不銹(xiu)鋼管漏磁檢(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、漏磁場的正交(jiao)分(fen)量
漏磁場(chang)(chang)(chang)(chang)具(ju)有矢量(liang)特性，當(dang)采用霍爾元(yuan)件(jian)作(zuo)為(wei)磁敏感(gan)元(yuan)件(jian)時，通過設計元(yuan)件(jian)的(de)布置(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)，可以獲得漏磁場(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)兩個相互(hu)正交的(de)分(fen)量(liang)，即法向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)Vn(x)與(yu)切向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)V1(x)）。沿(yan)著檢(jian)測探(tan)頭的(de)掃查軌跡方向(xiang)(xiang)(xiang)，在(zai)與(yu)檢(jian)測表面垂直的(de)平面內觀察，可以將(jiang)三維(wei)空間場(chang)(chang)(chang)(chang)簡(jian)化為(wei)二維(wei)場(chang)(chang)(chang)(chang)，進一步可分(fen)別研(yan)究(jiu)漏磁場(chang)(chang)(chang)(chang)法向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)Vn（x）與(yu)切向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)VV1(x)）的(de)分(fen)布情況，這樣可以完備描述漏磁場(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)矢量(liang)分(fen)布特征(zheng)。而單方面考察一個分(fen)量(liang)常常不(bu)足以對漏磁場(chang)(chang)(chang)(chang)進行準確、充分(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(dan)獨利(li)用切向(xiang)或法(fa)向(xiang)分量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)信號(hao)波形特征對缺陷(xian)形態進行(xing)評判(pan)，則丟失了兩者關聯性對缺陷(xian)評判(pan)的(de)(de)(de)(de)作用，為(wei)此，必須綜合利(li)用內、外部(bu)缺陷(xian)檢(jian)測(ce)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)切向(xiang)分量(liang)(liang)與法(fa)向(xiang)分量(liang)(liang)。從(cong)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)拾(shi)取(qu)(qu)本質過(guo)(guo)程來看，通過(guo)(guo)多元件布置不可(ke)能在空(kong)間(jian)某一點(dian)對漏(lou)磁(ci)(ci)場進行(xing)各分量(liang)(liang)信息的(de)(de)(de)(de)同(tong)步拾(shi)取(qu)(qu)，因為(wei)多個磁(ci)(ci)敏(min)感(gan)元件所處(chu)的(de)(de)(de)(de)空(kong)間(jian)檢(jian)測(ce)點(dian)并不能完全重(zhong)合，而且會(hui)增(zeng)加(jia)傳感(gan)器系統(tong)的(de)(de)(de)(de)復雜性。因此，通過(guo)(guo)精確構造能夠拾(shi)取(qu)(qu)漏(lou)磁(ci)(ci)場正交分量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)辦法(fa)比較困難。這里介紹一種正交變(bian)換的(de)(de)(de)(de)方法(fa)，可(ke)對檢(jian)測(ce)信號(hao)本身進行(xing)特征考察(cha)。
