不銹鋼管漏(lou)磁檢(jian)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(chang)的正交分量
漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)具(ju)有矢量特性(xing)，當采用霍爾元(yuan)件(jian)作為磁(ci)(ci)(ci)敏感(gan)元(yuan)件(jian)時(shi)，通過設計元(yuan)件(jian)的(de)布(bu)(bu)置方(fang)(fang)(fang)向(xiang)，可以(yi)獲(huo)得漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)的(de)兩(liang)個相互正(zheng)交的(de)分(fen)(fen)量，即法向(xiang)分(fen)(fen)量Vn(x)與(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)量V1(x)）。沿著檢測探頭的(de)掃查軌跡方(fang)(fang)(fang)向(xiang)，在與(yu)檢測表面垂直的(de)平面內(nei)觀察，可以(yi)將(jiang)三維空間場(chang)(chang)簡化為二維場(chang)(chang)，進一(yi)步可分(fen)(fen)別研究漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)法向(xiang)分(fen)(fen)量Vn（x）與(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)量VV1(x)）的(de)分(fen)(fen)布(bu)(bu)情況，這樣可以(yi)完備描(miao)述(shu)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)的(de)矢量分(fen)(fen)布(bu)(bu)特征。而單方(fang)(fang)(fang)面考察一(yi)個分(fen)(fen)量常(chang)常(chang)不(bu)足(zu)以(yi)對漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)進行準(zhun)確(que)、充分(fen)(fen)地描(miao)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。
如果單獨利用切向或法(fa)向分量(liang)(liang)的檢(jian)(jian)測信號(hao)波形(xing)特征對缺(que)陷(xian)形(xing)態進行(xing)評判，則丟失了兩者關聯性對缺(que)陷(xian)評判的作用，為此，必須綜(zong)合利用內、外(wai)部缺(que)陷(xian)檢(jian)(jian)測信號(hao)的切向分量(liang)(liang)與法(fa)向分量(liang)(liang)。從(cong)漏(lou)(lou)磁檢(jian)(jian)測拾取本質(zhi)過程來看，通(tong)過多元件(jian)布置不可(ke)能(neng)在空(kong)間某一點(dian)對漏(lou)(lou)磁場(chang)進行(xing)各分量(liang)(liang)信息(xi)的同(tong)步拾取，因為多個磁敏感(gan)元件(jian)所處的空(kong)間檢(jian)(jian)測點(dian)并不能(neng)完全重合，而且會(hui)增加傳感(gan)器系統的復雜性。因此，通(tong)過精確(que)構造能(neng)夠拾取漏(lou)(lou)磁場(chang)正交(jiao)分量(liang)(liang)的辦法(fa)比較困難。這里介紹一種正交(jiao)變換的方(fang)法(fa)，可(ke)對檢(jian)(jian)測信號(hao)本身進行(xing)特征考(kao)察(cha)。
差分(fen)(fen)處(chu)理是正交(jiao)變換的(de)一(yi)(yi)種，從(cong)差分(fen)(fen)處(chu)理的(de)功能(neng)來看，對缺陷漏磁(ci)場某一(yi)(yi)分(fen)(fen)量檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號進(jin)行(xing)二階差分(fen)(fen)處(chu)理之后(hou)，可(ke)以得到(dao)與原始檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號近似映像關系的(de)輸出量，從(cong)而使得兩者在波形特征上具有了(le)可(ke)參(can)照、可(ke)對比(bi)的(de)特征參(can)數，如峰-峰值。這樣(yang)一(yi)(yi)來，可(ke)以提取同一(yi)(yi)檢(jian)(jian)測(ce)點(dian)的(de)空(kong)間多維度信(xin)息(xi)(xi)，并保證了(le)信(xin)息(xi)(xi)量均來源于同一(yi)(yi)空(kong)間檢(jian)(jian)測(ce)點(dian)。
二、數字信號的差分處理分析
缺(que)陷(xian)產生的(de)漏磁檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號是一種有(you)限的(de)數值序列，它反映著(zhu)檢(jian)(jian)測(ce)空間內漏磁場(chang)強度(du)沿著(zhu)掃查(cha)路徑方向上的(de)變(bian)化情況，間接反映了缺(que)陷(xian)的(de)形(xing)態(tai)特征。以檢(jian)(jian)測(ce)路徑x為自變(bian)量，以采樣點得(de)到(dao)的(de)物理量具體數值為縱坐標(biao)，按各空間點的(de)檢(jian)(jian)測(ce)順序排列起來，在顯(xian)示設備(bei)上形(xing)成(cheng)可用于分析的(de)信(xin)號波形(xing)。
