不(bu)銹鋼(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、漏(lou)磁場(chang)的正交分(fen)量
漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁場具有矢(shi)量(liang)特性，當(dang)采(cai)用霍(huo)爾(er)元件(jian)作為(wei)磁敏(min)感元件(jian)時，通過設(she)計元件(jian)的(de)(de)布置(zhi)方(fang)向，可(ke)以(yi)(yi)獲得漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁場的(de)(de)兩個相互(hu)正(zheng)交的(de)(de)分(fen)(fen)量(liang)，即(ji)法(fa)向分(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與(yu)切向分(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿(yan)著檢(jian)測探(tan)頭的(de)(de)掃查(cha)軌跡方(fang)向，在與(yu)檢(jian)測表(biao)面(mian)垂直的(de)(de)平面(mian)內觀(guan)察，可(ke)以(yi)(yi)將三維空間(jian)場簡(jian)化(hua)為(wei)二維場，進一步可(ke)分(fen)(fen)別研究漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁場法(fa)向分(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與(yu)切向分(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的(de)(de)分(fen)(fen)布情況，這樣(yang)可(ke)以(yi)(yi)完備(bei)描述漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁場的(de)(de)矢(shi)量(liang)分(fen)(fen)布特征。而單方(fang)面(mian)考察一個分(fen)(fen)量(liang)常常不足以(yi)(yi)對漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁場進行(xing)準確(que)、充分(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，分別檢測不銹鋼管(guan)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(li)用(yong)切向(xiang)或法(fa)向(xiang)分(fen)量的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)信號波(bo)形(xing)特(te)征對缺(que)陷形(xing)態進行評判(pan)(pan)，則丟失了(le)兩者(zhe)關(guan)聯(lian)性對缺(que)陷評判(pan)(pan)的(de)(de)(de)作用(yong)，為此(ci)，必須綜合利(li)用(yong)內、外部缺(que)陷檢(jian)測(ce)信號的(de)(de)(de)切向(xiang)分(fen)量與(yu)法(fa)向(xiang)分(fen)量。從漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)拾(shi)取本(ben)質(zhi)過(guo)程來看(kan)，通(tong)過(guo)多(duo)元件布置不可能(neng)在空間(jian)某一(yi)點對漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)進行各分(fen)量信息的(de)(de)(de)同步拾(shi)取，因為多(duo)個磁(ci)(ci)敏感(gan)元件所(suo)處的(de)(de)(de)空間(jian)檢(jian)測(ce)點并不能(neng)完全(quan)重合，而且會(hui)增加傳感(gan)器系統(tong)的(de)(de)(de)復(fu)雜性。因此(ci)，通(tong)過(guo)精(jing)確構造能(neng)夠拾(shi)取漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)正(zheng)交分(fen)量的(de)(de)(de)辦法(fa)比較(jiao)困(kun)難。這里介(jie)紹一(yi)種正(zheng)交變換的(de)(de)(de)方法(fa)，可對檢(jian)測(ce)信號本(ben)身進行特(te)征考察。
差(cha)(cha)分處理是(shi)正交變換(huan)的(de)(de)一種，從差(cha)(cha)分處理的(de)(de)功能來看，對缺陷漏磁場某一分量(liang)檢測信(xin)號進(jin)行二階差(cha)(cha)分處理之后，可(ke)以(yi)得到(dao)與原(yuan)始檢測信(xin)號近似映像關(guan)系的(de)(de)輸出量(liang)，從而使得兩者在(zai)波(bo)形(xing)特征上具有了可(ke)參(can)照(zhao)、可(ke)對比的(de)(de)特征參(can)數，如峰(feng)-峰(feng)值。這樣一來，可(ke)以(yi)提(ti)取同(tong)一檢測點(dian)的(de)(de)空間多維度信(xin)息(xi)，并保(bao)證了信(xin)息(xi)量(liang)均來源于(yu)同(tong)一空間檢測點(dian)。
二、數字信號的差(cha)分處理分析
