不銹鋼管漏磁檢測中，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(fen)量(liang)
漏(lou)磁(ci)場(chang)具有矢量(liang)(liang)特(te)性，當采用霍(huo)爾元(yuan)件(jian)(jian)作為(wei)磁(ci)敏感元(yuan)件(jian)(jian)時，通過設計元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)布(bu)置方向，可以(yi)獲(huo)得漏(lou)磁(ci)場(chang)的(de)(de)兩個相(xiang)互正交的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)，即法(fa)向分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)Vn(x)與(yu)切向分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)V1(x)）。沿著檢測(ce)探頭的(de)(de)掃(sao)查軌跡方向，在與(yu)檢測(ce)表面垂直的(de)(de)平面內(nei)觀察(cha)，可以(yi)將三維空間(jian)場(chang)簡(jian)化為(wei)二維場(chang)，進一步可分(fen)(fen)(fen)別研究漏(lou)磁(ci)場(chang)法(fa)向分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)Vn（x）與(yu)切向分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)VV1(x)）的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)布(bu)情(qing)況(kuang)，這(zhe)樣可以(yi)完(wan)備描述(shu)漏(lou)磁(ci)場(chang)的(de)(de)矢量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)布(bu)特(te)征。而單方面考察(cha)一個分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)常(chang)常(chang)不足以(yi)對漏(lou)磁(ci)場(chang)進行準確、充分(fen)(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，分別檢測不銹鋼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(yong)切向或法(fa)(fa)向分量(liang)的(de)(de)檢(jian)測信(xin)(xin)號波(bo)形(xing)特(te)征對缺(que)陷形(xing)態進行評判(pan)(pan)，則丟(diu)失了兩(liang)者關聯性對缺(que)陷評判(pan)(pan)的(de)(de)作用(yong)，為(wei)此，必須綜合利用(yong)內、外部缺(que)陷檢(jian)測信(xin)(xin)號的(de)(de)切向分量(liang)與法(fa)(fa)向分量(liang)。從(cong)漏(lou)磁檢(jian)測拾取本質(zhi)過程來(lai)看，通過多(duo)元件(jian)布置不(bu)可能在空間某一點對漏(lou)磁場進行各(ge)分量(liang)信(xin)(xin)息的(de)(de)同步拾取，因為(wei)多(duo)個磁敏感元件(jian)所處的(de)(de)空間檢(jian)測點并不(bu)能完全重合，而且會增(zeng)加傳(chuan)感器系(xi)統的(de)(de)復雜性。因此，通過精確(que)構造能夠拾取漏(lou)磁場正(zheng)交(jiao)(jiao)分量(liang)的(de)(de)辦(ban)法(fa)(fa)比較困難。這里介紹一種正(zheng)交(jiao)(jiao)變換的(de)(de)方法(fa)(fa)，可對檢(jian)測信(xin)(xin)號本身進行特(te)征考(kao)察。
差(cha)(cha)分處理(li)是正交變(bian)換(huan)的(de)(de)一(yi)種，從(cong)差(cha)(cha)分處理(li)的(de)(de)功能來(lai)(lai)看，對缺陷漏磁場(chang)某一(yi)分量(liang)(liang)檢測信(xin)號進行(xing)二階(jie)差(cha)(cha)分處理(li)之后(hou)，可以(yi)得(de)到(dao)與原始檢測信(xin)號近似映像關(guan)系的(de)(de)輸出量(liang)(liang)，從(cong)而使(shi)得(de)兩(liang)者在波形特征(zheng)上具有(you)了(le)可參(can)照、可對比的(de)(de)特征(zheng)參(can)數，如(ru)峰-峰值。這樣一(yi)來(lai)(lai)，可以(yi)提取同(tong)(tong)一(yi)檢測點的(de)(de)空間多維度信(xin)息(xi)，并保證(zheng)了(le)信(xin)息(xi)量(liang)(liang)均(jun)來(lai)(lai)源于同(tong)(tong)一(yi)空間檢測點。
