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(yi)、漏(lou)磁場的(de)正交(jiao)分量(liang)
漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)具有矢量(liang)(liang)特性(xing)，當采用霍爾元件(jian)作(zuo)為(wei)磁(ci)(ci)敏感元件(jian)時，通過設計元件(jian)的布(bu)置(zhi)方向(xiang)，可以獲得(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)的兩個相互(hu)正交的分(fen)量(liang)(liang)，即法(fa)向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)Vn(x)與(yu)切向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)V1(x)）。沿著檢測探頭(tou)的掃查軌跡(ji)方向(xiang)，在與(yu)檢測表面垂(chui)直的平面內觀察(cha)，可以將三維空(kong)間場(chang)簡化(hua)為(wei)二維場(chang)，進一步(bu)可分(fen)別研究(jiu)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)法(fa)向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)Vn（x）與(yu)切向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)VV1(x)）的分(fen)布(bu)情(qing)況，這樣可以完備描(miao)述漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)的矢量(liang)(liang)分(fen)布(bu)特征。而單方面考(kao)察(cha)一個分(fen)量(liang)(liang)常常不足以對漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)進行準(zhun)確、充分(fen)地描(miao)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)切向(xiang)(xiang)或法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)檢(jian)測信(xin)號(hao)波形特(te)征對(dui)(dui)缺(que)陷(xian)形態進行(xing)(xing)評(ping)判(pan)，則丟失(shi)了兩者關聯性對(dui)(dui)缺(que)陷(xian)評(ping)判(pan)的(de)(de)作用(yong)，為此(ci)，必(bi)須綜合利用(yong)內、外部缺(que)陷(xian)檢(jian)測信(xin)號(hao)的(de)(de)切向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)與法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)。從漏磁(ci)(ci)檢(jian)測拾(shi)(shi)取(qu)本(ben)質過(guo)程(cheng)來(lai)看(kan)，通(tong)過(guo)多(duo)元件(jian)布置(zhi)不可能在空間某一點對(dui)(dui)漏磁(ci)(ci)場進行(xing)(xing)各分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)信(xin)息的(de)(de)同步(bu)拾(shi)(shi)取(qu)，因為多(duo)個(ge)磁(ci)(ci)敏感元件(jian)所處的(de)(de)空間檢(jian)測點并不能完全(quan)重合，而(er)且(qie)會增加傳感器系統的(de)(de)復(fu)雜性。因此(ci)，通(tong)過(guo)精確(que)構造(zao)能夠拾(shi)(shi)取(qu)漏磁(ci)(ci)場正交(jiao)(jiao)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)辦(ban)法(fa)比較(jiao)困難。這里介紹(shao)一種正交(jiao)(jiao)變換的(de)(de)方法(fa)，可對(dui)(dui)檢(jian)測信(xin)號(hao)本(ben)身進行(xing)(xing)特(te)征考察。
差(cha)分處(chu)理(li)是正交變換(huan)的一種，從差(cha)分處(chu)理(li)的功能來看，對缺陷(xian)漏磁場(chang)某一分量檢(jian)測信(xin)號進行(xing)二階差(cha)分處(chu)理(li)之后，可以得到與(yu)原(yuan)始(shi)檢(jian)測信(xin)號近似映像關系(xi)的輸出量，從而(er)使得兩者在波形特(te)征上具有了可參照、可對比(bi)的特(te)征參數，如峰(feng)-峰(feng)值。這樣(yang)一來，可以提取(qu)同(tong)一檢(jian)測點(dian)的空間(jian)多維度信(xin)息，并保證(zheng)了信(xin)息量均來源于同(tong)一空間(jian)檢(jian)測點(dian)。
二(er)、數(shu)字信號的差分處理分析(xi)
