不銹鋼管漏(lou)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(jiao)分量
漏(lou)(lou)(lou)磁場(chang)具有矢量(liang)特(te)性，當采(cai)用霍(huo)爾元件作(zuo)為磁敏感元件時(shi)，通過設(she)計元件的(de)布(bu)置方向(xiang)(xiang)，可(ke)以(yi)獲得漏(lou)(lou)(lou)磁場(chang)的(de)兩(liang)個相(xiang)互(hu)正(zheng)交的(de)分(fen)(fen)量(liang)，即法向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿著檢測探頭的(de)掃查(cha)軌跡方向(xiang)(xiang)，在與檢測表(biao)面垂直的(de)平面內觀察(cha)，可(ke)以(yi)將(jiang)三維空間場(chang)簡化為二維場(chang)，進一步可(ke)分(fen)(fen)別(bie)研究(jiu)漏(lou)(lou)(lou)磁場(chang)法向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的(de)分(fen)(fen)布(bu)情況，這樣可(ke)以(yi)完備描述漏(lou)(lou)(lou)磁場(chang)的(de)矢量(liang)分(fen)(fen)布(bu)特(te)征。而單方面考察(cha)一個分(fen)(fen)量(liang)常常不足以(yi)對漏(lou)(lou)(lou)磁場(chang)進行準確、充(chong)分(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(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。
如果單獨(du)利用(yong)切(qie)向(xiang)(xiang)或法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)量的(de)檢(jian)測信(xin)號波形特征對缺(que)陷(xian)形態進行評(ping)(ping)判，則丟失了(le)兩者(zhe)關聯(lian)性對缺(que)陷(xian)評(ping)(ping)判的(de)作用(yong)，為此，必須綜合利用(yong)內、外部缺(que)陷(xian)檢(jian)測信(xin)號的(de)切(qie)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)量與法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)量。從(cong)漏磁(ci)檢(jian)測拾(shi)(shi)取本質過(guo)(guo)程來看(kan)，通(tong)過(guo)(guo)多元件(jian)布置不(bu)可能(neng)在空間某(mou)一點對漏磁(ci)場(chang)進行各分(fen)(fen)(fen)量信(xin)息的(de)同步拾(shi)(shi)取，因為多個磁(ci)敏(min)感元件(jian)所處的(de)空間檢(jian)測點并(bing)不(bu)能(neng)完全重合，而且會增加傳感器系(xi)統的(de)復雜性。因此，通(tong)過(guo)(guo)精確(que)構造能(neng)夠拾(shi)(shi)取漏磁(ci)場(chang)正交(jiao)分(fen)(fen)(fen)量的(de)辦法(fa)比較困難(nan)。這里介紹一種正交(jiao)變(bian)換的(de)方法(fa)，可對檢(jian)測信(xin)號本身進行特征考察。
差分處理是正(zheng)交變換的(de)一(yi)(yi)種(zhong)，從(cong)差分處理的(de)功能來看，對缺(que)陷漏磁場某一(yi)(yi)分量(liang)(liang)檢測(ce)信號進行二階差分處理之(zhi)后，可以得到與原始檢測(ce)信號近(jin)似映像(xiang)關系(xi)的(de)輸出量(liang)(liang)，從(cong)而使得兩者(zhe)在(zai)波形特征(zheng)上具有了可參照、可對比的(de)特征(zheng)參數，如峰-峰值。這樣一(yi)(yi)來，可以提取同一(yi)(yi)檢測(ce)點(dian)的(de)空間(jian)多維度信息，并保證了信息量(liang)(liang)均來源于同一(yi)(yi)空間(jian)檢測(ce)點(dian)。
二、數字信號的差(cha)分處理分析
缺(que)陷產(chan)生的(de)漏磁檢測信號是一(yi)種有限(xian)的(de)數值序列(lie)，它反(fan)映著(zhu)檢測空(kong)間(jian)內漏磁場強度沿著(zhu)掃查路徑(jing)方向上的(de)變(bian)化情況，間(jian)接反(fan)映了缺(que)陷的(de)形態特征(zheng)。以(yi)檢測路徑(jing)x為自變(bian)量(liang)，以(yi)采(cai)樣點得到的(de)物理量(liang)具體數值為縱坐標，按(an)各空(kong)間(jian)點的(de)檢測順序排列(lie)起(qi)來，在顯示設(she)備上形成可用于(yu)分析的(de)信號波形。