實際上，數字(zi)信號(hao)(hao)處理技術被廣(guang)泛(fan)應用(yong)于檢測信號(hao)(hao)的模(mo)式識別。部分研究人(ren)員采用(yong)投影算法(fa)，在不增加分析(xi)軟件計(ji)算量的同時，提高了漏磁檢測的信噪比，初步實現了同類型缺(que)陷(xian)的位置特征(zheng)識別。但從本質來看，該方法(fa)仍未脫離根據信號(hao)(hao)波形特征(zheng)進行(xing)類型劃分的范疇，容易受到其他因素的干擾，對形態特征(zheng)隨機(ji)性較強的自然缺(que)陷(xian)適應性較差(cha)。
對時(shi)域離散信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)進(jin)行數字差(cha)分(fen)處(chu)(chu)理(li)(li)，可以有(you)效地消(xiao)去(qu)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)中的(de)(de)(de)趨(qu)勢項，提(ti)高(gao)(gao)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比。由(you)于內(nei)、外(wai)(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)(xian)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)頻率段不(bu)同，部(bu)分(fen)學者提(ti)出(chu)對模擬檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)采(cai)用(yong)(yong)一階差(cha)分(fen)處(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)方(fang)法，經過差(cha)分(fen)處(chu)(chu)理(li)(li)之后的(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)波(bo)形可以提(ti)高(gao)(gao)內(nei)、外(wai)(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)(xian)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)差(cha)異程度(du)。但其評判規則(ze)仍(reng)是以內(nei)、外(wai)(wai)部(bu)缺(que)陷(xian)(xian)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)波(bo)形特(te)征(zheng)為(wei)依據的(de)(de)(de)，只不(bu)過用(yong)(yong)于對比的(de)(de)(de)波(bo)形是經過一次差(cha)分(fen)處(chu)(chu)理(li)(li)之后得到的(de)(de)(de)，雖然提(ti)高(gao)(gao)了檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比，但對于缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)深度(du)、形狀以及走(zou)向等(deng)形態(tai)特(te)征(zheng)不(bu)一致(zhi)的(de)(de)(de)情況，該(gai)方(fang)法適應性欠(qian)佳。
隨著(zhu)差(cha)分(fen)階(jie)數的(de)(de)提高(gao)，考慮(lv)到差(cha)分(fen)過(guo)程中的(de)(de)累積誤差(cha)，采用(yong)(yong)后(hou)向差(cha)分(fen)處理(li)。用(yong)(yong)x°(h)表(biao)(biao)示離散采樣信號(hao)序(xu)列(lie)，用(yong)(yong)（h）表(biao)(biao)示采樣信號(hao)經(jing)過(guo)一階(jie)差(cha)分(fen)后(hou)的(de)(de)數字(zi)(zi)序(xu)列(lie)，x2(k)）表(biao)(biao)示經(jing)過(guo)9二(er)階(jie)差(cha)分(fen)后(hou)的(de)(de)數字(zi)(zi)序(xu)列(lie)，為簡化(hua)計算，步長(chang)取1，也(ye)即向后(hou)一步差(cha)分(fen)。從信號(hao)處理(li)效果出發，也(ye)可以用(yong)(yong)多(duo)步差(cha)分(fen)處理(li)，可根據現場應用(yong)(yong)效果進行調試。
通過(guo)式（4-4)～式（4-7）可(ke)計(ji)算出(chu)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號的各階差(cha)(cha)分輸出(chu)量，并可(ke)利(li)用檢(jian)測(ce)量和差(cha)(cha)分輸出(chu)量來構建評判指標，而(er)不(bu)是僅在檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號波形上(shang)尋求解(jie)決方案，從而(er)可(ke)有效地避免缺陷(xian)其(qi)他形態特征(zheng)對(dui)內、外部缺陷(xian)區分的影響。
數字信號差分處理(li)可以通(tong)過(guo)軟件算法實現(xian)，其僅(jin)對原始采樣數據進(jin)行差分處理(li)即可實現(xian)在役(yi)漏磁檢(jian)測(ce)設備的(de)性能(neng)提升，而無須對檢(jian)測(ce)探(tan)頭及信號采集系統做任(ren)何硬件修改(gai)，具有重要的(de)實際應用價(jia)值(zhi)。