二、數字信號的差分處理分析
缺陷(xian)(xian)產(chan)生(sheng)的(de)(de)漏(lou)磁檢測(ce)(ce)信號是一種有限的(de)(de)數(shu)值(zhi)序列(lie)，它反映(ying)著(zhu)檢測(ce)(ce)空間內漏(lou)磁場強度沿著(zhu)掃(sao)查路徑(jing)方向上(shang)的(de)(de)變(bian)化(hua)情(qing)況(kuang)，間接反映(ying)了缺陷(xian)(xian)的(de)(de)形態特征。以(yi)檢測(ce)(ce)路徑(jing)x為自變(bian)量，以(yi)采樣點得到的(de)(de)物理量具體數(shu)值(zhi)為縱坐標，按(an)各空間點的(de)(de)檢測(ce)(ce)順序排列(lie)起來，在顯示設備(bei)上(shang)形成可用(yong)于(yu)分析的(de)(de)信號波形。
實際上，數字(zi)信(xin)號處理技術被廣(guang)泛應(ying)用(yong)于檢(jian)測信(xin)號的(de)(de)模式識(shi)別(bie)。部分(fen)(fen)研究人員采(cai)用(yong)投影(ying)算法(fa)，在(zai)不增加分(fen)(fen)析軟件計(ji)算量的(de)(de)同時，提高了漏磁檢(jian)測的(de)(de)信(xin)噪比，初步實現了同類(lei)型(xing)(xing)缺陷(xian)的(de)(de)位置特征識(shi)別(bie)。但從本(ben)質來看，該方法(fa)仍未脫離(li)根據信(xin)號波形特征進(jin)行類(lei)型(xing)(xing)劃(hua)分(fen)(fen)的(de)(de)范疇(chou)，容(rong)易受(shou)到其他因素的(de)(de)干擾(rao)，對形態特征隨機(ji)性(xing)較強(qiang)的(de)(de)自(zi)然缺陷(xian)適應(ying)性(xing)較差(cha)。
對(dui)時域(yu)離散信(xin)(xin)號(hao)進行數字差(cha)分(fen)(fen)處理，可以(yi)有效地消去檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)中的(de)(de)(de)趨勢項(xiang)，提(ti)高信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)比。由(you)于內(nei)、外部缺陷(xian)(xian)檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)頻率段不(bu)同，部分(fen)(fen)學者提(ti)出對(dui)模擬檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)采(cai)用(yong)一階差(cha)分(fen)(fen)處理的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)，經過(guo)差(cha)分(fen)(fen)處理之后的(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)波形可以(yi)提(ti)高內(nei)、外部缺陷(xian)(xian)檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)差(cha)異程度(du)。但其評判(pan)規則仍是以(yi)內(nei)、外部缺陷(xian)(xian)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)波形特征(zheng)為依據的(de)(de)(de)，只不(bu)過(guo)用(yong)于對(dui)比的(de)(de)(de)波形是經過(guo)一次差(cha)分(fen)(fen)處理之后得到的(de)(de)(de)，雖然(ran)提(ti)高了檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)比，但對(dui)于缺陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)深度(du)、形狀以(yi)及走(zou)向等形態(tai)特征(zheng)不(bu)一致的(de)(de)(de)情況，該方(fang)法(fa)適應性欠佳。
隨著差(cha)(cha)(cha)分階數的提高(gao)，考慮到(dao)差(cha)(cha)(cha)分過(guo)程中的累積誤差(cha)(cha)(cha)，采用(yong)(yong)后(hou)(hou)向差(cha)(cha)(cha)分處理。用(yong)(yong)x°(h)表(biao)示離(li)散采樣信號(hao)序列，用(yong)(yong)（h）表(biao)示采樣信號(hao)經(jing)過(guo)一(yi)階差(cha)(cha)(cha)分后(hou)(hou)的數字序列，x2(k)）表(biao)示經(jing)過(guo)9二階差(cha)(cha)(cha)分后(hou)(hou)的數字序列，為(wei)簡化計(ji)算(suan)，步長(chang)取1，也(ye)即向后(hou)(hou)一(yi)步差(cha)(cha)(cha)分。從信號(hao)處理效果出發(fa)，也(ye)可以(yi)用(yong)(yong)多步差(cha)(cha)(cha)分處理，可根據現(xian)場應用(yong)(yong)效果進行調試。