差分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)是正交(jiao)變換的一(yi)種，從(cong)差分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)的功(gong)能來(lai)(lai)看，對缺陷漏磁(ci)場某一(yi)分(fen)(fen)量(liang)(liang)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信號進行二階差分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)之(zhi)后，可(ke)以得到與原始(shi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信號近似(si)映(ying)像關(guan)系的輸出量(liang)(liang)，從(cong)而(er)使得兩者在(zai)波形(xing)特征(zheng)上具有了(le)可(ke)參照、可(ke)對比(bi)的特征(zheng)參數，如(ru)峰-峰值。這樣一(yi)來(lai)(lai)，可(ke)以提(ti)取同一(yi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)點的空間多維度(du)信息，并保證(zheng)了(le)信息量(liang)(liang)均來(lai)(lai)源于同一(yi)空間檢(jian)(jian)(jian)測(ce)點。
二(er)、數字信(xin)號的差分(fen)處(chu)理分(fen)析
缺陷(xian)產(chan)生的(de)漏磁檢(jian)測信(xin)號(hao)是(shi)一種有(you)限的(de)數值序(xu)列，它(ta)反(fan)映(ying)著檢(jian)測空間(jian)內(nei)漏磁場強度沿著掃(sao)查(cha)路徑方向上的(de)變化情況(kuang)，間(jian)接反(fan)映(ying)了缺陷(xian)的(de)形(xing)態(tai)特(te)征(zheng)。以檢(jian)測路徑x為自變量(liang)，以采樣點(dian)(dian)得到的(de)物理(li)量(liang)具體(ti)數值為縱(zong)坐標(biao)，按各空間(jian)點(dian)(dian)的(de)檢(jian)測順序(xu)排(pai)列起來，在顯示設備上形(xing)成可(ke)用于分析的(de)信(xin)號(hao)波形(xing)。
實際上，數字信號處理技術被廣(guang)泛應(ying)(ying)用于(yu)檢測(ce)信號的模(mo)式識別。部分(fen)研究人員采用投影算(suan)法(fa)，在不增加分(fen)析軟件計算(suan)量的同時(shi)，提高了漏(lou)磁(ci)檢測(ce)的信噪(zao)比，初步實現了同類型(xing)缺陷的位置特征識別。但從本質(zhi)來看，該方法(fa)仍未脫離根據信號波形(xing)特征進行(xing)類型(xing)劃(hua)分(fen)的范疇，容易受到其他因素的干擾，對形(xing)態特征隨機性(xing)較強的自(zi)然缺陷適應(ying)(ying)性(xing)較差。
對時域離(li)散信(xin)(xin)號進行數字差(cha)分處(chu)理，可以(yi)有效地消去檢測(ce)信(xin)(xin)號中的趨勢(shi)項，提(ti)(ti)高信(xin)(xin)號的信(xin)(xin)噪比(bi)。由于(yu)內、外(wai)部(bu)(bu)缺陷檢測(ce)信(xin)(xin)號的頻率段不同(tong)，部(bu)(bu)分學者提(ti)(ti)出對模擬(ni)檢測(ce)信(xin)(xin)號采用(yong)一階(jie)差(cha)分處(chu)理的方法，經(jing)過差(cha)分處(chu)理之后的信(xin)(xin)號波(bo)形(xing)可以(yi)提(ti)(ti)高內、外(wai)部(bu)(bu)缺陷檢測(ce)信(xin)(xin)號的差(cha)異(yi)程度(du)。但其(qi)評(ping)判規則仍是以(yi)內、外(wai)部(bu)(bu)缺陷信(xin)(xin)號的波(bo)形(xing)特征(zheng)為依(yi)據的，只不過用(yong)于(yu)對比(bi)的波(bo)形(xing)是經(jing)過一次差(cha)分處(chu)理之后得到的，雖然提(ti)(ti)高了檢測(ce)信(xin)(xin)號的信(xin)(xin)噪比(bi)，但對于(yu)缺陷的深度(du)、形(xing)狀(zhuang)以(yi)及走向等形(xing)態特征(zheng)不一致(zhi)的情況，該方法適應性欠佳。