缺陷(xian)產生的(de)(de)(de)漏磁檢(jian)測(ce)信號是一種(zhong)有限(xian)的(de)(de)(de)數(shu)值序列(lie)，它反映(ying)著檢(jian)測(ce)空間內(nei)漏磁場強(qiang)度沿著掃查(cha)路(lu)徑方向上的(de)(de)(de)變(bian)化情況，間接(jie)反映(ying)了缺陷(xian)的(de)(de)(de)形態特征(zheng)。以檢(jian)測(ce)路(lu)徑x為自變(bian)量(liang)，以采樣(yang)點得(de)到的(de)(de)(de)物理量(liang)具體(ti)數(shu)值為縱坐標，按各空間點的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)順序排列(lie)起(qi)來，在顯(xian)示設(she)備上形成可用于分(fen)析的(de)(de)(de)信號波形。
實際上，數字信(xin)(xin)號(hao)處理技(ji)術(shu)被廣泛應(ying)用(yong)于檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)模式識別。部(bu)分(fen)(fen)研究(jiu)人(ren)員采用(yong)投影算法(fa)，在不增加分(fen)(fen)析軟件計(ji)算量(liang)的(de)同(tong)時(shi)，提高(gao)了漏磁檢測(ce)(ce)的(de)信(xin)(xin)噪比，初步(bu)實現了同(tong)類型(xing)缺(que)陷(xian)的(de)位置特征(zheng)識別。但從本(ben)質來看，該方法(fa)仍未脫離根據信(xin)(xin)號(hao)波形特征(zheng)進行(xing)類型(xing)劃分(fen)(fen)的(de)范疇，容易受(shou)到其他因素的(de)干(gan)擾，對形態特征(zheng)隨機(ji)性(xing)較(jiao)強(qiang)的(de)自然缺(que)陷(xian)適應(ying)性(xing)較(jiao)差。
對時(shi)域(yu)離(li)散信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)進行(xing)數(shu)字差分(fen)處理，可以有效(xiao)地消去檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)中的(de)(de)趨勢項，提(ti)高信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)。由于內(nei)、外(wai)部(bu)缺陷(xian)檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)頻(pin)率(lv)段不(bu)(bu)同，部(bu)分(fen)學者提(ti)出(chu)對模擬檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)采用一階差分(fen)處理的(de)(de)方法，經過(guo)差分(fen)處理之(zhi)后(hou)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)波形(xing)可以提(ti)高內(nei)、外(wai)部(bu)缺陷(xian)檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)差異(yi)程度。但其評判規則仍是以內(nei)、外(wai)部(bu)缺陷(xian)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)波形(xing)特征(zheng)為依據的(de)(de)，只不(bu)(bu)過(guo)用于對比(bi)(bi)的(de)(de)波形(xing)是經過(guo)一次(ci)差分(fen)處理之(zhi)后(hou)得到的(de)(de)，雖然提(ti)高了檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)，但對于缺陷(xian)的(de)(de)深度、形(xing)狀以及走向等形(xing)態(tai)特征(zheng)不(bu)(bu)一致的(de)(de)情況，該方法適應性欠佳。
隨著差(cha)(cha)分(fen)階(jie)(jie)數(shu)的提高，考慮到(dao)差(cha)(cha)分(fen)過(guo)程中的累積誤差(cha)(cha)，采用(yong)(yong)后向差(cha)(cha)分(fen)處理(li)。用(yong)(yong)x°(h)表(biao)(biao)(biao)示離(li)散采樣信(xin)號(hao)序列(lie)(lie)，用(yong)(yong)（h）表(biao)(biao)(biao)示采樣信(xin)號(hao)經過(guo)一(yi)階(jie)(jie)差(cha)(cha)分(fen)后的數(shu)字(zi)序列(lie)(lie)，x2(k)）表(biao)(biao)(biao)示經過(guo)9二(er)階(jie)(jie)差(cha)(cha)分(fen)后的數(shu)字(zi)序列(lie)(lie)，為簡化(hua)計算，步(bu)長(chang)取1，也即向后一(yi)步(bu)差(cha)(cha)分(fen)。從(cong)信(xin)號(hao)處理(li)效果(guo)出發，也可以用(yong)(yong)多步(bu)差(cha)(cha)分(fen)處理(li)，可根(gen)據現場應用(yong)(yong)效果(guo)進(jin)行調試。
通過(guo)式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計(ji)算出檢(jian)(jian)測信號(hao)的各階差(cha)分輸出量，并可利用檢(jian)(jian)測量和差(cha)分輸出量來構建評(ping)判(pan)指標，而(er)(er)不是僅在檢(jian)(jian)測信號(hao)波形上尋求解決方案，從而(er)(er)可有效地避免缺(que)陷(xian)其他形態特征對內(nei)、外(wai)部缺(que)陷(xian)區分的影響。