通(tong)過式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計算(suan)出檢(jian)測(ce)信號的(de)各階差分(fen)輸(shu)出量(liang)，并可利(li)用(yong)檢(jian)測(ce)量(liang)和差分(fen)輸(shu)出量(liang)來(lai)構(gou)建(jian)評判指標，而不是僅在檢(jian)測(ce)信號波(bo)形上(shang)尋求解決方案，從而可有效地避(bi)免缺陷其他(ta)形態特征對內、外部缺陷區分(fen)的(de)影響。
數字信號差分處理可(ke)以通過軟件(jian)算法實(shi)現(xian)，其僅對(dui)原始采(cai)樣數據進(jin)行(xing)差分處理即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)在役漏磁檢測設備(bei)的性能提升，而無(wu)須(xu)對(dui)檢測探頭及信號采(cai)集系(xi)統(tong)做任何硬件(jian)修改，具有重要的實(shi)際應(ying)用價值。
三、內(nei)、外部缺(que)陷檢測(ce)信號的(de)數(shu)字(zi)差(cha)分處理
差(cha)分(fen)處(chu)理(li)既然可(ke)以起到頻率成分(fen)的(de)(de)析取作用(yong)(yong)，那么(me)可(ke)以進一步理(li)解為：具有不(bu)同頻率成分(fen)的(de)(de)內、外部(bu)缺(que)陷(xian)(xian)檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)號對差(cha)分(fen)處(chu)理(li)的(de)(de)響應(ying)輸出量(liang)也會(hui)不(bu)同；再(zai)者，由于檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程在本(ben)質(zhi)上是對檢測(ce)數據沿掃查路徑變化趨勢的(de)(de)定量(liang)描述，如果將時域檢測(ce)信(xin)(xin)(xin)號數據視為可(ke)見的(de)(de)位移(yi)量(liang)，則一階(jie)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程更傾(qing)向于描述這種位移(yi)量(liang)的(de)(de)變化特征(zheng)，即速(su)(su)度信(xin)(xin)(xin)息(xi)；不(bu)難理(li)解，進一步的(de)(de)二階(jie)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)不(bu)妨視為對這種位移(yi)量(liang)的(de)(de)加(jia)速(su)(su)度信(xin)(xin)(xin)息(xi)的(de)(de)提取，而加(jia)速(su)(su)度更傾(qing)向于描述或體(ti)現(xian)出事物(wu)的(de)(de)本(ben)質(zhi)特征(zheng)。利(li)用(yong)(yong)二階(jie)差(cha)分(fen)輸出量(liang)與信(xin)(xin)(xin)號源進行特征(zheng)參(can)數的(de)(de)參(can)照對比，可(ke)發現(xian)內、外部(bu)缺(que)陷(xian)(xian)產生(sheng)的(de)(de)漏(lou)磁信(xin)(xin)(xin)號源在差(cha)分(fen)處(chu)理(li)過程中的(de)(de)差(cha)異。
1. 刻槽內、外位置區分
下面對不同(tong)位置刻(ke)槽檢測(ce)信號進(jin)行(xing)差(cha)分(fen)處理，研究(jiu)缺(que)陷(xian)的(de)位置特征與二階差(cha)分(fen)輸出量(liang)之間的(de)關聯性。以(yi)外(wai)徑為88.9mm、壁(bi)厚(hou)為9.35mm的(de)鋼管(guan)作為試件(jian)(jian)，采用電火花加工方(fang)法(fa)，分(fen)別在(zai)鋼管(guan)內、外(wai)壁(bi)刻(ke)制不同(tong)深度的(de)周向(xiang)刻(ke)槽。同(tong)樣，選(xuan)用集成霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)UGN-3505作為磁敏感(gan)元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)，以(yi)0.5mm提離距(ju)離封裝于(yu)檢測(ce)探(tan)頭(tou)內部，拾取漏磁場的(de)法(fa)向(xiang)分(fen)量(liang)。試驗(yan)過程中，保(bao)證探(tan)頭(tou)掃查速(su)度恒定不變，檢測(ce)信號及二階差(cha)分(fen)輸出如圖4-22所(suo)示。
