不銹(xiu)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、漏磁場的正(zheng)交分量
漏(lou)磁(ci)場(chang)具有矢量特(te)性，當采用霍爾元(yuan)(yuan)件作為(wei)磁(ci)敏(min)感(gan)元(yuan)(yuan)件時(shi)，通過設計元(yuan)(yuan)件的(de)布(bu)置(zhi)方(fang)向，可以(yi)獲得(de)漏(lou)磁(ci)場(chang)的(de)兩個相互正(zheng)交(jiao)的(de)分(fen)(fen)量，即法向分(fen)(fen)量Vn(x)與切向分(fen)(fen)量V1(x)）。沿(yan)著檢(jian)測(ce)探頭的(de)掃查軌跡方(fang)向，在與檢(jian)測(ce)表面(mian)垂(chui)直的(de)平面(mian)內觀察，可以(yi)將三維(wei)空(kong)間(jian)場(chang)簡(jian)化(hua)為(wei)二維(wei)場(chang)，進一步可分(fen)(fen)別研(yan)究(jiu)漏(lou)磁(ci)場(chang)法向分(fen)(fen)量Vn（x）與切向分(fen)(fen)量VV1(x)）的(de)分(fen)(fen)布(bu)情(qing)況，這樣可以(yi)完備描(miao)述漏(lou)磁(ci)場(chang)的(de)矢量分(fen)(fen)布(bu)特(te)征。而單方(fang)面(mian)考察一個分(fen)(fen)量常常不足以(yi)對漏(lou)磁(ci)場(chang)進行準(zhun)確、充分(fen)(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(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。
如果單獨利用切向或法(fa)(fa)向分(fen)量的(de)檢(jian)(jian)測(ce)信號波形(xing)特征對缺(que)陷(xian)(xian)形(xing)態進(jin)行(xing)評判，則丟(diu)失了兩者關聯性對缺(que)陷(xian)(xian)評判的(de)作用，為此，必須(xu)綜(zong)合利用內、外部缺(que)陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)測(ce)信號的(de)切向分(fen)量與法(fa)(fa)向分(fen)量。從漏磁(ci)檢(jian)(jian)測(ce)拾取本質過程來看，通(tong)過多元(yuan)件(jian)布(bu)置(zhi)不可能在(zai)空(kong)間(jian)某(mou)一(yi)點對漏磁(ci)場(chang)進(jin)行(xing)各分(fen)量信息的(de)同步拾取，因為多個(ge)磁(ci)敏(min)感元(yuan)件(jian)所處的(de)空(kong)間(jian)檢(jian)(jian)測(ce)點并不能完全重(zhong)合，而(er)且(qie)會增加傳感器(qi)系統(tong)的(de)復(fu)雜性。因此，通(tong)過精(jing)確構造(zao)能夠拾取漏磁(ci)場(chang)正交(jiao)(jiao)分(fen)量的(de)辦法(fa)(fa)比(bi)較(jiao)困難。這里介紹一(yi)種(zhong)正交(jiao)(jiao)變換(huan)的(de)方法(fa)(fa)，可對檢(jian)(jian)測(ce)信號本身進(jin)行(xing)特征考察。
差分處理(li)是正(zheng)交變換的一(yi)(yi)種，從(cong)差分處理(li)的功能來(lai)看，對(dui)缺陷漏磁(ci)場某(mou)一(yi)(yi)分量檢測(ce)信號進行二階(jie)差分處理(li)之后，可以得(de)(de)到與(yu)原始(shi)檢測(ce)信號近似映(ying)像關(guan)系的輸出量，從(cong)而(er)使得(de)(de)兩(liang)者(zhe)在波形特征上(shang)具有了可參(can)照、可對(dui)比的特征參(can)數，如峰-峰值。這樣一(yi)(yi)來(lai)，可以提取同一(yi)(yi)檢測(ce)點的空(kong)間多維度信息，并保證了信息量均(jun)來(lai)源于同一(yi)(yi)空(kong)間檢測(ce)點。
二、數字信號的差(cha)分處(chu)理分析
缺陷(xian)產(chan)生的漏磁(ci)檢測(ce)信號(hao)是一種(zhong)有限的數(shu)值序列，它反映著檢測(ce)空間(jian)內漏磁(ci)場強度沿著掃(sao)查(cha)路徑(jing)方(fang)向上的變化(hua)情況，間(jian)接反映了(le)缺陷(xian)的形(xing)(xing)態(tai)特征。以檢測(ce)路徑(jing)x為(wei)自變量(liang)，以采(cai)樣點(dian)(dian)得(de)到的物(wu)理量(liang)具體(ti)數(shu)值為(wei)縱坐標，按各(ge)空間(jian)點(dian)(dian)的檢測(ce)順序排列起來，在顯示設備上形(xing)(xing)成可用于分析(xi)的信號(hao)波形(xing)(xing)。