缺陷產生的漏磁檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)是一種有限(xian)的數值序(xu)列(lie)，它反映著檢(jian)測(ce)空間內漏磁場(chang)強度沿著掃查(cha)路徑方向(xiang)上的變化(hua)情況，間接反映了缺陷的形態(tai)特征。以(yi)檢(jian)測(ce)路徑x為自變量(liang)，以(yi)采樣點得到的物(wu)理(li)量(liang)具體數值為縱坐標，按各空間點的檢(jian)測(ce)順序(xu)排列(lie)起來，在顯示設備上形成可用于分析的信(xin)號(hao)波(bo)形。
實際(ji)上(shang)，數字信(xin)(xin)(xin)號處理(li)技術(shu)被廣泛應用(yong)于檢(jian)測信(xin)(xin)(xin)號的模(mo)式識別。部分(fen)研究人員采用(yong)投(tou)影(ying)算法(fa)，在不增(zeng)加分(fen)析(xi)軟件計算量(liang)的同時，提高了漏磁(ci)檢(jian)測的信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)，初步(bu)實現了同類型缺(que)陷的位置特(te)征(zheng)識別。但從本質來看，該(gai)方(fang)法(fa)仍未(wei)脫(tuo)離根據信(xin)(xin)(xin)號波(bo)形特(te)征(zheng)進行類型劃(hua)分(fen)的范疇(chou)，容(rong)易(yi)受到其他因素的干(gan)擾，對形態特(te)征(zheng)隨機性較強的自(zi)然缺(que)陷適應性較差。
對時域(yu)離散(san)信(xin)號(hao)(hao)(hao)進行數字(zi)差(cha)分(fen)處理(li)，可以(yi)有效地消去(qu)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)項，提高(gao)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)。由于內(nei)、外(wai)部缺陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)頻率段不同，部分(fen)學(xue)者(zhe)提出(chu)對模擬檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)采用一(yi)階差(cha)分(fen)處理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法，經過(guo)差(cha)分(fen)處理(li)之后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)(hao)波(bo)(bo)形(xing)可以(yi)提高(gao)內(nei)、外(wai)部缺陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)異程(cheng)度。但其評判規(gui)則仍是以(yi)內(nei)、外(wai)部缺陷(xian)(xian)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)形(xing)特征為(wei)依據的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，只不過(guo)用于對比(bi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)形(xing)是經過(guo)一(yi)次(ci)差(cha)分(fen)處理(li)之后得到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，雖然提高(gao)了檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)，但對于缺陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)深(shen)度、形(xing)狀以(yi)及(ji)走向等形(xing)態特征不一(yi)致的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況，該方法適應性欠(qian)佳。
隨著差(cha)分(fen)階數的(de)提高，考慮到差(cha)分(fen)過程中(zhong)的(de)累(lei)積誤差(cha)，采(cai)(cai)用(yong)后向(xiang)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)。用(yong)x°(h)表示離散采(cai)(cai)樣信號序列，用(yong)（h）表示采(cai)(cai)樣信號經(jing)過一階差(cha)分(fen)后的(de)數字序列，x2(k)）表示經(jing)過9二階差(cha)分(fen)后的(de)數字序列，為(wei)簡化計算，步(bu)長取(qu)1，也即(ji)向(xiang)后一步(bu)差(cha)分(fen)。從信號處(chu)理(li)效果(guo)出(chu)發，也可以用(yong)多步(bu)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)，可根據現場應用(yong)效果(guo)進(jin)行(xing)調試。
通過式（4-4)～式（4-7）可計(ji)算出檢測(ce)信號的各階(jie)差分輸(shu)出量(liang)(liang)，并可利用(yong)檢測(ce)量(liang)(liang)和差分輸(shu)出量(liang)(liang)來構建評(ping)判指標(biao)，而不是僅(jin)在(zai)檢測(ce)信號波形上尋求解決方(fang)案，從而可有效地避免(mian)缺(que)陷(xian)其(qi)他形態特(te)征對內、外(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)區分的影響。
