不(bu)銹鋼管漏磁(ci)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(chang)的(de)正交分量
漏磁(ci)場具有(you)矢(shi)(shi)量(liang)特性，當采用霍爾(er)元(yuan)件作為(wei)磁(ci)敏(min)感元(yuan)件時，通過設計元(yuan)件的(de)布(bu)置方(fang)向(xiang)，可(ke)以(yi)獲得(de)漏磁(ci)場的(de)兩個(ge)相互正交(jiao)的(de)分(fen)(fen)(fen)量(liang)，即法(fa)向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與切向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿著(zhu)檢測探頭的(de)掃查軌(gui)跡(ji)方(fang)向(xiang)，在(zai)與檢測表面(mian)垂直的(de)平面(mian)內觀察(cha)，可(ke)以(yi)將三維空間場簡化為(wei)二維場，進一步(bu)可(ke)分(fen)(fen)(fen)別研究漏磁(ci)場法(fa)向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與切向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的(de)分(fen)(fen)(fen)布(bu)情(qing)況，這樣(yang)可(ke)以(yi)完備描述漏磁(ci)場的(de)矢(shi)(shi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)布(bu)特征(zheng)。而單方(fang)面(mian)考察(cha)一個(ge)分(fen)(fen)(fen)量(liang)常(chang)常(chang)不足以(yi)對漏磁(ci)場進行準確、充分(fen)(fen)(fen)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。
如果單獨利用(yong)(yong)切向(xiang)(xiang)或(huo)法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)的(de)檢測(ce)信(xin)(xin)號波形特征對缺陷形態進行評判，則丟失了(le)兩(liang)者關聯性對缺陷評判的(de)作用(yong)(yong)，為此(ci)，必須綜合(he)利用(yong)(yong)內、外部缺陷檢測(ce)信(xin)(xin)號的(de)切向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)與法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)。從漏磁檢測(ce)拾取本質過(guo)程來(lai)看，通(tong)過(guo)多元件(jian)布(bu)置不可(ke)能(neng)在空間某一點對漏磁場(chang)進行各分(fen)量(liang)信(xin)(xin)息的(de)同步拾取，因為多個磁敏感元件(jian)所處的(de)空間檢測(ce)點并不能(neng)完(wan)全(quan)重(zhong)合(he)，而且會增(zeng)加傳(chuan)感器系統的(de)復雜性。因此(ci)，通(tong)過(guo)精(jing)確構造能(neng)夠(gou)拾取漏磁場(chang)正交分(fen)量(liang)的(de)辦法(fa)比較困難。這(zhe)里介紹一種正交變(bian)換的(de)方法(fa)，可(ke)對檢測(ce)信(xin)(xin)號本身進行特征考察。
差分(fen)(fen)處理是(shi)正(zheng)交(jiao)變換的(de)一(yi)種，從(cong)差分(fen)(fen)處理的(de)功能來(lai)看，對(dui)缺陷漏磁(ci)場某(mou)一(yi)分(fen)(fen)量(liang)檢測信號進行二階(jie)差分(fen)(fen)處理之(zhi)后，可以得(de)到與原始檢測信號近似(si)映(ying)像(xiang)關系的(de)輸出(chu)量(liang)，從(cong)而使得(de)兩者在波(bo)形特征上具(ju)有了可參(can)照、可對(dui)比的(de)特征參(can)數，如峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值。這樣一(yi)來(lai)，可以提(ti)取同一(yi)檢測點的(de)空間多維度(du)信息，并保證了信息量(liang)均(jun)來(lai)源(yuan)于同一(yi)空間檢測點。
二、數字信號(hao)的差分處(chu)理分析
缺陷產生的(de)(de)漏(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號(hao)是(shi)一種有限的(de)(de)數值序(xu)(xu)列(lie)，它反映著(zhu)檢(jian)測(ce)(ce)空間內漏(lou)磁場強度沿著(zhu)掃查(cha)路(lu)徑方向上的(de)(de)變化情況，間接反映了(le)缺陷的(de)(de)形態(tai)特征。以檢(jian)測(ce)(ce)路(lu)徑x為自變量，以采樣點得到的(de)(de)物理量具體數值為縱坐標，按各(ge)空間點的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)順(shun)序(xu)(xu)排列(lie)起來，在(zai)顯示設備上形成可用于分(fen)析的(de)(de)信(xin)號(hao)波形。