實際上，數字信號(hao)(hao)處(chu)理技術被(bei)廣泛應(ying)(ying)用于檢測信號(hao)(hao)的(de)(de)模式識別。部分(fen)研(yan)究人員采用投(tou)影算法，在(zai)不(bu)增加(jia)分(fen)析軟件計算量的(de)(de)同(tong)時，提(ti)高了漏磁檢測的(de)(de)信噪比(bi)，初步實現了同(tong)類型缺陷的(de)(de)位置特(te)征識別。但從本質來看(kan)，該方法仍未脫離根據(ju)信號(hao)(hao)波形特(te)征進(jin)行類型劃分(fen)的(de)(de)范疇(chou)，容易受到其他因素的(de)(de)干擾(rao)，對形態特(te)征隨(sui)機性較強的(de)(de)自然缺陷適應(ying)(ying)性較差。
對(dui)時域離(li)散信(xin)號(hao)(hao)進行數字差分(fen)處(chu)理，可(ke)以(yi)有效地(di)消去檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)中的(de)(de)趨勢項，提高(gao)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)噪比(bi)。由于內(nei)(nei)、外部(bu)(bu)缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)頻率(lv)段不(bu)同(tong)，部(bu)(bu)分(fen)學者提出對(dui)模(mo)擬檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)采用一階差分(fen)處(chu)理的(de)(de)方法(fa)，經過(guo)差分(fen)處(chu)理之(zhi)后的(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)波形可(ke)以(yi)提高(gao)內(nei)(nei)、外部(bu)(bu)缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)差異程度(du)。但(dan)其評判(pan)規則仍是(shi)以(yi)內(nei)(nei)、外部(bu)(bu)缺(que)(que)陷(xian)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)波形特(te)征(zheng)為依據的(de)(de)，只不(bu)過(guo)用于對(dui)比(bi)的(de)(de)波形是(shi)經過(guo)一次差分(fen)處(chu)理之(zhi)后得(de)到的(de)(de)，雖然提高(gao)了檢(jian)測信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)噪比(bi)，但(dan)對(dui)于缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)深度(du)、形狀以(yi)及走(zou)向等(deng)形態特(te)征(zheng)不(bu)一致的(de)(de)情況(kuang)，該方法(fa)適應性欠佳。
隨著差(cha)分(fen)(fen)(fen)階(jie)數的(de)(de)(de)提(ti)高，考慮(lv)到差(cha)分(fen)(fen)(fen)過程中的(de)(de)(de)累積誤差(cha)，采用后向差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)理。用x°(h)表(biao)(biao)示離散采樣信號序列(lie)，用（h）表(biao)(biao)示采樣信號經過一(yi)階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)后的(de)(de)(de)數字序列(lie)，x2(k)）表(biao)(biao)示經過9二階(jie)差(cha)分(fen)(fen)(fen)后的(de)(de)(de)數字序列(lie)，為(wei)簡化計算，步(bu)長(chang)取1，也即向后一(yi)步(bu)差(cha)分(fen)(fen)(fen)。從信號處(chu)理效(xiao)果出發，也可以(yi)用多步(bu)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處(chu)理，可根據(ju)現(xian)場應用效(xiao)果進(jin)行(xing)調(diao)試(shi)。
通過式（4-4)～式（4-7）可計算(suan)出檢測(ce)信號的各階差分輸出量(liang)，并可利(li)用檢測(ce)量(liang)和差分輸出量(liang)來構(gou)建評判指標，而(er)不是僅(jin)在檢測(ce)信號波(bo)形(xing)上尋求解決方(fang)案，從而(er)可有效地避(bi)免(mian)缺陷(xian)其他(ta)形(xing)態特(te)征對內、外部缺陷(xian)區分的影響。
數字信(xin)號(hao)差分處理可以(yi)通過軟件(jian)算(suan)法實(shi)現，其僅對原始采樣數據進行差分處理即可實(shi)現在役漏磁(ci)檢(jian)測設備的(de)性(xing)能提升，而無(wu)須對檢(jian)測探頭及信(xin)號(hao)采集(ji)系(xi)統(tong)做任(ren)何硬件(jian)修(xiu)改，具有重要的(de)實(shi)際(ji)應用價值(zhi)。
三、內、外部缺陷檢測(ce)信號的數字差(cha)分處理