三(san)、內(nei)、外部缺陷檢測(ce)信號的數字差分(fen)處理
差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)(li)既然可(ke)以起(qi)到頻(pin)率成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)析(xi)取作用，那么可(ke)以進一步理(li)(li)(li)解(jie)為(wei)：具(ju)有不同(tong)頻(pin)率成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)內、外部缺陷檢測(ce)信(xin)號對差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)(li)的(de)(de)響應輸(shu)出量(liang)也會不同(tong)；再者，由于(yu)檢測(ce)信(xin)號的(de)(de)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)(li)過(guo)程在本(ben)(ben)質上是對檢測(ce)數(shu)據(ju)沿掃(sao)查(cha)路徑(jing)變化趨勢的(de)(de)定量(liang)描述(shu)，如果將時域(yu)檢測(ce)信(xin)號數(shu)據(ju)視(shi)為(wei)可(ke)見的(de)(de)位移量(liang)，則一階(jie)(jie)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)(li)過(guo)程更傾向(xiang)于(yu)描述(shu)這(zhe)種(zhong)位移量(liang)的(de)(de)變化特(te)征(zheng)，即速(su)度信(xin)息(xi)(xi)；不難理(li)(li)(li)解(jie)，進一步的(de)(de)二階(jie)(jie)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)(li)不妨視(shi)為(wei)對這(zhe)種(zhong)位移量(liang)的(de)(de)加速(su)度信(xin)息(xi)(xi)的(de)(de)提取，而加速(su)度更傾向(xiang)于(yu)描述(shu)或體現(xian)出事物(wu)的(de)(de)本(ben)(ben)質特(te)征(zheng)。利用二階(jie)(jie)差(cha)(cha)分(fen)(fen)輸(shu)出量(liang)與信(xin)號源(yuan)進行(xing)特(te)征(zheng)參數(shu)的(de)(de)參照對比，可(ke)發現(xian)內、外部缺陷產生(sheng)的(de)(de)漏磁(ci)信(xin)號源(yuan)在差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)(li)過(guo)程中的(de)(de)差(cha)(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分
下面對不同(tong)位置(zhi)刻槽檢(jian)測信號(hao)進行差(cha)分(fen)(fen)處理，研究缺陷的位置(zhi)特征與(yu)二階(jie)(jie)差(cha)分(fen)(fen)輸出量(liang)之(zhi)間的關聯性(xing)。以(yi)外徑為(wei)(wei)(wei)88.9mm、壁(bi)厚為(wei)(wei)(wei)9.35mm的鋼管(guan)作(zuo)為(wei)(wei)(wei)試件(jian)，采用電火花加工方法，分(fen)(fen)別在鋼管(guan)內、外壁(bi)刻制不同(tong)深度(du)的周向刻槽。同(tong)樣，選用集成霍爾元件(jian)UGN-3505作(zuo)為(wei)(wei)(wei)磁敏感元件(jian)，以(yi)0.5mm提離(li)距離(li)封裝(zhuang)于檢(jian)測探頭內部，拾取漏磁場的法向分(fen)(fen)量(liang)。試驗過程中，保證探頭掃查速度(du)恒定(ding)不變，檢(jian)測信號(hao)及二階(jie)(jie)差(cha)分(fen)(fen)輸出如圖4-22所示。
從圖(tu)4-22中可以(yi)看(kan)出(chu)，對檢測數據進行后向二階差(cha)分(fen)處理，可以(yi)使得差(cha)分(fen)輸出(chu)量(liang)在(zai)波(bo)(bo)形(xing)上類似于原始檢測信(xin)號(hao)波(bo)(bo)形(xing)，相鄰(lin)波(bo)(bo)峰(feng)與波(bo)(bo)谷之(zhi)間(jian)出(chu)現(xian)位置互換。分(fen)析檢測信(xin)號(hao)與二階差(cha)分(fen)輸出(chu)量(liang)之(zhi)間(jian)的(de)關系時，重點(dian)觀察兩者峰(feng)-峰(feng)值(zhi)這一(yi)特(te)征參數的(de)變化情況(kuang)。為便(bian)于論述評判(x)z4指標(biao)的(de)構建過程，缺陷(xian)的(de)檢測信(xin)號(hao)與二階差(cha)分(fen)輸出(chu)量(liang)分(fen)別記為V°(x)和。通過比較(jiao)Vo(x)zA（x）和峰(feng)-峰(feng)值(zhi)來構建評判指標(biao)，即