數字信號差(cha)分處理(li)可以通過軟件算法實現，其(qi)僅對原始采樣數據(ju)進行差(cha)分處理(li)即可實現在役漏磁檢(jian)測設備(bei)的(de)性能提(ti)升，而無須對檢(jian)測探頭及信號采集系統(tong)做任(ren)何硬件修改，具有(you)重要的(de)實際應(ying)用(yong)價值(zhi)。
三、內、外部缺陷檢(jian)測信號(hao)的數字(zi)差(cha)分(fen)處(chu)理
差(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)理(li)既然(ran)可以起到(dao)頻率成分(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)析取作(zuo)用(yong)(yong)，那么可以進一(yi)(yi)步(bu)(bu)理(li)解為：具有不(bu)同頻率成分(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)內、外(wai)部缺陷檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)對差(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)理(li)的(de)(de)(de)響應輸出量(liang)也會不(bu)同；再者，由于檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)差(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)理(li)過程(cheng)在本(ben)質(zhi)上是對檢測(ce)(ce)數(shu)據(ju)沿掃查(cha)路徑變(bian)化趨勢的(de)(de)(de)定量(liang)描(miao)述(shu)，如果(guo)將時域(yu)檢測(ce)(ce)信(xin)號(hao)數(shu)據(ju)視為可見的(de)(de)(de)位移量(liang)，則一(yi)(yi)階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)理(li)過程(cheng)更傾(qing)向于描(miao)述(shu)這種(zhong)位移量(liang)的(de)(de)(de)變(bian)化特征，即速(su)度(du)(du)信(xin)息；不(bu)難理(li)解，進一(yi)(yi)步(bu)(bu)的(de)(de)(de)二(er)(er)階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)理(li)不(bu)妨視為對這種(zhong)位移量(liang)的(de)(de)(de)加速(su)度(du)(du)信(xin)息的(de)(de)(de)提(ti)取，而(er)加速(su)度(du)(du)更傾(qing)向于描(miao)述(shu)或體(ti)現出事物的(de)(de)(de)本(ben)質(zhi)特征。利用(yong)(yong)二(er)(er)階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)輸出量(liang)與信(xin)號(hao)源進行特征參數(shu)的(de)(de)(de)參照對比，可發現內、外(wai)部缺陷產生的(de)(de)(de)漏磁信(xin)號(hao)源在差(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)理(li)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)差(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分
下面對不同位置刻槽檢測(ce)(ce)信號(hao)進行差分(fen)(fen)(fen)(fen)處理，研究缺陷的(de)位置特征(zheng)與二階(jie)差分(fen)(fen)(fen)(fen)輸出(chu)量(liang)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)聯性。以外(wai)徑為88.9mm、壁(bi)(bi)厚為9.35mm的(de)鋼管(guan)作為試件(jian)(jian)，采用(yong)(yong)電火花加工方法(fa)，分(fen)(fen)(fen)(fen)別在鋼管(guan)內(nei)(nei)、外(wai)壁(bi)(bi)刻制不同深度(du)的(de)周向(xiang)刻槽。同樣，選用(yong)(yong)集成(cheng)霍爾元件(jian)(jian)UGN-3505作為磁(ci)敏感元件(jian)(jian)，以0.5mm提離(li)距離(li)封裝于檢測(ce)(ce)探(tan)頭內(nei)(nei)部，拾取漏磁(ci)場的(de)法(fa)向(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)。試驗過程中，保證(zheng)探(tan)頭掃查速度(du)恒定不變，檢測(ce)(ce)信號(hao)及(ji)二階(jie)差分(fen)(fen)(fen)(fen)輸出(chu)如圖(tu)4-22所示。
從圖(tu)4-22中可(ke)(ke)以(yi)看出(chu)，對檢測(ce)數據進行后向(xiang)二(er)階差分(fen)處理(li)，可(ke)(ke)以(yi)使(shi)得差分(fen)輸(shu)出(chu)量在波(bo)(bo)形上類(lei)似于原始檢測(ce)信(xin)號(hao)波(bo)(bo)形，相鄰波(bo)(bo)峰(feng)與波(bo)(bo)谷之間(jian)(jian)出(chu)現(xian)位置(zhi)互換。分(fen)析檢測(ce)信(xin)號(hao)與二(er)階差分(fen)輸(shu)出(chu)量之間(jian)(jian)的關系時，重點觀察兩(liang)者峰(feng)-峰(feng)值這(zhe)一(yi)特(te)征參數的變化情況(kuang)。為便于論述(shu)評判(pan)(x)z4指標的構建過程，缺陷的檢測(ce)信(xin)號(hao)與二(er)階差分(fen)輸(shu)出(chu)量分(fen)別記為V°(x)和(he)。通過比較Vo(x)zA（x）和(he)峰(feng)-峰(feng)值來構建評判(pan)指標，即(ji)
