備描(miao)述(shu)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)的(de)矢(shi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)布特(te)征。而單方(fang)面考察(cha)一(yi)個(ge)分(fen)(fen)(fen)量(liang)常常不足以對漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)進行準(zhun)確(que)、充分(fen)(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(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(guo)單獨(du)利(li)用切(qie)向(xiang)(xiang)或法(fa)向(xiang)(xiang)分量(liang)(liang)的(de)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)號波形特(te)征對(dui)缺陷形態進行(xing)(xing)評(ping)判(pan)，則丟失了兩者關聯性對(dui)缺陷評(ping)判(pan)的(de)作用，為此，必(bi)須(xu)綜合(he)(he)利(li)用內(nei)、外(wai)部缺陷檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)號的(de)切(qie)向(xiang)(xiang)分量(liang)(liang)與法(fa)向(xiang)(xiang)分量(liang)(liang)。從漏(lou)(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)拾(shi)取本(ben)質過(guo)(guo)(guo)程來看，通(tong)過(guo)(guo)(guo)多元件布置不(bu)可能(neng)在空間某一(yi)點(dian)對(dui)漏(lou)(lou)磁場進行(xing)(xing)各分量(liang)(liang)信(xin)(xin)息(xi)的(de)同步拾(shi)取，因為多個(ge)磁敏(min)感元件所處的(de)空間檢(jian)(jian)測(ce)點(dian)并不(bu)能(neng)完(wan)全重合(he)(he)，而且會增加傳感器系統的(de)復雜(za)性。因此，通(tong)過(guo)(guo)(guo)精確構造(zao)能(neng)夠拾(shi)取漏(lou)(lou)磁場正(zheng)交分量(liang)(liang)的(de)辦法(fa)比較(jiao)困難。這里介紹一(yi)種(zhong)正(zheng)交變換的(de)方法(fa)，可對(dui)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)號本(ben)身進行(xing)(xing)特(te)征考察。
差分處理是正交變換的(de)(de)一種，從差分處理的(de)(de)功(gong)能來看(kan)，對缺陷(xian)漏磁場某(mou)一分量檢(jian)測(ce)信號進行二階差分處理之后，可以得到與原(yuan)始檢(jian)測(ce)信號近似映像關系的(de)(de)輸出量，從而(er)使得兩者在波形(xing)特征上具有了可參照、可對比(bi)的(de)(de)特征參數，如峰-峰值。這(zhe)樣一來，可以提(ti)取同(tong)一檢(jian)測(ce)點(dian)的(de)(de)空間多維度信息，并保證了信息量均來源于同(tong)一空間檢(jian)測(ce)點(dian)。
二、數字信(xin)號的差分處理分析(xi)
缺(que)陷(xian)產生的(de)漏磁(ci)檢(jian)測信(xin)號是一種有限的(de)數值序(xu)(xu)列，它反映著(zhu)檢(jian)測空(kong)間(jian)內(nei)漏磁(ci)場強度(du)沿著(zhu)掃查路(lu)徑方向上(shang)的(de)變化情況(kuang)，間(jian)接反映了缺(que)陷(xian)的(de)形(xing)態特(te)征。以檢(jian)測路(lu)徑x為(wei)自變量，以采樣(yang)點得(de)到(dao)的(de)物理量具體(ti)數值為(wei)縱坐標(biao)，按各(ge)空(kong)間(jian)點的(de)檢(jian)測順序(xu)(xu)排列起來(lai)，在(zai)顯示設備上(shang)形(xing)成(cheng)可用于(yu)分析的(de)信(xin)號波形(xing)。
實際上(shang)，數字信(xin)號(hao)(hao)處理技術被(bei)廣泛應(ying)用于(yu)檢測信(xin)號(hao)(hao)的(de)模式識(shi)(shi)別。部(bu)分研(yan)究人員采用投影算法，在不增加分析軟件計(ji)算量的(de)同(tong)時(shi)，提高(gao)了漏磁檢測的(de)信(xin)噪(zao)比，初步實現了同(tong)類型(xing)缺陷(xian)的(de)位置特征識(shi)(shi)別。但從本(ben)質(zhi)來看，該方法仍未(wei)脫離(li)根據信(xin)號(hao)(hao)波形特征進(jin)行類型(xing)劃分的(de)范疇(chou)，容(rong)易受到(dao)其他因(yin)素的(de)干擾，對形態特征隨機(ji)性(xing)較(jiao)強的(de)自然缺陷(xian)適應(ying)性(xing)較(jiao)差。
