不(bu)銹(xiu)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、漏磁場的正交(jiao)分量
漏(lou)(lou)磁(ci)場具有矢(shi)量(liang)特(te)性(xing)，當采用(yong)霍爾(er)元(yuan)件(jian)作(zuo)為磁(ci)敏感元(yuan)件(jian)時(shi)，通過設計元(yuan)件(jian)的布(bu)置方向(xiang)，可(ke)以獲得漏(lou)(lou)磁(ci)場的兩個相互正交的分(fen)(fen)量(liang)，即法(fa)向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿著(zhu)檢(jian)測(ce)探(tan)頭(tou)的掃查軌跡方向(xiang)，在(zai)與(yu)檢(jian)測(ce)表面(mian)(mian)垂直的平面(mian)(mian)內觀察，可(ke)以將三維空間場簡化(hua)為二維場，進(jin)一步可(ke)分(fen)(fen)別研究漏(lou)(lou)磁(ci)場法(fa)向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的分(fen)(fen)布(bu)情況(kuang)，這樣(yang)可(ke)以完(wan)備描述(shu)漏(lou)(lou)磁(ci)場的矢(shi)量(liang)分(fen)(fen)布(bu)特(te)征。而單方面(mian)(mian)考(kao)察一個分(fen)(fen)量(liang)常常不足以對漏(lou)(lou)磁(ci)場進(jin)行準確、充(chong)分(fen)(fen)地描述(shu)。
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(xiu)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(qie)向或法向分(fen)量的(de)(de)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)波形特(te)征(zheng)對(dui)缺陷(xian)形態進(jin)行評(ping)判(pan)，則丟(diu)失了兩者關聯性對(dui)缺陷(xian)評(ping)判(pan)的(de)(de)作用，為此(ci)，必(bi)須綜合(he)利用內、外部缺陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)(de)切(qie)向分(fen)量與法向分(fen)量。從漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)拾取(qu)(qu)本(ben)質過程(cheng)來看，通過多元件布置不可能(neng)(neng)在空(kong)間(jian)某一點對(dui)漏(lou)磁(ci)(ci)場進(jin)行各分(fen)量信(xin)息的(de)(de)同步拾取(qu)(qu)，因(yin)為多個磁(ci)(ci)敏感元件所處的(de)(de)空(kong)間(jian)檢(jian)測(ce)點并不能(neng)(neng)完(wan)全重合(he)，而且(qie)會增加傳感器系統的(de)(de)復雜性。因(yin)此(ci)，通過精(jing)確構(gou)造能(neng)(neng)夠拾取(qu)(qu)漏(lou)磁(ci)(ci)場正交(jiao)(jiao)分(fen)量的(de)(de)辦法比較(jiao)困(kun)難。這里(li)介紹一種(zhong)正交(jiao)(jiao)變(bian)換的(de)(de)方法，可對(dui)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)本(ben)身進(jin)行特(te)征(zheng)考察。
差分處(chu)理(li)是正交變換的(de)一種(zhong)，從差分處(chu)理(li)的(de)功能來看，對缺陷(xian)漏磁場某一分量(liang)(liang)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號進行(xing)二階(jie)差分處(chu)理(li)之后，可以得到與原始檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號近似映像關系(xi)的(de)輸出量(liang)(liang)，從而使(shi)得兩者在波形特征(zheng)上具有了可參(can)照、可對比的(de)特征(zheng)參(can)數，如峰-峰值(zhi)。這樣(yang)一來，可以提取(qu)同一檢(jian)測(ce)(ce)點的(de)空(kong)間(jian)(jian)多維度(du)信(xin)息(xi)，并(bing)保證了信(xin)息(xi)量(liang)(liang)均來源于(yu)同一空(kong)間(jian)(jian)檢(jian)測(ce)(ce)點。
二(er)、數(shu)字信號(hao)的(de)差分處(chu)理分析