差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)既然可(ke)以起到頻率成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)析取(qu)(qu)作用(yong)，那(nei)么可(ke)以進一步理(li)解為(wei)：具有不(bu)(bu)同(tong)頻率成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)內、外部(bu)缺陷檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)號對(dui)(dui)差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)的(de)(de)(de)響應輸(shu)出量(liang)也會不(bu)(bu)同(tong)；再者(zhe)，由于檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)過(guo)(guo)(guo)程在本質上是對(dui)(dui)檢測(ce)數據(ju)沿掃查路徑變(bian)化趨勢(shi)的(de)(de)(de)定量(liang)描述(shu)，如果將時(shi)域檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)號數據(ju)視為(wei)可(ke)見的(de)(de)(de)位(wei)移(yi)量(liang)，則一階差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)過(guo)(guo)(guo)程更傾向于描述(shu)這(zhe)種(zhong)位(wei)移(yi)量(liang)的(de)(de)(de)變(bian)化特(te)(te)征(zheng)，即速度(du)信(xin)(xin)(xin)息(xi)；不(bu)(bu)難理(li)解，進一步的(de)(de)(de)二(er)階差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)不(bu)(bu)妨視為(wei)對(dui)(dui)這(zhe)種(zhong)位(wei)移(yi)量(liang)的(de)(de)(de)加速度(du)信(xin)(xin)(xin)息(xi)的(de)(de)(de)提(ti)取(qu)(qu)，而加速度(du)更傾向于描述(shu)或體現(xian)出事物的(de)(de)(de)本質特(te)(te)征(zheng)。利用(yong)二(er)階差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)輸(shu)出量(liang)與信(xin)(xin)(xin)號源(yuan)進行特(te)(te)征(zheng)參(can)數的(de)(de)(de)參(can)照對(dui)(dui)比，可(ke)發現(xian)內、外部(bu)缺陷產(chan)生的(de)(de)(de)漏磁信(xin)(xin)(xin)號源(yuan)在差(cha)(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)(fen)處(chu)(chu)理(li)過(guo)(guo)(guo)程中的(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分
下面對不(bu)同(tong)(tong)位置(zhi)刻槽(cao)檢(jian)測(ce)信號進(jin)行差(cha)分處理，研究(jiu)缺陷(xian)的(de)(de)位置(zhi)特(te)征(zheng)與二(er)階差(cha)分輸出量之間的(de)(de)關聯性。以外(wai)徑為(wei)88.9mm、壁(bi)厚為(wei)9.35mm的(de)(de)鋼(gang)管作(zuo)為(wei)試(shi)件，采用電火花加工(gong)方法，分別在鋼(gang)管內、外(wai)壁(bi)刻制不(bu)同(tong)(tong)深度的(de)(de)周向刻槽(cao)。同(tong)(tong)樣，選用集成(cheng)霍爾(er)元(yuan)件UGN-3505作(zuo)為(wei)磁敏感元(yuan)件，以0.5mm提離距離封裝于檢(jian)測(ce)探頭(tou)內部，拾(shi)取(qu)漏磁場的(de)(de)法向分量。試(shi)驗過程中，保證(zheng)探頭(tou)掃查(cha)速度恒定(ding)不(bu)變，檢(jian)測(ce)信號及二(er)階差(cha)分輸出如圖4-22所示。
從圖4-22中可(ke)以(yi)看出，對檢(jian)測(ce)數據進行后向二(er)階差(cha)分(fen)(fen)處理，可(ke)以(yi)使(shi)得(de)差(cha)分(fen)(fen)輸(shu)出量(liang)(liang)在波形上類似(si)于原始檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)波形，相鄰波峰與(yu)波谷之間出現位置互(hu)換。分(fen)(fen)析檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)與(yu)二(er)階差(cha)分(fen)(fen)輸(shu)出量(liang)(liang)之間的(de)(de)關系時，重點觀察(cha)兩者峰-峰值這一特征參數的(de)(de)變化情況。為便于論述(shu)評判(x)z4指標的(de)(de)構建(jian)過程，缺陷的(de)(de)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)與(yu)二(er)階差(cha)分(fen)(fen)輸(shu)出量(liang)(liang)分(fen)(fen)別記(ji)為V°(x)和(he)。通(tong)過比較(jiao)Vo(x)zA（x）和(he)峰-峰值來構建(jian)評判指標，即