實際上，數字信號處理技術被廣泛(fan)應(ying)用于檢(jian)測(ce)信號的模式識別(bie)。部分(fen)研究人員(yuan)采用投影(ying)算法，在不增加分(fen)析軟件計算量(liang)的同(tong)時，提高了漏(lou)磁檢(jian)測(ce)的信噪比，初(chu)步實現了同(tong)類型缺陷(xian)的位置特征(zheng)識別(bie)。但從本(ben)質來看，該方法仍未脫離(li)根據(ju)信號波形特征(zheng)進(jin)行類型劃分(fen)的范疇(chou)，容易(yi)受到(dao)其他因素(su)的干擾，對形態特征(zheng)隨機性(xing)較強的自然(ran)缺陷(xian)適(shi)應(ying)性(xing)較差。
對時域離(li)散信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)進(jin)行數字差(cha)分(fen)處理，可以有效地消去檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)中的(de)(de)趨勢項，提高信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)。由于內(nei)(nei)、外部缺(que)陷檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)頻(pin)率段不(bu)同(tong)，部分(fen)學者提出對模擬(ni)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)采用一階差(cha)分(fen)處理的(de)(de)方法，經過(guo)差(cha)分(fen)處理之(zhi)后的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)波形(xing)(xing)可以提高內(nei)(nei)、外部缺(que)陷檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)差(cha)異(yi)程(cheng)度。但(dan)其評判規則仍是以內(nei)(nei)、外部缺(que)陷信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)波形(xing)(xing)特征為依據的(de)(de)，只不(bu)過(guo)用于對比(bi)的(de)(de)波形(xing)(xing)是經過(guo)一次差(cha)分(fen)處理之(zhi)后得到的(de)(de)，雖然提高了檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)，但(dan)對于缺(que)陷的(de)(de)深度、形(xing)(xing)狀以及走向等形(xing)(xing)態特征不(bu)一致(zhi)的(de)(de)情況(kuang)，該(gai)方法適應(ying)性欠(qian)佳。
隨著差(cha)分(fen)階(jie)數的提高(gao)，考慮到差(cha)分(fen)過程中的累積誤(wu)差(cha)，采用后向差(cha)分(fen)處(chu)理。用x°(h)表(biao)示(shi)(shi)離散(san)采樣信(xin)號(hao)(hao)序(xu)列(lie)，用（h）表(biao)示(shi)(shi)采樣信(xin)號(hao)(hao)經過一(yi)(yi)階(jie)差(cha)分(fen)后的數字序(xu)列(lie)，x2(k)）表(biao)示(shi)(shi)經過9二(er)階(jie)差(cha)分(fen)后的數字序(xu)列(lie)，為簡化計算，步(bu)長取1，也即向后一(yi)(yi)步(bu)差(cha)分(fen)。從信(xin)號(hao)(hao)處(chu)理效果(guo)出發，也可以用多步(bu)差(cha)分(fen)處(chu)理，可根(gen)據現場應用效果(guo)進行調(diao)試(shi)。
通過式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計算出(chu)檢測信號的各階差分輸(shu)出(chu)量，并可利用(yong)檢測量和差分輸(shu)出(chu)量來構建(jian)評判指標(biao)，而不是(shi)僅在(zai)檢測信號波形(xing)上尋(xun)求解決(jue)方(fang)案，從而可有效(xiao)地(di)避(bi)免缺陷其他形(xing)態特征對內(nei)、外部缺陷區(qu)分的影響。
數字信號差分(fen)處(chu)(chu)理(li)可(ke)以通過軟件(jian)算法(fa)實現，其僅對原始采樣數據進行(xing)差分(fen)處(chu)(chu)理(li)即可(ke)實現在(zai)役漏磁檢測設備的(de)性能提升，而(er)無(wu)須對檢測探頭(tou)及信號采集系統做(zuo)任何(he)硬件(jian)修改，具有重要(yao)的(de)實際應用價值。