分(fen)析表4-7中的(de)數據可(ke)以(yi)發(fa)現，內、外部缺陷評(ping)(ping)(ping)判指標(biao)βa的(de)量值(zhi)差(cha)異較(jiao)大，因(yin)此(ci)，可(ke)以(yi)通過(guo)設定合(he)理的(de)區分(fen)門限(xian)來達到區分(fen)內、外部缺陷的(de)目的(de)，而且缺陷深度對評(ping)(ping)(ping)判指標(biao)βa的(de)影響(xiang)較(jiao)小，不會因(yin)為缺陷的(de)深度過(guo)大或是過(guo)小產生(sheng)評(ping)(ping)(ping)判失效。
2. 不(bu)通孔內、外(wai)位置區分(fen)
下(xia)面進(jin)一步討論數字信號差(cha)分(fen)方法(fa)在不通孔缺(que)陷上(shang)的適用性。仍然選用鋼管作為試(shi)件，外(wai)徑為88.9mm，壁厚為9.35mm，并在鋼管上(shang)加(jia)工各類不通孔缺(que)陷。檢測(ce)探頭采用集成霍爾元(yuan)件UGN-3503作為磁(ci)敏(min)感元(yuan)件進(jin)行封(feng)裝(zhuang)，實際提離(li)距離(li)為0.5mm，拾取漏磁(ci)場的法(fa)向分(fen)量Va(x)，檢測(ce)信號及(ji)二(er)階差(cha)分(fen)輸出如圖(tu)4-23所示。
根據式（4-8）計算評(ping)判(pan)指標(biao)βa，見(jian)表4-8。可以發現，對(dui)(dui)于不(bu)(bu)(bu)同位(wei)置和形(xing)狀的不(bu)(bu)(bu)通孔(kong)缺陷(xian)(xian)，β。仍可作為評(ping)判(pan)指標(biao)來(lai)區分(fen)和識別缺陷(xian)(xian)的位(wei)置特(te)征。由于該(gai)評(ping)判(pan)指標(biao)是(shi)對(dui)(dui)時域檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號與(yu)其二階差分(fen)輸出量之(zhi)間進行(xing)對(dui)(dui)比，而不(bu)(bu)(bu)是(shi)僅僅對(dui)(dui)信(xin)(xin)號的波形(xing)特(te)征進行(xing)信(xin)(xin)息提取，因此保證(zheng)了評(ping)判(pan)方法對(dui)(dui)具有不(bu)(bu)(bu)同形(xing)態(tai)特(te)征的缺陷(xian)(xian)仍然具有良好的位(wei)置特(te)征識別能力。
3. 斜(xie)向裂紋內、外位置(zhi)區分
不銹鋼管在(zai)生產和使用(yong)過程中，當受到(dao)復雜載荷(he)的(de)作用(yong)時，往往會在(zai)內(nei)、外管壁出現與(yu)鋼管軸向(xiang)處于既(ji)非垂直、也非平(ping)行的(de)斜向(xiang)裂(lie)紋。下面討(tao)論數字信號差分方法在(zai)斜向(xiang)裂(lie)紋上的(de)適用(yong)性(xing)。
在不銹鋼管內(nei)、外表面上用電火(huo)花(hua)方法加(jia)工斜(xie)向刻槽(cao)，刻槽(cao)相對于管材軸(zhou)向方向傾斜(xie)45°，深度分(fen)別為1.0mm（外部缺陷(xian)(xian)），3.0mm（內(nei)部缺陷(xian)(xian)），寬度均為0.5mm；鋼管直線前進，磁化(hua)(hua)器仍然選用直流磁化(hua)(hua)線圈(quan)，斜(xie)向缺陷(xian)(xian)的檢測信(xin)號及(ji)二階差分(fen)輸出如圖4-24所示(shi)。
利(li)用式(shi)（4-8）計算評判指標βd，見表(biao)4-9。可以(yi)發現，通過(guo)設定區分門限（如(ru)βr-d=0.2）可以(yi)有效區分斜向裂紋的位置特征。
從(cong)表4-9中可以(yi)看出，評判(pan)指標βa適應性較(jiao)好，受缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)其他(ta)形態特(te)征影響較(jiao)小，如缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)形狀、深(shen)度和(he)走(zou)向等，可對各種內、外部缺(que)陷(xian)進(jin)行有效的(de)(de)(de)區分(fen)。
上(shang)述試(shi)驗過(guo)程(cheng)中，評判指標(biao)的(de)(de)(de)構(gou)建(jian)是(shi)基于(yu)(x)。4檢(jian)(jian)測信號(hao)與其二(er)階差分(fen)輸出量之(zhi)間(x)4的(de)(de)(de)相(xiang)似(si)特征(zheng)參數（即峰(feng)-峰(feng)值），區(qu)分(fen)流程(cheng)如圖(tu)4-25所示。由于(yu)該(gai)評判指標(biao)的(de)(de)(de)構(gou)建(jian)過(guo)程(cheng)僅僅是(shi)對(dui)(dui)常(chang)規漏(lou)磁檢(jian)(jian)測信號(hao)進行算法上(shang)的(de)(de)(de)處理，對(dui)(dui)檢(jian)(jian)測硬(ying)件(jian)未加任何改(gai)動(dong)，因此在傳統漏(lou)磁檢(jian)(jian)測設備上(shang)可方便地添(tian)加內、外部缺陷區(qu)分(fen)功能(neng)，有效升級傳統漏(lou)磁設備的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測功能(neng)。