實際(ji)上，數字信號處理(li)技(ji)術(shu)被(bei)廣泛(fan)應(ying)用于檢測信號的(de)模式(shi)識別。部分研究人(ren)員(yuan)采用投(tou)影(ying)算法(fa)，在不增加分析軟件計(ji)算量(liang)的(de)同(tong)時，提高了漏磁檢測的(de)信噪比(bi)，初步實現(xian)了同(tong)類(lei)(lei)型(xing)缺(que)陷(xian)的(de)位置特(te)征(zheng)(zheng)識別。但從本質來看(kan)，該方法(fa)仍(reng)未脫離根據信號波形特(te)征(zheng)(zheng)進行類(lei)(lei)型(xing)劃分的(de)范疇，容易受到其他因素的(de)干擾，對形態特(te)征(zheng)(zheng)隨機性(xing)較強(qiang)的(de)自然缺(que)陷(xian)適(shi)應(ying)性(xing)較差。
對時域離散信(xin)號(hao)(hao)進行(xing)數字差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)，可以(yi)有效地消去檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)中的(de)趨(qu)勢項(xiang)，提高(gao)信(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)噪比(bi)。由于(yu)內、外(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)(xian)檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)的(de)頻率段不(bu)同，部(bu)分(fen)(fen)學者提出對模擬檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)采用(yong)一(yi)階差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)的(de)方(fang)法，經過差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)之(zhi)后(hou)的(de)信(xin)號(hao)(hao)波形可以(yi)提高(gao)內、外(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)(xian)檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)的(de)差(cha)(cha)異程度。但其評判規則仍是以(yi)內、外(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)(xian)信(xin)號(hao)(hao)的(de)波形特征為依據的(de)，只不(bu)過用(yong)于(yu)對比(bi)的(de)波形是經過一(yi)次(ci)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處理(li)之(zhi)后(hou)得到的(de)，雖然提高(gao)了檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)噪比(bi)，但對于(yu)缺(que)陷(xian)(xian)的(de)深度、形狀(zhuang)以(yi)及走向等形態特征不(bu)一(yi)致的(de)情況，該方(fang)法適應性(xing)欠佳。
隨(sui)著差(cha)(cha)分階數的(de)(de)提高(gao)，考慮到差(cha)(cha)分過程中的(de)(de)累(lei)積誤(wu)差(cha)(cha)，采(cai)用后(hou)向差(cha)(cha)分處理。用x°(h)表(biao)示離散采(cai)樣信號序列，用（h）表(biao)示采(cai)樣信號經過一階差(cha)(cha)分后(hou)的(de)(de)數字(zi)序列，x2(k)）表(biao)示經過9二階差(cha)(cha)分后(hou)的(de)(de)數字(zi)序列，為(wei)簡化計算(suan)，步(bu)長取1，也(ye)即向后(hou)一步(bu)差(cha)(cha)分。從信號處理效(xiao)果(guo)出(chu)發，也(ye)可以用多步(bu)差(cha)(cha)分處理，可根據現場應用效(xiao)果(guo)進(jin)行調試。
通(tong)過式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計算出(chu)檢(jian)(jian)測信(xin)號(hao)的各階差分(fen)輸出(chu)量(liang)，并可利(li)用檢(jian)(jian)測量(liang)和差分(fen)輸出(chu)量(liang)來構建評判(pan)指標(biao)，而不是(shi)僅在檢(jian)(jian)測信(xin)號(hao)波(bo)形(xing)上尋求解決方案，從而可有效地避免缺(que)陷其他形(xing)態(tai)特征對內、外(wai)部(bu)缺(que)陷區分(fen)的影響。
數字信號(hao)差(cha)分處理(li)可以通(tong)過軟件算法實(shi)現(xian)，其僅(jin)對原始(shi)采樣數據進(jin)行差(cha)分處理(li)即(ji)可實(shi)現(xian)在役漏磁檢測(ce)設備的(de)性能提升，而無須對檢測(ce)探頭及信號(hao)采集系統做任何硬件修改，具(ju)有重要的(de)實(shi)際(ji)應(ying)用價值。
三(san)、內、外部缺陷(xian)檢(jian)測信號的(de)數(shu)字差分處(chu)理