對時域離散信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)進行數(shu)字差(cha)(cha)分(fen)處理，可以(yi)有效地(di)消去檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)中的(de)(de)(de)趨勢項，提(ti)(ti)高信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)。由于(yu)內、外部(bu)(bu)缺(que)陷(xian)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)頻率段不(bu)同，部(bu)(bu)分(fen)學者提(ti)(ti)出對模(mo)擬檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)采(cai)用一(yi)(yi)階差(cha)(cha)分(fen)處理的(de)(de)(de)方法，經過差(cha)(cha)分(fen)處理之后(hou)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)波(bo)形(xing)可以(yi)提(ti)(ti)高內、外部(bu)(bu)缺(que)陷(xian)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)差(cha)(cha)異程(cheng)度(du)。但其評判規則仍(reng)是以(yi)內、外部(bu)(bu)缺(que)陷(xian)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)波(bo)形(xing)特(te)征(zheng)(zheng)為依據的(de)(de)(de)，只不(bu)過用于(yu)對比(bi)的(de)(de)(de)波(bo)形(xing)是經過一(yi)(yi)次差(cha)(cha)分(fen)處理之后(hou)得到的(de)(de)(de)，雖(sui)然提(ti)(ti)高了檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)，但對于(yu)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)深度(du)、形(xing)狀以(yi)及走向(xiang)等形(xing)態特(te)征(zheng)(zheng)不(bu)一(yi)(yi)致(zhi)的(de)(de)(de)情況，該(gai)方法適應性欠佳(jia)。
隨著(zhu)差(cha)(cha)分階(jie)數(shu)(shu)的(de)提高，考慮(lv)到(dao)差(cha)(cha)分過(guo)程中的(de)累積誤差(cha)(cha)，采(cai)用(yong)(yong)后(hou)向(xiang)差(cha)(cha)分處理(li)。用(yong)(yong)x°(h)表示離(li)散采(cai)樣(yang)信號(hao)(hao)序列，用(yong)(yong)（h）表示采(cai)樣(yang)信號(hao)(hao)經(jing)過(guo)一階(jie)差(cha)(cha)分后(hou)的(de)數(shu)(shu)字序列，x2(k)）表示經(jing)過(guo)9二階(jie)差(cha)(cha)分后(hou)的(de)數(shu)(shu)字序列，為簡(jian)化計算，步(bu)(bu)(bu)長取1，也即(ji)向(xiang)后(hou)一步(bu)(bu)(bu)差(cha)(cha)分。從信號(hao)(hao)處理(li)效果出(chu)發，也可以用(yong)(yong)多步(bu)(bu)(bu)差(cha)(cha)分處理(li)，可根據現場應用(yong)(yong)效果進行(xing)調試。
通(tong)過式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計算出(chu)檢測信號的(de)各階差(cha)分輸出(chu)量，并可利用檢測量和差(cha)分輸出(chu)量來構建評判(pan)指標(biao)，而不是僅在檢測信號波形上(shang)尋求(qiu)解(jie)決方(fang)案，從而可有效(xiao)地避免(mian)缺陷(xian)其他形態特(te)征對內、外部(bu)缺陷(xian)區分的(de)影響。
數(shu)字信號(hao)差(cha)分處理可(ke)(ke)以通過軟件算法(fa)實現(xian)，其僅對原(yuan)始采樣數(shu)據(ju)進行差(cha)分處理即可(ke)(ke)實現(xian)在役漏磁檢(jian)測(ce)設備的(de)(de)性能提(ti)升，而無須對檢(jian)測(ce)探頭(tou)及信號(hao)采集系統做任何硬件修(xiu)改，具有重要的(de)(de)實際應用(yong)價值。
三(san)、內、外部缺陷檢測(ce)信號(hao)的數字差分處理