缺(que)陷產生(sheng)的(de)(de)漏磁檢(jian)測信(xin)號是一種(zhong)有(you)限(xian)的(de)(de)數值(zhi)序列(lie)，它反(fan)映著(zhu)(zhu)檢(jian)測空間(jian)內漏磁場強(qiang)度沿著(zhu)(zhu)掃查路徑(jing)方向上(shang)的(de)(de)變(bian)化情(qing)況，間(jian)接反(fan)映了缺(que)陷的(de)(de)形(xing)(xing)態(tai)特征。以(yi)(yi)檢(jian)測路徑(jing)x為自變(bian)量，以(yi)(yi)采樣(yang)點得到的(de)(de)物(wu)理(li)量具體(ti)數值(zhi)為縱坐標，按各(ge)空間(jian)點的(de)(de)檢(jian)測順序排(pai)列(lie)起來(lai)，在(zai)顯示設(she)備上(shang)形(xing)(xing)成可用于分析的(de)(de)信(xin)號波形(xing)(xing)。
實際上，數(shu)字(zi)信號(hao)處理技術(shu)被廣泛應用(yong)于(yu)檢(jian)測信號(hao)的(de)(de)模式識(shi)別(bie)。部分研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)采用(yong)投影算法(fa)，在(zai)不增加分析軟件計算量的(de)(de)同時，提高了(le)漏磁(ci)檢(jian)測的(de)(de)信噪比(bi)，初步實現了(le)同類型缺陷的(de)(de)位(wei)置(zhi)特征(zheng)(zheng)識(shi)別(bie)。但從(cong)本質來(lai)看，該方法(fa)仍未(wei)脫(tuo)離根(gen)據信號(hao)波形(xing)特征(zheng)(zheng)進行類型劃分的(de)(de)范疇，容易受到(dao)其他因素的(de)(de)干擾，對(dui)形(xing)態特征(zheng)(zheng)隨機性較強的(de)(de)自然缺陷適應性較差。
對時(shi)域離(li)散信(xin)號(hao)(hao)進行數字差(cha)(cha)(cha)分處理(li)，可(ke)以(yi)(yi)有效(xiao)地消(xiao)去檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)中的(de)(de)(de)趨勢(shi)項(xiang)，提(ti)高信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)噪比。由于內(nei)、外部(bu)(bu)缺(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)頻率段不同，部(bu)(bu)分學者提(ti)出對模擬檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)采(cai)用(yong)一階差(cha)(cha)(cha)分處理(li)的(de)(de)(de)方(fang)法，經(jing)過差(cha)(cha)(cha)分處理(li)之后的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)波形可(ke)以(yi)(yi)提(ti)高內(nei)、外部(bu)(bu)缺(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異(yi)程度(du)。但其評判規則仍是以(yi)(yi)內(nei)、外部(bu)(bu)缺(que)陷信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)波形特(te)征(zheng)為(wei)依據(ju)的(de)(de)(de)，只不過用(yong)于對比的(de)(de)(de)波形是經(jing)過一次差(cha)(cha)(cha)分處理(li)之后得(de)到的(de)(de)(de)，雖然提(ti)高了(le)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)噪比，但對于缺(que)陷的(de)(de)(de)深度(du)、形狀(zhuang)以(yi)(yi)及(ji)走向等形態特(te)征(zheng)不一致的(de)(de)(de)情況，該方(fang)法適應(ying)性欠佳。
隨著(zhu)差(cha)(cha)分階(jie)(jie)數(shu)的(de)(de)(de)提高(gao)，考慮到差(cha)(cha)分過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)累積(ji)誤差(cha)(cha)，采用(yong)后(hou)向差(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)(li)。用(yong)x°(h)表(biao)示(shi)離散采樣(yang)(yang)信號序列(lie)，用(yong)（h）表(biao)示(shi)采樣(yang)(yang)信號經(jing)過(guo)一階(jie)(jie)差(cha)(cha)分后(hou)的(de)(de)(de)數(shu)字(zi)序列(lie)，x2(k)）表(biao)示(shi)經(jing)過(guo)9二階(jie)(jie)差(cha)(cha)分后(hou)的(de)(de)(de)數(shu)字(zi)序列(lie)，為簡化(hua)計算，步(bu)長(chang)取1，也(ye)即(ji)向后(hou)一步(bu)差(cha)(cha)分。從(cong)信號處(chu)理(li)(li)(li)效果出(chu)發，也(ye)可以用(yong)多步(bu)差(cha)(cha)分處(chu)理(li)(li)(li)，可根據現場應用(yong)效果進(jin)行調試。