差(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)既(ji)然可(ke)以起(qi)到頻率成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)析取作用，那么可(ke)以進一(yi)步理(li)解(jie)為(wei)(wei)：具有不(bu)同頻率成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)內(nei)、外(wai)部缺陷檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)對差(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)的(de)(de)(de)響應(ying)輸(shu)出(chu)量(liang)也會不(bu)同；再(zai)者(zhe)，由于檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)差(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程在本(ben)質上是(shi)對檢(jian)測(ce)數據沿掃查路(lu)徑變化趨勢(shi)的(de)(de)(de)定量(liang)描述(shu)，如果將時域檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)數據視為(wei)(wei)可(ke)見的(de)(de)(de)位(wei)(wei)移量(liang)，則一(yi)階差(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程更傾(qing)向(xiang)于描述(shu)這種位(wei)(wei)移量(liang)的(de)(de)(de)變化特(te)征，即速度信(xin)息(xi)；不(bu)難理(li)解(jie)，進一(yi)步的(de)(de)(de)二階差(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)不(bu)妨視為(wei)(wei)對這種位(wei)(wei)移量(liang)的(de)(de)(de)加(jia)速度信(xin)息(xi)的(de)(de)(de)提(ti)取，而加(jia)速度更傾(qing)向(xiang)于描述(shu)或體現出(chu)事(shi)物的(de)(de)(de)本(ben)質特(te)征。利用二階差(cha)(cha)分(fen)輸(shu)出(chu)量(liang)與信(xin)號(hao)源進行(xing)特(te)征參(can)數的(de)(de)(de)參(can)照對比，可(ke)發現內(nei)、外(wai)部缺陷產生的(de)(de)(de)漏磁信(xin)號(hao)源在差(cha)(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程中的(de)(de)(de)差(cha)(cha)異(yi)。
1. 刻(ke)槽內(nei)、外位置區(qu)分(fen)
下面對不同位置刻槽(cao)檢測(ce)(ce)(ce)信號進行差分(fen)處理，研究缺陷的(de)(de)位置特征與二階(jie)(jie)差分(fen)輸出量之間的(de)(de)關(guan)聯性(xing)。以外徑為(wei)(wei)88.9mm、壁厚為(wei)(wei)9.35mm的(de)(de)鋼(gang)(gang)管(guan)作(zuo)為(wei)(wei)試(shi)件(jian)(jian)，采用電(dian)火(huo)花(hua)加工方法(fa)，分(fen)別在鋼(gang)(gang)管(guan)內、外壁刻制不同深(shen)度的(de)(de)周(zhou)向刻槽(cao)。同樣，選(xuan)用集成霍(huo)爾元(yuan)件(jian)(jian)UGN-3505作(zuo)為(wei)(wei)磁(ci)敏(min)感元(yuan)件(jian)(jian)，以0.5mm提(ti)離距離封(feng)裝于(yu)檢測(ce)(ce)(ce)探頭內部(bu)，拾取漏磁(ci)場的(de)(de)法(fa)向分(fen)量。試(shi)驗過程中，保證探頭掃查(cha)速度恒定不變，檢測(ce)(ce)(ce)信號及二階(jie)(jie)差分(fen)輸出如圖4-22所示。
從圖(tu)4-22中(zhong)可(ke)以看(kan)出(chu)，對檢測(ce)數(shu)據進行后向二階(jie)差(cha)(cha)分處理，可(ke)以使(shi)得差(cha)(cha)分輸出(chu)量在波形(xing)上類似于原始檢測(ce)信(xin)號(hao)波形(xing)，相(xiang)鄰波峰(feng)(feng)與(yu)波谷之(zhi)間(jian)出(chu)現位置互(hu)換。分析檢測(ce)信(xin)號(hao)與(yu)二階(jie)差(cha)(cha)分輸出(chu)量之(zhi)間(jian)的(de)(de)關系(xi)時，重點觀察兩者峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值這一特征參數(shu)的(de)(de)變化情況。為便于論述評判(pan)(x)z4指(zhi)標的(de)(de)構建(jian)過程，缺陷的(de)(de)檢測(ce)信(xin)號(hao)與(yu)二階(jie)差(cha)(cha)分輸出(chu)量分別記為V°(x)和。通(tong)過比較(jiao)Vo(x)zA（x）和峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值來構建(jian)評判(pan)指(zhi)標，即