差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)既然(ran)可以(yi)起(qi)到(dao)頻(pin)率成分(fen)的(de)(de)析取作(zuo)用(yong)，那(nei)么可以(yi)進一(yi)步理(li)解為(wei)：具有不同頻(pin)率成分(fen)的(de)(de)內、外(wai)部(bu)(bu)缺(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號對差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)的(de)(de)響應輸(shu)出(chu)量(liang)也會不同；再(zai)者，由于(yu)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號的(de)(de)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程在(zai)本質(zhi)上是對檢(jian)(jian)測(ce)數據沿掃(sao)查路徑變(bian)化趨勢的(de)(de)定(ding)量(liang)描(miao)(miao)述(shu)(shu)，如(ru)果將時域檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號數據視為(wei)可見的(de)(de)位移(yi)(yi)量(liang)，則一(yi)階差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程更(geng)傾(qing)(qing)向于(yu)描(miao)(miao)述(shu)(shu)這種(zhong)位移(yi)(yi)量(liang)的(de)(de)變(bian)化特征，即(ji)速(su)度(du)信(xin)息；不難理(li)解，進一(yi)步的(de)(de)二階差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)不妨視為(wei)對這種(zhong)位移(yi)(yi)量(liang)的(de)(de)加速(su)度(du)信(xin)息的(de)(de)提取，而加速(su)度(du)更(geng)傾(qing)(qing)向于(yu)描(miao)(miao)述(shu)(shu)或體現(xian)出(chu)事物的(de)(de)本質(zhi)特征。利用(yong)二階差(cha)(cha)(cha)分(fen)輸(shu)出(chu)量(liang)與信(xin)號源進行(xing)特征參數的(de)(de)參照(zhao)對比，可發(fa)現(xian)內、外(wai)部(bu)(bu)缺(que)陷產生的(de)(de)漏磁信(xin)號源在(zai)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程中的(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異。
1. 刻槽內(nei)、外位置區分
下(xia)面對不同(tong)位置刻(ke)(ke)槽(cao)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)進行(xing)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)，研究缺(que)陷的(de)位置特征與二階差(cha)分(fen)輸(shu)(shu)出量(liang)之間(jian)的(de)關(guan)聯性。以外徑(jing)為88.9mm、壁厚為9.35mm的(de)鋼(gang)管(guan)作為試件，采用電火花加(jia)工方(fang)法(fa)，分(fen)別在(zai)鋼(gang)管(guan)內、外壁刻(ke)(ke)制不同(tong)深度的(de)周向刻(ke)(ke)槽(cao)。同(tong)樣(yang)，選用集成霍爾(er)元件UGN-3505作為磁敏感(gan)元件，以0.5mm提離距離封裝于檢(jian)(jian)測探頭內部，拾取(qu)漏磁場(chang)的(de)法(fa)向分(fen)量(liang)。試驗過程中，保(bao)證探頭掃查速度恒定不變，檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)及二階差(cha)分(fen)輸(shu)(shu)出如(ru)圖4-22所示。
從圖4-22中可以看出(chu)，對檢(jian)測數據(ju)進(jin)行后向二(er)(er)階(jie)差分處(chu)理(li)，可以使得差分輸(shu)出(chu)量在波形上類似(si)于原始檢(jian)測信(xin)號波形，相鄰(lin)波峰與波谷之間(jian)出(chu)現位置互(hu)換。分析檢(jian)測信(xin)號與二(er)(er)階(jie)差分輸(shu)出(chu)量之間(jian)的(de)關系(xi)時，重點觀察兩者峰-峰值這一特征參數的(de)變(bian)化(hua)情況。為便(bian)于論述評(ping)判(x)z4指(zhi)標的(de)構建過程(cheng)，缺(que)陷(xian)的(de)檢(jian)測信(xin)號與二(er)(er)階(jie)差分輸(shu)出(chu)量分別記為V°(x)和(he)。通(tong)過比(bi)較Vo(x)zA（x）和(he)峰-峰值來構建評(ping)判指(zhi)標，即