通(tong)過式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計算出(chu)檢測(ce)(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的各階差(cha)分(fen)輸(shu)(shu)出(chu)量(liang)，并可利用檢測(ce)(ce)(ce)量(liang)和差(cha)分(fen)輸(shu)(shu)出(chu)量(liang)來構建評(ping)判指(zhi)標，而(er)不(bu)是僅在檢測(ce)(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)波形(xing)上(shang)尋求(qiu)解決方案，從而(er)可有(you)效(xiao)地避免(mian)缺(que)陷其他形(xing)態特征對(dui)內、外部缺(que)陷區分(fen)的影響(xiang)。
數字信號差分處理可(ke)以通過軟件算法實現，其(qi)僅對(dui)原始(shi)采樣數據進行差分處理即可(ke)實現在役漏(lou)磁檢(jian)測設備的性(xing)能提升，而無須對(dui)檢(jian)測探(tan)頭及信號采集(ji)系統做任(ren)何(he)硬件修(xiu)改，具有(you)重要的實際應(ying)用價值。
三、內、外部缺陷檢測信號的數字(zi)差分處理
差(cha)(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)既然(ran)可以起到頻率成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)析取(qu)作(zuo)用(yong)，那么可以進一步(bu)理(li)解為：具有不(bu)同頻率成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)內(nei)(nei)、外部缺陷(xian)檢測信(xin)號(hao)(hao)(hao)對(dui)差(cha)(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)的(de)(de)(de)響應輸出(chu)(chu)量(liang)也會不(bu)同；再者，由(you)于(yu)檢測信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)差(cha)(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)過(guo)程在本(ben)質上是對(dui)檢測數(shu)據沿(yan)掃查路徑(jing)變化趨勢的(de)(de)(de)定量(liang)描(miao)(miao)述(shu)，如果將(jiang)時域檢測信(xin)號(hao)(hao)(hao)數(shu)據視為可見(jian)的(de)(de)(de)位移(yi)(yi)量(liang)，則一階差(cha)(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)過(guo)程更傾向于(yu)描(miao)(miao)述(shu)這種位移(yi)(yi)量(liang)的(de)(de)(de)變化特征(zheng)，即速(su)度信(xin)息；不(bu)難理(li)解，進一步(bu)的(de)(de)(de)二階差(cha)(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)不(bu)妨視為對(dui)這種位移(yi)(yi)量(liang)的(de)(de)(de)加速(su)度信(xin)息的(de)(de)(de)提取(qu)，而加速(su)度更傾向于(yu)描(miao)(miao)述(shu)或(huo)體(ti)現出(chu)(chu)事(shi)物(wu)的(de)(de)(de)本(ben)質特征(zheng)。利用(yong)二階差(cha)(cha)分(fen)輸出(chu)(chu)量(liang)與信(xin)號(hao)(hao)(hao)源進行特征(zheng)參數(shu)的(de)(de)(de)參照(zhao)對(dui)比(bi)，可發現內(nei)(nei)、外部缺陷(xian)產生(sheng)的(de)(de)(de)漏磁信(xin)號(hao)(hao)(hao)源在差(cha)(cha)分(fen)處(chu)(chu)(chu)理(li)過(guo)程中的(de)(de)(de)差(cha)(cha)異(yi)。
1. 刻槽內(nei)、外位置(zhi)區分
下(xia)面對不同位置刻槽(cao)檢(jian)測(ce)信號進行(xing)差分處理，研究(jiu)缺陷的位置特(te)征與二(er)階差分輸出量之間的關聯性。以(yi)(yi)外徑為88.9mm、壁厚為9.35mm的鋼管(guan)作為試(shi)件(jian)，采用(yong)電(dian)火花加工(gong)方(fang)法(fa)，分別在鋼管(guan)內(nei)、外壁刻制不同深度的周向(xiang)刻槽(cao)。同樣，選用(yong)集(ji)成霍爾元件(jian)UGN-3505作為磁敏(min)感元件(jian)，以(yi)(yi)0.5mm提離(li)距離(li)封裝(zhuang)于(yu)檢(jian)測(ce)探(tan)頭內(nei)部，拾取漏(lou)磁場的法(fa)向(xiang)分量。試(shi)驗過程中(zhong)，保(bao)證探(tan)頭掃查速度恒定(ding)不變，檢(jian)測(ce)信號及(ji)二(er)階差分輸出如圖(tu)4-22所示。