數字信(xin)號差分(fen)處理可以通過軟件算法(fa)實(shi)現(xian)，其僅對原始(shi)采樣數據進行差分(fen)處理即可實(shi)現(xian)在役漏磁檢測設備的(de)(de)性能提升，而(er)無須對檢測探頭及(ji)信(xin)號采集系統做任何(he)硬件修改，具有重(zhong)要的(de)(de)實(shi)際應用(yong)價值。
三、內、外部(bu)缺陷檢(jian)測信號的數(shu)字差分處理(li)
差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)既然(ran)可以起到頻率成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)析取(qu)(qu)作(zuo)用(yong)，那么可以進一步(bu)(bu)理(li)解為(wei)(wei)：具有(you)不(bu)同頻率成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)內、外部(bu)缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)對差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)的(de)(de)(de)(de)響應(ying)輸(shu)出(chu)量(liang)(liang)也會不(bu)同；再(zai)者，由于(yu)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)過(guo)程在(zai)本質上(shang)是(shi)對檢(jian)測(ce)數據(ju)沿掃查路徑變化趨勢的(de)(de)(de)(de)定量(liang)(liang)描(miao)述(shu)，如果將時域檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)數據(ju)視為(wei)(wei)可見的(de)(de)(de)(de)位(wei)移量(liang)(liang)，則一階差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)過(guo)程更傾向于(yu)描(miao)述(shu)這種(zhong)位(wei)移量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)變化特征(zheng)，即速(su)度(du)(du)(du)信(xin)息；不(bu)難理(li)解，進一步(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)二階差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)不(bu)妨視為(wei)(wei)對這種(zhong)位(wei)移量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)加速(su)度(du)(du)(du)信(xin)息的(de)(de)(de)(de)提取(qu)(qu)，而加速(su)度(du)(du)(du)更傾向于(yu)描(miao)述(shu)或體(ti)現出(chu)事物的(de)(de)(de)(de)本質特征(zheng)。利(li)用(yong)二階差(cha)(cha)分(fen)(fen)輸(shu)出(chu)量(liang)(liang)與信(xin)號(hao)(hao)源進行特征(zheng)參(can)(can)數的(de)(de)(de)(de)參(can)(can)照對比，可發現內、外部(bu)缺(que)陷(xian)產生的(de)(de)(de)(de)漏磁信(xin)號(hao)(hao)源在(zai)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分
下面(mian)對不同(tong)位(wei)置刻(ke)槽(cao)檢測信(xin)號(hao)進行差(cha)分處理，研究缺陷(xian)的位(wei)置特征與二(er)階差(cha)分輸出(chu)量之間(jian)的關聯性。以(yi)外徑為88.9mm、壁厚為9.35mm的鋼(gang)管(guan)作為試件(jian)，采(cai)用(yong)電火花加(jia)工方(fang)法(fa)，分別在鋼(gang)管(guan)內(nei)(nei)、外壁刻(ke)制(zhi)不同(tong)深度(du)的周(zhou)向(xiang)(xiang)刻(ke)槽(cao)。同(tong)樣，選用(yong)集成霍爾元件(jian)UGN-3505作為磁敏感元件(jian)，以(yi)0.5mm提離(li)距(ju)離(li)封裝于檢測探頭(tou)內(nei)(nei)部，拾取漏磁場的法(fa)向(xiang)(xiang)分量。試驗過程中，保(bao)證探頭(tou)掃查速度(du)恒定不變，檢測信(xin)號(hao)及二(er)階差(cha)分輸出(chu)如圖4-22所示(shi)。
從圖4-22中可以看出(chu)，對檢測(ce)數據進行后(hou)向二(er)階差(cha)分(fen)處理，可以使得(de)差(cha)分(fen)輸出(chu)量在波(bo)(bo)形上類似(si)于原始檢測(ce)信號波(bo)(bo)形，相(xiang)鄰(lin)波(bo)(bo)峰(feng)與波(bo)(bo)谷之間(jian)出(chu)現位置互換。分(fen)析檢測(ce)信號與二(er)階差(cha)分(fen)輸出(chu)量之間(jian)的(de)(de)(de)關系時，重點觀察兩(liang)者峰(feng)-峰(feng)值這一特征參數的(de)(de)(de)變化情況。為便(bian)于論述評(ping)判(x)z4指標的(de)(de)(de)構建過程，缺陷的(de)(de)(de)檢測(ce)信號與二(er)階差(cha)分(fen)輸出(chu)量分(fen)別記為V°(x)和。通過比較Vo(x)zA（x）和峰(feng)-峰(feng)值來(lai)構建評(ping)判指標，即