三、內、外部缺陷檢測信號的數字差分處理
差(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)既(ji)然(ran)可以(yi)起到頻率(lv)成分(fen)的(de)析(xi)取(qu)(qu)作用，那(nei)么可以(yi)進(jin)一步理(li)(li)解為(wei)(wei)：具有不(bu)同(tong)(tong)頻率(lv)成分(fen)的(de)內、外部(bu)缺陷檢(jian)測信(xin)號(hao)對(dui)差(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)的(de)響應輸(shu)出(chu)量(liang)也會不(bu)同(tong)(tong)；再者，由(you)于(yu)檢(jian)測信(xin)號(hao)的(de)差(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)過程在(zai)本質上是對(dui)檢(jian)測數據(ju)沿掃查路徑變化(hua)(hua)趨勢的(de)定量(liang)描(miao)(miao)述，如(ru)果將時(shi)域(yu)檢(jian)測信(xin)號(hao)數據(ju)視為(wei)(wei)可見(jian)的(de)位移(yi)量(liang)，則一階差(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)過程更(geng)傾向(xiang)于(yu)描(miao)(miao)述這種(zhong)位移(yi)量(liang)的(de)變化(hua)(hua)特征(zheng)，即速度信(xin)息；不(bu)難理(li)(li)解，進(jin)一步的(de)二(er)階差(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)不(bu)妨視為(wei)(wei)對(dui)這種(zhong)位移(yi)量(liang)的(de)加速度信(xin)息的(de)提取(qu)(qu)，而(er)加速度更(geng)傾向(xiang)于(yu)描(miao)(miao)述或體(ti)現出(chu)事物的(de)本質特征(zheng)。利用二(er)階差(cha)分(fen)輸(shu)出(chu)量(liang)與(yu)信(xin)號(hao)源進(jin)行特征(zheng)參數的(de)參照對(dui)比，可發現內、外部(bu)缺陷產生(sheng)的(de)漏磁信(xin)號(hao)源在(zai)差(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)過程中的(de)差(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分(fen)
下面(mian)對不同位置刻槽檢測(ce)(ce)信號進行差分處理，研究(jiu)缺陷的(de)(de)位置特(te)征與二階差分輸(shu)出量之間(jian)的(de)(de)關聯性。以(yi)(yi)外徑為88.9mm、壁(bi)厚(hou)為9.35mm的(de)(de)鋼(gang)管作(zuo)為試件(jian)，采用電(dian)火花加工(gong)方法(fa)，分別在(zai)鋼(gang)管內(nei)、外壁(bi)刻制不同深度(du)的(de)(de)周向刻槽。同樣，選用集成霍爾元件(jian)UGN-3505作(zuo)為磁(ci)敏感(gan)元件(jian)，以(yi)(yi)0.5mm提離(li)距(ju)離(li)封裝于檢測(ce)(ce)探頭內(nei)部(bu)，拾取漏磁(ci)場的(de)(de)法(fa)向分量。試驗過(guo)程中，保證探頭掃查速度(du)恒定不變，檢測(ce)(ce)信號及二階差分輸(shu)出如圖4-22所(suo)示。
從圖4-22中可(ke)(ke)以看出，對檢測數(shu)據進行后向二階(jie)(jie)差分處理(li)，可(ke)(ke)以使得(de)差分輸(shu)(shu)出量(liang)在波形上類似于原始檢測信(xin)號波形，相(xiang)鄰波峰(feng)與波谷之間(jian)出現位置互(hu)換。分析(xi)檢測信(xin)號與二階(jie)(jie)差分輸(shu)(shu)出量(liang)之間(jian)的(de)關系時(shi)，重點觀察兩(liang)者峰(feng)-峰(feng)值(zhi)這(zhe)一(yi)特(te)征參數(shu)的(de)變化(hua)情況。為便于論述評(ping)判(pan)(x)z4指標的(de)構(gou)建(jian)過(guo)程，缺陷的(de)檢測信(xin)號與二階(jie)(jie)差分輸(shu)(shu)出量(liang)分別記為V°(x)和。通過(guo)比較Vo(x)zA（x）和峰(feng)-峰(feng)值(zhi)來構(gou)建(jian)評(ping)判(pan)指標，即
分(fen)析表4-7中(zhong)的數據(ju)可以發(fa)現，內、外部(bu)缺陷(xian)評判指標βa的量值(zhi)差異(yi)較大，因此(ci)，可以通過設定合理的區分(fen)門限來達到(dao)區分(fen)內、外部(bu)缺陷(xian)的目(mu)的，而且缺陷(xian)深度(du)對評判指標βa的影響較小，不會因為缺陷(xian)的深度(du)過大或(huo)是過小產生評判失效。