從圖4-22中可以看出(chu)，對(dui)檢測數(shu)(shu)據進行后向二(er)階(jie)差分處理，可以使得差分輸出(chu)量在波(bo)形上類似于原(yuan)始檢測信號(hao)波(bo)形，相鄰波(bo)峰與波(bo)谷之間(jian)出(chu)現位置(zhi)互換。分析檢測信號(hao)與二(er)階(jie)差分輸出(chu)量之間(jian)的關系時(shi)，重點觀察(cha)兩(liang)者峰-峰值這一(yi)特征參數(shu)(shu)的變化情況(kuang)。為(wei)(wei)便(bian)于論(lun)述(shu)評判(x)z4指(zhi)標的構(gou)建過程，缺陷(xian)的檢測信號(hao)與二(er)階(jie)差分輸出(chu)量分別記為(wei)(wei)V°(x)和。通過比較Vo(x)zA（x）和峰-峰值來(lai)構(gou)建評判指(zhi)標，即
分析表4-7中(zhong)的(de)數據可以(yi)發現(xian)，內(nei)、外部缺(que)陷(xian)評(ping)判指標βa的(de)量(liang)值差異(yi)較(jiao)大，因此，可以(yi)通(tong)過(guo)設定合理的(de)區分門限來達到(dao)區分內(nei)、外部缺(que)陷(xian)的(de)目的(de)，而且缺(que)陷(xian)深(shen)度對評(ping)判指標βa的(de)影響較(jiao)小(xiao)，不會因為缺(que)陷(xian)的(de)深(shen)度過(guo)大或是(shi)過(guo)小(xiao)產生評(ping)判失(shi)效(xiao)。
2. 不通(tong)孔內(nei)、外位置區(qu)分(fen)
下(xia)面進一步討(tao)論數(shu)字信(xin)號(hao)差(cha)分方法在不通孔缺(que)陷上的(de)適(shi)用性。仍然選用鋼管作(zuo)為(wei)試件，外(wai)徑為(wei)88.9mm，壁厚(hou)為(wei)9.35mm，并在鋼管上加工(gong)各(ge)類(lei)不通孔缺(que)陷。檢測探頭采用集成霍(huo)爾元件UGN-3503作(zuo)為(wei)磁敏(min)感元件進行封裝，實際(ji)提離(li)距離(li)為(wei)0.5mm，拾取漏磁場的(de)法向分量Va(x)，檢測信(xin)號(hao)及二階差(cha)分輸出(chu)如圖4-23所示。
根據式(shi)（4-8）計算評判(pan)(pan)指標βa，見表4-8。可以發現，對(dui)于不(bu)(bu)同位置(zhi)和形(xing)狀的不(bu)(bu)通孔(kong)缺(que)陷(xian)，β。仍可作為評判(pan)(pan)指標來區分和識(shi)別缺(que)陷(xian)的位置(zhi)特(te)征。由于該評判(pan)(pan)指標是對(dui)時域(yu)檢(jian)測信(xin)號與其(qi)二階差分輸出(chu)量之(zhi)間進行對(dui)比，而不(bu)(bu)是僅僅對(dui)信(xin)號的波形(xing)特(te)征進行信(xin)息(xi)提取，因此保證了評判(pan)(pan)方(fang)法對(dui)具(ju)(ju)有不(bu)(bu)同形(xing)態特(te)征的缺(que)陷(xian)仍然具(ju)(ju)有良好的位置(zhi)特(te)征識(shi)別能(neng)力(li)。
3. 斜(xie)向裂紋內(nei)、外位置區分(fen)
不銹鋼(gang)管(guan)在生產和使(shi)用(yong)過程中，當受到復雜載荷的(de)作(zuo)用(yong)時，往往會(hui)在內、外管(guan)壁出現與鋼(gang)管(guan)軸向處(chu)于(yu)既非垂(chui)直、也非平行的(de)斜(xie)向裂紋(wen)。下面討論數字信號差分方(fang)法在斜(xie)向裂紋(wen)上的(de)適用(yong)性。
在不(bu)銹鋼管內、外(wai)表面上(shang)用電火花方法加工斜向(xiang)刻(ke)槽，刻(ke)槽相(xiang)對于管材軸(zhou)向(xiang)方向(xiang)傾(qing)斜45°，深度(du)分別為(wei)1.0mm（外(wai)部缺陷(xian)），3.0mm（內部缺陷(xian)），寬度(du)均(jun)為(wei)0.5mm；鋼管直線前(qian)進，磁化器仍然選用直流(liu)磁化線圈，斜向(xiang)缺陷(xian)的檢(jian)測(ce)信號及二階差分輸(shu)出如圖4-24所示。
利用式(shi)（4-8）計算評(ping)判指標βd，見表4-9。可(ke)以發現，通過設定區分(fen)門限（如(ru)βr-d=0.2）可(ke)以有效區分(fen)斜向裂紋(wen)的位置特征。
從(cong)表4-9中可以看出，評判指標βa適應(ying)性(xing)較(jiao)好，受缺陷的(de)其他形態(tai)特(te)征影響較(jiao)小，如(ru)缺陷的(de)形狀(zhuang)、深度和走向等，可對(dui)各種(zhong)內(nei)、外部缺陷進(jin)行有效的(de)區分。
上述試驗(yan)過程(cheng)中，評判指標的構建是基于(yu)(x)。4檢(jian)測信號與其(qi)二(er)階差分(fen)輸出量之間(x)4的相似特征(zheng)參數（即(ji)峰-峰值），區分(fen)流程(cheng)如圖4-25所示。由于(yu)該評判指標的構建過程(cheng)僅僅是對(dui)常規漏磁檢(jian)測信號進行(xing)算法上的處理，對(dui)檢(jian)測硬件未(wei)加任何改(gai)動，因此在傳統(tong)漏磁檢(jian)測設備上可方便地添加內、外部缺陷(xian)區分(fen)功(gong)(gong)能(neng)，有效升級傳統(tong)漏磁設備的檢(jian)測功(gong)(gong)能(neng)。