分(fen)(fen)析表(biao)4-7中的(de)(de)數據(ju)可以(yi)發(fa)現，內(nei)、外部缺(que)陷(xian)(xian)評判指標βa的(de)(de)量(liang)值(zhi)差異較(jiao)大，因(yin)此(ci)，可以(yi)通(tong)過設定合理的(de)(de)區(qu)(qu)分(fen)(fen)門(men)限來達(da)到(dao)區(qu)(qu)分(fen)(fen)內(nei)、外部缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)目的(de)(de)，而(er)且(qie)缺(que)陷(xian)(xian)深(shen)度對(dui)評判指標βa的(de)(de)影(ying)響較(jiao)小(xiao)，不會因(yin)為缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)深(shen)度過大或(huo)是過小(xiao)產生評判失效。
2. 不(bu)通孔內、外位置區分
下(xia)面進一步討(tao)論數字信(xin)號(hao)差(cha)分(fen)方(fang)法在不(bu)通(tong)孔(kong)缺陷上的適用(yong)性。仍然選用(yong)鋼(gang)管作(zuo)為(wei)(wei)試件，外徑為(wei)(wei)88.9mm，壁厚為(wei)(wei)9.35mm，并在鋼(gang)管上加工(gong)各類不(bu)通(tong)孔(kong)缺陷。檢測探(tan)頭采用(yong)集成霍(huo)爾元件UGN-3503作(zuo)為(wei)(wei)磁敏感元件進行(xing)封裝(zhuang)，實際提(ti)離距離為(wei)(wei)0.5mm，拾取漏(lou)磁場的法向分(fen)量Va(x)，檢測信(xin)號(hao)及二(er)階差(cha)分(fen)輸出(chu)如圖4-23所示。
根據式（4-8）計算(suan)評(ping)判(pan)指標(biao)βa，見(jian)表4-8。可以發現，對(dui)于(yu)不(bu)同位置(zhi)和(he)形(xing)狀的(de)不(bu)通孔缺(que)(que)陷，β。仍可作為(wei)評(ping)判(pan)指標(biao)來區分和(he)識(shi)別(bie)(bie)缺(que)(que)陷的(de)位置(zhi)特(te)征(zheng)。由于(yu)該評(ping)判(pan)指標(biao)是對(dui)時域檢測信(xin)(xin)號與其二(er)階差分輸出(chu)量之間(jian)進行對(dui)比，而不(bu)是僅(jin)僅(jin)對(dui)信(xin)(xin)號的(de)波形(xing)特(te)征(zheng)進行信(xin)(xin)息提取，因此保證了(le)評(ping)判(pan)方法對(dui)具(ju)有(you)不(bu)同形(xing)態特(te)征(zheng)的(de)缺(que)(que)陷仍然具(ju)有(you)良好的(de)位置(zhi)特(te)征(zheng)識(shi)別(bie)(bie)能力(li)。
3. 斜向裂紋內、外位置區分
不銹鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)在生產(chan)和使用(yong)(yong)過程中，當受到復雜載荷的(de)作用(yong)(yong)時，往往會在內、外管(guan)(guan)(guan)壁出現與鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)軸向(xiang)處于既(ji)非(fei)垂直、也非(fei)平行的(de)斜向(xiang)裂紋(wen)。下面討論數字信號差(cha)分(fen)方法在斜向(xiang)裂紋(wen)上的(de)適用(yong)(yong)性(xing)。
在不銹鋼(gang)管內、外表(biao)面上(shang)用(yong)電(dian)火花方法加工斜向(xiang)刻槽，刻槽相對于管材(cai)軸向(xiang)方向(xiang)傾斜45°，深度分(fen)別(bie)為(wei)1.0mm（外部(bu)缺陷），3.0mm（內部(bu)缺陷），寬度均為(wei)0.5mm；鋼(gang)管直線前進，磁(ci)化(hua)器(qi)仍然(ran)選用(yong)直流(liu)磁(ci)化(hua)線圈(quan)，斜向(xiang)缺陷的檢(jian)測(ce)信號及二階差(cha)分(fen)輸出如圖(tu)4-24所示。
利用式（4-8）計算評判指標βd，見表(biao)4-9。可以發現，通過設(she)定區分門限（如βr-d=0.2）可以有(you)效區分斜向裂紋的位置特征。
從表4-9中可以看出，評判指(zhi)標(biao)βa適應性較好，受(shou)缺陷的(de)其他形態(tai)特征影響較小，如缺陷的(de)形狀、深(shen)度和(he)走向等，可對各種內、外部缺陷進(jin)行(xing)有效的(de)區分。
上(shang)(shang)述試(shi)驗過程(cheng)中，評(ping)判指標的(de)(de)(de)構建是(shi)基于(x)。4檢測(ce)信(xin)號與(yu)其(qi)二階差分(fen)輸出量之間(x)4的(de)(de)(de)相似(si)特(te)征(zheng)參數(shu)（即峰-峰值），區分(fen)流程(cheng)如圖4-25所示。由于該(gai)評(ping)判指標的(de)(de)(de)構建過程(cheng)僅(jin)僅(jin)是(shi)對常規漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)信(xin)號進行(xing)算(suan)法上(shang)(shang)的(de)(de)(de)處理，對檢測(ce)硬件未加任何改動，因此在傳統(tong)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)設備上(shang)(shang)可方便地添(tian)加內、外部缺陷(xian)區分(fen)功(gong)能，有效升級傳統(tong)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)設備的(de)(de)(de)檢測(ce)功(gong)能。