2. 不通孔內、外位置(zhi)區分
下面進(jin)一步(bu)討論(lun)數字信(xin)號差分方法在(zai)不通(tong)孔缺陷上(shang)的(de)適(shi)用(yong)性。仍然選用(yong)鋼(gang)管(guan)作為試(shi)件(jian)，外徑為88.9mm，壁厚為9.35mm，并在(zai)鋼(gang)管(guan)上(shang)加(jia)工各類不通(tong)孔缺陷。檢測探(tan)頭采用(yong)集(ji)成霍(huo)爾元件(jian)UGN-3503作為磁(ci)敏感元件(jian)進(jin)行封(feng)裝，實際提離距離為0.5mm，拾取漏磁(ci)場的(de)法向分量Va(x)，檢測信(xin)號及二階差分輸出如圖4-23所示(shi)。
根據式（4-8）計算評(ping)(ping)(ping)判(pan)指標(biao)βa，見表4-8。可(ke)以發現，對(dui)(dui)于不(bu)同位置(zhi)(zhi)和(he)形(xing)狀的(de)(de)不(bu)通孔缺(que)(que)陷，β。仍(reng)可(ke)作為(wei)評(ping)(ping)(ping)判(pan)指標(biao)來區(qu)分和(he)識(shi)別(bie)缺(que)(que)陷的(de)(de)位置(zhi)(zhi)特(te)(te)征。由(you)于該評(ping)(ping)(ping)判(pan)指標(biao)是(shi)對(dui)(dui)時(shi)域(yu)檢測(ce)信(xin)(xin)號(hao)與其二階差(cha)分輸(shu)出量(liang)之間進(jin)行對(dui)(dui)比，而不(bu)是(shi)僅(jin)僅(jin)對(dui)(dui)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)波(bo)形(xing)特(te)(te)征進(jin)行信(xin)(xin)息提取，因(yin)此保(bao)證了評(ping)(ping)(ping)判(pan)方法對(dui)(dui)具(ju)有不(bu)同形(xing)態(tai)特(te)(te)征的(de)(de)缺(que)(que)陷仍(reng)然具(ju)有良好的(de)(de)位置(zhi)(zhi)特(te)(te)征識(shi)別(bie)能力。
3. 斜向裂紋內(nei)、外位置區分
不銹(xiu)鋼管(guan)在生產和使用(yong)過程(cheng)中，當受到復雜載荷的(de)作用(yong)時，往往會在內(nei)、外管(guan)壁出現與鋼管(guan)軸(zhou)向處于既非垂(chui)直、也非平(ping)行的(de)斜向裂紋。下面討(tao)論數字信號(hao)差分(fen)方法(fa)在斜向裂紋上的(de)適用(yong)性。
在(zai)不(bu)銹鋼管(guan)(guan)內、外表面上(shang)用電火花方法加工(gong)斜(xie)向刻槽(cao)(cao)，刻槽(cao)(cao)相對于管(guan)(guan)材軸向方向傾斜(xie)45°，深度分別(bie)為(wei)1.0mm（外部(bu)缺陷(xian)），3.0mm（內部(bu)缺陷(xian)），寬度均為(wei)0.5mm；鋼管(guan)(guan)直線前進，磁(ci)化器仍然選(xuan)用直流磁(ci)化線圈，斜(xie)向缺陷(xian)的檢測信號及二階(jie)差(cha)分輸出如圖4-24所示。
利用式（4-8）計算(suan)評判指標βd，見表4-9。可以(yi)發現，通過(guo)設(she)定區(qu)分門(men)限(xian)（如βr-d=0.2）可以(yi)有效區(qu)分斜向裂(lie)紋的(de)位置特征。
從表4-9中可(ke)以看出，評(ping)判指標(biao)βa適應性較好，受缺陷的(de)其他形(xing)態特征影響較小，如(ru)缺陷的(de)形(xing)狀、深(shen)度(du)和走向等，可(ke)對各種內、外部缺陷進(jin)行有效的(de)區分。
上述試驗過程中，評(ping)判指標的(de)構建(jian)是基于(yu)(x)。4檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)與其(qi)二階(jie)差分輸出(chu)量之間(x)4的(de)相似特(te)征參(can)數（即峰(feng)-峰(feng)值(zhi)），區分流程如圖(tu)4-25所(suo)示。由于(yu)該評(ping)判指標的(de)構建(jian)過程僅僅是對(dui)常規漏磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)進行算法上的(de)處理，對(dui)檢(jian)測(ce)(ce)硬件未(wei)加(jia)任何改動，因此在傳統漏磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)設備上可方便(bian)地添(tian)加(jia)內、外(wai)部(bu)缺陷區分功能(neng)，有效升級(ji)傳統漏磁(ci)設備的(de)檢(jian)測(ce)(ce)功能(neng)。