分(fen)析表4-7中的(de)(de)數(shu)據可(ke)(ke)以(yi)發現，內、外部缺(que)陷(xian)(xian)評(ping)判(pan)指(zhi)標βa的(de)(de)量(liang)值差異較大，因此，可(ke)(ke)以(yi)通過設定合(he)理(li)的(de)(de)區分(fen)門限來達到區分(fen)內、外部缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)目的(de)(de)，而且缺(que)陷(xian)(xian)深度對評(ping)判(pan)指(zhi)標βa的(de)(de)影響(xiang)較小(xiao)，不會(hui)因為缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)深度過大或是過小(xiao)產生評(ping)判(pan)失效。
2. 不通孔內、外位置區分
下面進一步討論數字(zi)信(xin)號差分(fen)方(fang)法在(zai)不通孔缺陷上的適用性。仍然選(xuan)用鋼管作為(wei)試件(jian)，外徑為(wei)88.9mm，壁厚為(wei)9.35mm，并(bing)在(zai)鋼管上加工各(ge)類不通孔缺陷。檢測探頭(tou)采用集成霍爾元件(jian)UGN-3503作為(wei)磁敏感元件(jian)進行封裝，實際提離距(ju)離為(wei)0.5mm，拾取漏磁場的法向分(fen)量Va(x)，檢測信(xin)號及二階差分(fen)輸出如圖4-23所示。
根(gen)據式（4-8）計算評(ping)判(pan)指標(biao)(biao)βa，見表(biao)4-8。可(ke)以發現，對于不同位置(zhi)和(he)形狀的(de)(de)不通孔缺(que)(que)(que)陷，β。仍可(ke)作為(wei)評(ping)判(pan)指標(biao)(biao)來區分和(he)識別缺(que)(que)(que)陷的(de)(de)位置(zhi)特征(zheng)。由于該評(ping)判(pan)指標(biao)(biao)是(shi)對時域檢測信號與其二階差分輸出(chu)量(liang)之間(jian)進行(xing)對比(bi)，而不是(shi)僅僅對信號的(de)(de)波(bo)形特征(zheng)進行(xing)信息(xi)提(ti)取，因此保證了評(ping)判(pan)方(fang)法對具(ju)有(you)(you)不同形態特征(zheng)的(de)(de)缺(que)(que)(que)陷仍然具(ju)有(you)(you)良(liang)好的(de)(de)位置(zhi)特征(zheng)識別能力。
3. 斜向(xiang)裂紋內、外(wai)位置(zhi)區(qu)分(fen)
不銹鋼管在生產和使用(yong)過程(cheng)中，當受到復雜載荷的(de)作(zuo)用(yong)時，往往會在內(nei)、外(wai)管壁出現(xian)與鋼管軸向處于既非垂(chui)直、也非平行的(de)斜向裂紋。下面討論數(shu)字信號差分方法在斜向裂紋上的(de)適用(yong)性。
在不銹(xiu)鋼管(guan)內(nei)、外表面上(shang)用(yong)電(dian)火花方(fang)法(fa)加工斜(xie)向(xiang)刻槽(cao)，刻槽(cao)相對于管(guan)材軸(zhou)向(xiang)方(fang)向(xiang)傾斜(xie)45°，深度分別為(wei)1.0mm（外部缺(que)陷(xian)(xian)），3.0mm（內(nei)部缺(que)陷(xian)(xian)），寬度均為(wei)0.5mm；鋼管(guan)直(zhi)線(xian)前進，磁化器仍然(ran)選用(yong)直(zhi)流磁化線(xian)圈，斜(xie)向(xiang)缺(que)陷(xian)(xian)的檢測(ce)信號及二階(jie)差分輸出如圖(tu)4-24所示。
利用式（4-8）計(ji)算評判指標(biao)βd，見(jian)表4-9。可(ke)以發現，通過設(she)定區(qu)分門限（如βr-d=0.2）可(ke)以有(you)效(xiao)區(qu)分斜向裂紋的位置特征(zheng)。
從(cong)表4-9中可(ke)以(yi)看出(chu)，評判(pan)指標βa適(shi)應性較好，受缺(que)(que)陷(xian)的其他(ta)形態特征(zheng)影響較小(xiao)，如缺(que)(que)陷(xian)的形狀、深(shen)度和(he)走向(xiang)等，可(ke)對各種內、外部缺(que)(que)陷(xian)進行有效的區分。
上(shang)述試驗過(guo)程中，評判指標的(de)構建(jian)是(shi)基于(x)。4檢測(ce)信(xin)號與其二階(jie)差分(fen)輸出量之間(x)4的(de)相似特(te)征參數（即(ji)峰(feng)-峰(feng)值），區(qu)分(fen)流程如圖4-25所示(shi)。由于該評判指標的(de)構建(jian)過(guo)程僅僅是(shi)對常規漏(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)信(xin)號進行(xing)算法上(shang)的(de)處(chu)理，對檢測(ce)硬件未加任何改動，因此在(zai)傳統(tong)漏(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)設備(bei)上(shang)可方便地(di)添(tian)加內、外部缺陷區(qu)分(fen)功能，有效升級(ji)傳統(tong)漏(lou)磁(ci)(ci)設備(bei)的(de)檢測(ce)功能。