隨(sui)著差(cha)(cha)分(fen)(fen)階數(shu)的提高，考慮到(dao)差(cha)(cha)分(fen)(fen)過(guo)程(cheng)中的累積(ji)誤差(cha)(cha)，采(cai)用(yong)(yong)(yong)后(hou)向差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)。用(yong)(yong)(yong)x°(h)表示(shi)離散采(cai)樣(yang)信(xin)號序列，用(yong)(yong)(yong)（h）表示(shi)采(cai)樣(yang)信(xin)號經過(guo)一階差(cha)(cha)分(fen)(fen)后(hou)的數(shu)字(zi)序列，x2(k)）表示(shi)經過(guo)9二階差(cha)(cha)分(fen)(fen)后(hou)的數(shu)字(zi)序列，為簡化(hua)計算，步長取1，也(ye)即向后(hou)一步差(cha)(cha)分(fen)(fen)。從信(xin)號處(chu)理(li)效果(guo)出發，也(ye)可(ke)以用(yong)(yong)(yong)多(duo)步差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)，可(ke)根據現場應(ying)用(yong)(yong)(yong)效果(guo)進行調試。
通過式（4-4)～式（4-7）可(ke)計(ji)算出(chu)檢(jian)測信(xin)號(hao)的(de)各階差分(fen)輸出(chu)量(liang)(liang)，并可(ke)利用檢(jian)測量(liang)(liang)和差分(fen)輸出(chu)量(liang)(liang)來構建評判指標(biao)，而(er)不是僅在檢(jian)測信(xin)號(hao)波形(xing)上尋(xun)求解決方案，從而(er)可(ke)有效地避免(mian)缺陷其他(ta)形(xing)態(tai)特(te)征對(dui)內、外部缺陷區分(fen)的(de)影響。
數字(zi)信(xin)(xin)號(hao)差(cha)分(fen)處理(li)可(ke)以通過軟(ruan)件(jian)算法(fa)實(shi)現(xian)，其僅對(dui)(dui)原始采樣(yang)數據進行差(cha)分(fen)處理(li)即可(ke)實(shi)現(xian)在役漏磁檢測設備的性能(neng)提升(sheng)，而(er)無須對(dui)(dui)檢測探頭及(ji)信(xin)(xin)號(hao)采集(ji)系統(tong)做任何硬(ying)件(jian)修改(gai)，具有重(zhong)要的實(shi)際應用價值。
三、內(nei)、外部缺陷檢(jian)測信(xin)號的數(shu)字差(cha)分處理(li)
差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理既然(ran)可(ke)(ke)以(yi)起到(dao)頻率成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)析取作用，那么可(ke)(ke)以(yi)進一(yi)步理解為：具有不同頻率成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)內、外(wai)部(bu)缺陷(xian)檢測信(xin)號(hao)(hao)(hao)對差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理的(de)(de)(de)響應輸出(chu)量(liang)也會不同；再者(zhe)，由于檢測信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理過程在本(ben)質(zhi)上是對檢測數(shu)據(ju)沿掃(sao)查(cha)路徑變化趨勢的(de)(de)(de)定量(liang)描(miao)述(shu)，如果將時域檢測信(xin)號(hao)(hao)(hao)數(shu)據(ju)視為可(ke)(ke)見的(de)(de)(de)位移量(liang)，則一(yi)階差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理過程更(geng)傾向(xiang)于描(miao)述(shu)這種(zhong)位移量(liang)的(de)(de)(de)變化特(te)征，即速(su)(su)度(du)信(xin)息；不難理解，進一(yi)步的(de)(de)(de)二階差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理不妨(fang)視為對這種(zhong)位移量(liang)的(de)(de)(de)加速(su)(su)度(du)信(xin)息的(de)(de)(de)提(ti)取，而(er)加速(su)(su)度(du)更(geng)傾向(xiang)于描(miao)述(shu)或體現出(chu)事物的(de)(de)(de)本(ben)質(zhi)特(te)征。