分(fen)析表(biao)4-7中的(de)(de)(de)(de)(de)數據(ju)可(ke)以發現，內、外部缺(que)陷(xian)評判指標βa的(de)(de)(de)(de)(de)量值差異較(jiao)大(da)，因此，可(ke)以通過(guo)(guo)設定合理的(de)(de)(de)(de)(de)區分(fen)門限來達到區分(fen)內、外部缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)，而且缺(que)陷(xian)深度對評判指標βa的(de)(de)(de)(de)(de)影響較(jiao)小，不會因為缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)深度過(guo)(guo)大(da)或是過(guo)(guo)小產(chan)生評判失效(xiao)。
2. 不通孔內、外位置區(qu)分
下(xia)面進一步(bu)討論數(shu)字信(xin)號差分(fen)方法在不通孔缺陷上的適用性。仍然(ran)選(xuan)用鋼(gang)管(guan)作(zuo)(zuo)為(wei)試件(jian)，外徑為(wei)88.9mm，壁厚(hou)為(wei)9.35mm，并在鋼(gang)管(guan)上加工各(ge)類(lei)不通孔缺陷。檢測探(tan)頭采(cai)用集成霍(huo)爾(er)元件(jian)UGN-3503作(zuo)(zuo)為(wei)磁(ci)敏(min)感(gan)元件(jian)進行封裝，實際提離(li)距(ju)離(li)為(wei)0.5mm，拾取漏磁(ci)場的法向分(fen)量Va(x)，檢測信(xin)號及二(er)階差分(fen)輸(shu)出如圖4-23所(suo)示。
根據式（4-8）計算評判(pan)指(zhi)標βa，見表4-8。可(ke)以發現，對(dui)(dui)于(yu)不(bu)(bu)同位(wei)置和形狀的(de)不(bu)(bu)通孔缺(que)(que)陷(xian)，β。仍(reng)可(ke)作為評判(pan)指(zhi)標來區分和識別(bie)缺(que)(que)陷(xian)的(de)位(wei)置特(te)(te)征。由于(yu)該(gai)評判(pan)指(zhi)標是對(dui)(dui)時域檢(jian)測信號與其(qi)二階差分輸出量之間(jian)進行(xing)對(dui)(dui)比，而不(bu)(bu)是僅僅對(dui)(dui)信號的(de)波形特(te)(te)征進行(xing)信息提取，因此保(bao)證了評判(pan)方法對(dui)(dui)具有(you)不(bu)(bu)同形態特(te)(te)征的(de)缺(que)(que)陷(xian)仍(reng)然具有(you)良好的(de)位(wei)置特(te)(te)征識別(bie)能(neng)力。
3. 斜向裂紋內、外位置區分
不(bu)銹鋼(gang)(gang)管(guan)在(zai)生(sheng)產和使用(yong)(yong)過(guo)程中，當受到復雜載荷的作用(yong)(yong)時(shi)，往往會(hui)在(zai)內、外管(guan)壁(bi)出現與鋼(gang)(gang)管(guan)軸向處(chu)于既非垂直、也(ye)非平行的斜向裂紋(wen)。下面討論數字信(xin)號差分(fen)方法在(zai)斜向裂紋(wen)上(shang)的適用(yong)(yong)性。
在不銹鋼管(guan)內、外表面上用電(dian)火花(hua)方(fang)法加工(gong)斜(xie)向刻槽，刻槽相對于管(guan)材軸向方(fang)向傾斜(xie)45°，深度(du)分別為1.0mm（外部缺(que)陷），3.0mm（內部缺(que)陷），寬度(du)均為0.5mm；鋼管(guan)直線前進，磁化(hua)器仍然選用直流磁化(hua)線圈，斜(xie)向缺(que)陷的檢(jian)測信號(hao)及二階差分輸出如(ru)圖(tu)4-24所示。
利用式(shi)（4-8）計算評判指標(biao)βd，見(jian)表(biao)4-9。可以(yi)發現，通過設(she)定區(qu)分(fen)門限（如βr-d=0.2）可以(yi)有效(xiao)區(qu)分(fen)斜向裂紋的位置特征。
從(cong)表4-9中(zhong)可(ke)以看出，評判指標βa適(shi)應(ying)性較好(hao)，受缺(que)陷的(de)其他形態(tai)特(te)征影響較小(xiao)，如缺(que)陷的(de)形狀、深度和走向等，可(ke)對各種內(nei)、外部缺(que)陷進行有效(xiao)的(de)區分(fen)。
上(shang)(shang)述(shu)試驗過程中(zhong)，評判(pan)(pan)指標的構建(jian)是基(ji)于(x)。4檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號與(yu)其二階差分(fen)輸出(chu)量之(zhi)間(x)4的相似(si)特征參數（即峰-峰值），區(qu)分(fen)流程如(ru)圖4-25所示。由于該評判(pan)(pan)指標的構建(jian)過程僅僅是對常規漏(lou)(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號進行算法上(shang)(shang)的處理，對檢(jian)(jian)測(ce)硬件未(wei)加(jia)任何改動，因此在傳(chuan)統漏(lou)(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)設備上(shang)(shang)可方便(bian)地添加(jia)內、外部缺陷(xian)區(qu)分(fen)功(gong)能(neng)(neng)，有(you)效升級傳(chuan)統漏(lou)(lou)磁設備的檢(jian)(jian)測(ce)功(gong)能(neng)(neng)。