分(fen)析表4-7中的數(shu)據可(ke)以發(fa)現，內、外部(bu)缺(que)(que)(que)陷(xian)評判(pan)指標βa的量值(zhi)差(cha)異較大，因此，可(ke)以通(tong)過設定合理的區(qu)(qu)分(fen)門(men)限來達(da)到區(qu)(qu)分(fen)內、外部(bu)缺(que)(que)(que)陷(xian)的目的，而且缺(que)(que)(que)陷(xian)深度對評判(pan)指標βa的影響較小(xiao)，不會因為缺(que)(que)(que)陷(xian)的深度過大或是過小(xiao)產生(sheng)評判(pan)失效。
2. 不通孔內、外位置區(qu)分
下(xia)面進一步討(tao)論數字信(xin)號差分方(fang)法在不通孔缺(que)陷上的(de)適用性。仍然選(xuan)用鋼管(guan)作為(wei)(wei)試件，外(wai)徑為(wei)(wei)88.9mm，壁(bi)厚(hou)為(wei)(wei)9.35mm，并在鋼管(guan)上加工(gong)各類不通孔缺(que)陷。檢(jian)測探(tan)頭采用集成霍爾元件UGN-3503作為(wei)(wei)磁敏感元件進行封(feng)裝，實(shi)際提(ti)離(li)距離(li)為(wei)(wei)0.5mm，拾取(qu)漏磁場的(de)法向(xiang)分量Va(x)，檢(jian)測信(xin)號及二(er)階差分輸出如圖4-23所示。
根據(ju)式（4-8）計(ji)算(suan)評(ping)判指(zhi)(zhi)標(biao)βa，見表4-8。可以發現，對(dui)于不同(tong)位(wei)置和(he)形(xing)狀的(de)不通孔缺陷，β。仍(reng)可作為評(ping)判指(zhi)(zhi)標(biao)來區分和(he)識(shi)別(bie)缺陷的(de)位(wei)置特征。由于該評(ping)判指(zhi)(zhi)標(biao)是對(dui)時域檢測信號(hao)與(yu)其二(er)階差分輸出量之間進行對(dui)比，而不是僅(jin)僅(jin)對(dui)信號(hao)的(de)波形(xing)特征進行信息(xi)提取(qu)，因此保(bao)證了評(ping)判方法(fa)對(dui)具有不同(tong)形(xing)態(tai)特征的(de)缺陷仍(reng)然具有良好(hao)的(de)位(wei)置特征識(shi)別(bie)能(neng)力。
3. 斜向裂紋內、外位置區(qu)分
不銹鋼管在生產和使用(yong)過程中，當受到復雜載荷的(de)作用(yong)時，往往會在內(nei)、外(wai)管壁(bi)出現與鋼管軸向(xiang)處(chu)于既非垂直、也非平行(xing)的(de)斜(xie)向(xiang)裂紋(wen)。下面討論數字信(xin)號差分方法在斜(xie)向(xiang)裂紋(wen)上(shang)的(de)適用(yong)性。
在不銹鋼(gang)管內、外(wai)表(biao)面上用(yong)(yong)電火(huo)花(hua)方法加工斜向(xiang)刻槽，刻槽相對于管材軸向(xiang)方向(xiang)傾斜45°，深度(du)(du)分別為1.0mm（外(wai)部缺(que)陷），3.0mm（內部缺(que)陷），寬度(du)(du)均為0.5mm；鋼(gang)管直線前進(jin)，磁(ci)化(hua)器仍然(ran)選用(yong)(yong)直流磁(ci)化(hua)線圈，斜向(xiang)缺(que)陷的(de)檢測信號及二階差分輸出如圖4-24所示(shi)。
利(li)用式（4-8）計算評判指標βd，見表4-9。可(ke)以發現，通過設定區分門限（如βr-d=0.2）可(ke)以有效區分斜(xie)向裂紋(wen)的位置特征(zheng)。
從表(biao)4-9中可以看出，評(ping)判指標βa適應性(xing)較好，受缺陷(xian)(xian)的其他(ta)形態特征影響較小，如缺陷(xian)(xian)的形狀、深度和走(zou)向等，可對各種內、外部缺陷(xian)(xian)進行有效的區分。
上述試驗過程(cheng)中，評判指(zhi)(zhi)標(biao)的(de)構建是(shi)基于(yu)(x)。4檢(jian)測信號與(yu)其二階差分輸出(chu)量之間(x)4的(de)相似特征(zheng)參數(shu)（即峰-峰值），區(qu)分流程(cheng)如圖(tu)4-25所示。由于(yu)該評判指(zhi)(zhi)標(biao)的(de)構建過程(cheng)僅(jin)僅(jin)是(shi)對常(chang)規漏(lou)磁檢(jian)測信號進行算法上的(de)處理，對檢(jian)測硬(ying)件未加任何(he)改動，因此(ci)在傳統漏(lou)磁檢(jian)測設備上可方便地添加內、外(wai)部缺陷區(qu)分功(gong)能(neng)，有(you)效升級傳統漏(lou)磁設備的(de)檢(jian)測功(gong)能(neng)。