利用二階差(cha)分(fen)(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)與信(xin)號(hao)(hao)(hao)源進行特(te)征參數(shu)的(de)(de)(de)參照對比(bi)，可(ke)(ke)發現內、外(wai)部(bu)缺陷(xian)產生的(de)(de)(de)漏(lou)磁信(xin)號(hao)(hao)(hao)源在差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理過程中的(de)(de)(de)差(cha)異。
1. 刻槽內、外(wai)位(wei)置(zhi)區分
下面對不同位置刻(ke)槽(cao)檢(jian)(jian)測信號進行(xing)差(cha)分(fen)處理(li)，研究缺(que)陷的(de)(de)位置特(te)征與二(er)階(jie)差(cha)分(fen)輸出量(liang)之間(jian)的(de)(de)關聯性。以外徑為88.9mm、壁(bi)厚(hou)為9.35mm的(de)(de)鋼管(guan)作(zuo)為試(shi)件，采用電火花加工(gong)方法(fa)，分(fen)別在鋼管(guan)內、外壁(bi)刻(ke)制不同深(shen)度的(de)(de)周(zhou)向(xiang)(xiang)刻(ke)槽(cao)。同樣(yang)，選用集成霍爾(er)元件UGN-3505作(zuo)為磁敏(min)感元件，以0.5mm提離距(ju)離封裝于檢(jian)(jian)測探頭內部，拾取漏(lou)磁場的(de)(de)法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)。試(shi)驗過程中，保證探頭掃查速度恒定不變(bian)，檢(jian)(jian)測信號及二(er)階(jie)差(cha)分(fen)輸出如圖4-22所示。
從(cong)圖(tu)4-22中可以(yi)看出，對檢測數據進(jin)行(xing)后向(xiang)二(er)階(jie)差(cha)分(fen)(fen)處理，可以(yi)使(shi)得差(cha)分(fen)(fen)輸出量在波(bo)(bo)形(xing)上類似于原始檢測信號波(bo)(bo)形(xing)，相鄰波(bo)(bo)峰與波(bo)(bo)谷之間出現位(wei)置互換。分(fen)(fen)析(xi)檢測信號與二(er)階(jie)差(cha)分(fen)(fen)輸出量之間的(de)(de)關系(xi)時，重點觀(guan)察(cha)兩者峰-峰值這一特(te)征參數的(de)(de)變化情(qing)況。為便于論述評(ping)判(pan)(x)z4指標(biao)的(de)(de)構(gou)建(jian)過(guo)程，缺陷的(de)(de)檢測信號與二(er)階(jie)差(cha)分(fen)(fen)輸出量分(fen)(fen)別記為V°(x)和。通過(guo)比較Vo(x)zA（x）和峰-峰值來構(gou)建(jian)評(ping)判(pan)指標(biao)，即(ji)
分(fen)(fen)析表(biao)4-7中的數(shu)據可(ke)以(yi)發現，內(nei)、外(wai)部(bu)缺陷(xian)評(ping)判(pan)指標βa的量值差(cha)異(yi)較大，因此，可(ke)以(yi)通過設(she)定(ding)合理的區分(fen)(fen)門限來(lai)達(da)到(dao)區分(fen)(fen)內(nei)、外(wai)部(bu)缺陷(xian)的目的，而且缺陷(xian)深(shen)度對(dui)評(ping)判(pan)指標βa的影(ying)響較小，不會因為(wei)缺陷(xian)的深(shen)度過大或(huo)是過小產(chan)生評(ping)判(pan)失效。
2. 不通孔內、外位置區(qu)分
下(xia)面進(jin)一(yi)步討論數字信(xin)號差分(fen)(fen)方法(fa)(fa)在不(bu)通(tong)孔缺陷上的適用性(xing)。仍然選用鋼(gang)管作(zuo)為試件，外(wai)徑為88.9mm，壁厚為9.35mm，并在鋼(gang)管上加工各類不(bu)通(tong)孔缺陷。檢測探(tan)頭采用集成霍爾元(yuan)件UGN-3503作(zuo)為磁敏感元(yuan)件進(jin)行(xing)封裝，實際(ji)提離距離為0.5mm，拾取漏磁場(chang)的法(fa)(fa)向分(fen)(fen)量Va(x)，檢測信(xin)號及二階差分(fen)(fen)輸出如圖4-23所(suo)示(shi)。