分析(xi)表(biao)4-7中的數據可(ke)以(yi)發現，內、外部缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)(xian)評(ping)判(pan)(pan)指標βa的量(liang)值差(cha)異較(jiao)大，因此，可(ke)以(yi)通過(guo)(guo)設(she)定合理的區(qu)分門(men)限來達到區(qu)分內、外部缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)(xian)的目的，而且缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)(xian)深度(du)對評(ping)判(pan)(pan)指標βa的影響較(jiao)小，不會(hui)因為缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)(xian)的深度(du)過(guo)(guo)大或是(shi)過(guo)(guo)小產(chan)生評(ping)判(pan)(pan)失效。
2. 不通孔內、外位置區分
下面進(jin)一步討論數字信號差分方法(fa)在(zai)不(bu)通孔缺陷(xian)(xian)上(shang)的(de)適用性。仍然選用鋼(gang)管作為(wei)(wei)試件(jian)，外徑為(wei)(wei)88.9mm，壁厚為(wei)(wei)9.35mm，并(bing)在(zai)鋼(gang)管上(shang)加工(gong)各類不(bu)通孔缺陷(xian)(xian)。檢測探頭采用集成霍爾元件(jian)UGN-3503作為(wei)(wei)磁敏感元件(jian)進(jin)行(xing)封裝，實際提離距離為(wei)(wei)0.5mm，拾取(qu)漏磁場的(de)法(fa)向分量(liang)Va(x)，檢測信號及二(er)階差分輸出如圖4-23所示。
根據式（4-8）計算評(ping)判(pan)(pan)指標(biao)βa，見表4-8。可以發現，對于不同位置(zhi)和(he)形狀(zhuang)的不通孔缺(que)陷，β。仍可作為評(ping)判(pan)(pan)指標(biao)來區分和(he)識(shi)(shi)別缺(que)陷的位置(zhi)特征。由于該評(ping)判(pan)(pan)指標(biao)是(shi)對時(shi)域檢測信號與(yu)其(qi)二階差分輸出(chu)量之間進(jin)行(xing)(xing)對比，而(er)不是(shi)僅僅對信號的波形特征進(jin)行(xing)(xing)信息(xi)提取，因此保證了評(ping)判(pan)(pan)方法對具有不同形態(tai)特征的缺(que)陷仍然具有良好的位置(zhi)特征識(shi)(shi)別能(neng)力。
3. 斜向裂(lie)紋內、外位(wei)置區分
不銹鋼管(guan)(guan)(guan)在(zai)生(sheng)產和使用過程中(zhong)，當受到復雜載荷的作用時，往往會在(zai)內、外管(guan)(guan)(guan)壁出現(xian)與鋼管(guan)(guan)(guan)軸向(xiang)(xiang)處于既非(fei)垂直(zhi)、也非(fei)平行的斜向(xiang)(xiang)裂(lie)紋。下(xia)面討(tao)論數字(zi)信號差(cha)分方法在(zai)斜向(xiang)(xiang)裂(lie)紋上的適(shi)用性。
在不銹鋼管內(nei)(nei)、外表面上用電火花方(fang)(fang)法加(jia)工斜(xie)向(xiang)刻槽(cao)，刻槽(cao)相對于管材軸向(xiang)方(fang)(fang)向(xiang)傾斜(xie)45°，深度分別為(wei)1.0mm（外部(bu)(bu)缺陷(xian)），3.0mm（內(nei)(nei)部(bu)(bu)缺陷(xian)），寬度均為(wei)0.5mm；鋼管直(zhi)線前進，磁化(hua)器仍然選用直(zhi)流磁化(hua)線圈，斜(xie)向(xiang)缺陷(xian)的檢測信(xin)號及二階差分輸出如(ru)圖4-24所示。
利用式(shi)（4-8）計算評判(pan)指(zhi)標βd，見表4-9。可以(yi)發(fa)現，通(tong)過設定區(qu)(qu)分(fen)門限（如βr-d=0.2）可以(yi)有效區(qu)(qu)分(fen)斜向(xiang)裂紋的位置特征。
從表4-9中可以看出，評判指(zhi)標βa適(shi)應性較(jiao)好(hao)，受缺陷的其他形態特征(zheng)影響較(jiao)小，如缺陷的形狀、深(shen)度(du)和走向(xiang)等，可對各種內、外部(bu)缺陷進行有(you)效的區分。
上(shang)述試(shi)驗(yan)過程中，評判指(zhi)標的(de)構(gou)(gou)建是基(ji)于(x)。4檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)與其二(er)階(jie)差分輸出量之(zhi)間(x)4的(de)相似特征參(can)數（即峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值(zhi)），區分流程如圖(tu)4-25所示。由于該(gai)評判指(zhi)標的(de)構(gou)(gou)建過程僅(jin)僅(jin)是對(dui)常規漏磁檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)進行算(suan)法上(shang)的(de)處理，對(dui)檢(jian)(jian)測硬件未加任(ren)何改(gai)動，因此在傳統漏磁檢(jian)(jian)測設備(bei)上(shang)可方(fang)便地添加內、外部缺陷區分功(gong)能，有效升級傳統漏磁設備(bei)的(de)檢(jian)(jian)測功(gong)能。