根據式（4-8）計算評判指(zhi)標(biao)βa，見表(biao)4-8。可以發現，對(dui)于(yu)不同(tong)位置(zhi)和形狀的(de)(de)不通(tong)孔缺陷，β。仍(reng)可作為(wei)評判指(zhi)標(biao)來區分(fen)和識別(bie)缺陷的(de)(de)位置(zhi)特(te)(te)征(zheng)(zheng)。由于(yu)該評判指(zhi)標(biao)是(shi)對(dui)時域檢測信(xin)號(hao)(hao)與其二(er)階差分(fen)輸出量之間進行對(dui)比(bi)，而(er)不是(shi)僅(jin)僅(jin)對(dui)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)波(bo)形特(te)(te)征(zheng)(zheng)進行信(xin)息提取，因此保證了評判方法對(dui)具(ju)有(you)不同(tong)形態(tai)特(te)(te)征(zheng)(zheng)的(de)(de)缺陷仍(reng)然具(ju)有(you)良好的(de)(de)位置(zhi)特(te)(te)征(zheng)(zheng)識別(bie)能力。
3. 斜向裂紋(wen)內、外位置區分
不銹(xiu)鋼管(guan)在生產和使用(yong)過程中，當(dang)受到復(fu)雜載(zai)荷的(de)(de)作用(yong)時，往往會在內(nei)、外管(guan)壁出現與鋼管(guan)軸向處于既(ji)非垂直(zhi)、也(ye)非平行的(de)(de)斜(xie)向裂(lie)紋(wen)(wen)。下面討論(lun)數字信號差分方法在斜(xie)向裂(lie)紋(wen)(wen)上的(de)(de)適用(yong)性(xing)。
在不銹鋼管(guan)內(nei)、外(wai)表(biao)面上用電火(huo)花方法加工斜向(xiang)(xiang)刻槽，刻槽相(xiang)對于管(guan)材軸向(xiang)(xiang)方向(xiang)(xiang)傾斜45°，深(shen)度分(fen)別為(wei)(wei)1.0mm（外(wai)部缺陷），3.0mm（內(nei)部缺陷），寬度均為(wei)(wei)0.5mm；鋼管(guan)直線前進，磁化(hua)器仍然(ran)選用直流(liu)磁化(hua)線圈，斜向(xiang)(xiang)缺陷的檢測(ce)信號及二(er)階(jie)差(cha)分(fen)輸出如圖(tu)4-24所示(shi)。
利(li)用式（4-8）計算評判(pan)指標βd，見表4-9。可(ke)以發(fa)現，通過設定區(qu)分門(men)限(xian)（如βr-d=0.2）可(ke)以有(you)效區(qu)分斜向裂紋的位(wei)置特征。
從表4-9中可以(yi)看出，評(ping)判指(zhi)標βa適應(ying)性較好，受(shou)缺陷的其他(ta)形態特征影響較小，如缺陷的形狀、深度(du)和(he)走向等，可對各種內、外(wai)部缺陷進行(xing)有效的區分。
上(shang)述試(shi)驗過(guo)程中，評判(pan)指標的(de)(de)構建(jian)是(shi)基于(yu)(x)。4檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號與(yu)其二階差(cha)分(fen)(fen)輸出量之間(x)4的(de)(de)相(xiang)似(si)特征參數（即峰-峰值），區(qu)分(fen)(fen)流程如圖4-25所示(shi)。由于(yu)該(gai)評判(pan)指標的(de)(de)構建(jian)過(guo)程僅(jin)僅(jin)是(shi)對常規(gui)漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號進行(xing)算法(fa)上(shang)的(de)(de)處理(li)，對檢(jian)測(ce)(ce)硬件(jian)未(wei)加(jia)(jia)任何改動(dong)，因此在傳統(tong)漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)設備上(shang)可方便地(di)添加(jia)(jia)內、外部缺陷(xian)區(qu)分(fen)(fen)功(gong)能，有效升(sheng)級傳統(tong)漏(lou)磁(ci)設備的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)功(gong)能。