從圖(tu)4-22中可(ke)以看出，對檢(jian)測(ce)數(shu)據進(jin)行(xing)后(hou)向二階差分處理，可(ke)以使得差分輸出量在波形上類似于原(yuan)始檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)波形，相鄰波峰(feng)與波谷之間出現位置互換。分析(xi)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)與二階差分輸出量之間的(de)(de)關系時，重(zhong)點觀察兩者峰(feng)-峰(feng)值這一特(te)征參數(shu)的(de)(de)變化情況(kuang)。為(wei)便于論(lun)述評(ping)判(x)z4指(zhi)(zhi)標(biao)的(de)(de)構建過程，缺陷(xian)的(de)(de)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)與二階差分輸出量分別記(ji)為(wei)V°(x)和(he)。通過比(bi)較Vo(x)zA（x）和(he)峰(feng)-峰(feng)值來構建評(ping)判指(zhi)(zhi)標(biao)，即(ji)
分析表4-7中的(de)(de)(de)數據可以(yi)發現，內、外部缺(que)(que)陷(xian)評判(pan)(pan)指(zhi)標(biao)βa的(de)(de)(de)量值差異較大，因此，可以(yi)通過(guo)設定合理的(de)(de)(de)區分門限來(lai)達(da)到區分內、外部缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)，而且缺(que)(que)陷(xian)深度對評判(pan)(pan)指(zhi)標(biao)βa的(de)(de)(de)影響較小(xiao)，不會因為缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)深度過(guo)大或是過(guo)小(xiao)產生評判(pan)(pan)失效。
2. 不通孔內、外位置(zhi)區分(fen)
下面進(jin)一步(bu)討論數字信(xin)號差(cha)分方(fang)法在(zai)不通孔缺陷上(shang)的適用性。仍然選用鋼管(guan)作(zuo)為(wei)試(shi)件，外徑(jing)為(wei)88.9mm，壁厚為(wei)9.35mm，并在(zai)鋼管(guan)上(shang)加工各類(lei)不通孔缺陷。檢(jian)測探頭采(cai)用集成霍(huo)爾元件UGN-3503作(zuo)為(wei)磁敏感元件進(jin)行(xing)封(feng)裝，實際提(ti)離距離為(wei)0.5mm，拾取漏磁場的法向分量Va(x)，檢(jian)測信(xin)號及二階(jie)差(cha)分輸出如圖(tu)4-23所示。
根據式（4-8）計算評(ping)判指(zhi)標βa，見表4-8。可以發現，對(dui)(dui)于不同位置和(he)形狀的不通(tong)孔缺(que)陷(xian)，β。仍可作為(wei)評(ping)判指(zhi)標來區分和(he)識別缺(que)陷(xian)的位置特(te)征(zheng)。由于該(gai)評(ping)判指(zhi)標是(shi)對(dui)(dui)時(shi)域檢測(ce)信號(hao)與其二階差分輸出量之間進(jin)行對(dui)(dui)比，而(er)不是(shi)僅(jin)僅(jin)對(dui)(dui)信號(hao)的波形特(te)征(zheng)進(jin)行信息提(ti)取(qu)，因此(ci)保證了(le)評(ping)判方(fang)法對(dui)(dui)具有不同形態(tai)特(te)征(zheng)的缺(que)陷(xian)仍然具有良好的位置特(te)征(zheng)識別能力(li)。
3. 斜向裂(lie)紋內(nei)、外位置(zhi)區(qu)分
不銹(xiu)鋼管在(zai)生(sheng)產和使用過程中，當受到(dao)復(fu)雜(za)載荷(he)的(de)(de)作用時，往往會(hui)在(zai)內(nei)、外管壁出現與鋼管軸向(xiang)處于(yu)既(ji)非垂直、也(ye)非平行的(de)(de)斜向(xiang)裂紋(wen)(wen)。下面討論(lun)數字信(xin)號差分方法(fa)在(zai)斜向(xiang)裂紋(wen)(wen)上的(de)(de)適用性。
在不銹鋼管內、外(wai)表面上用(yong)電火花方(fang)法加工斜向(xiang)刻(ke)槽，刻(ke)槽相對(dui)于管材(cai)軸向(xiang)方(fang)向(xiang)傾(qing)斜45°，深度分別為1.0mm（外(wai)部缺(que)(que)陷(xian)(xian)），3.0mm（內部缺(que)(que)陷(xian)(xian)），寬度均為0.5mm；鋼管直線前進，磁化(hua)(hua)器仍然選用(yong)直流磁化(hua)(hua)線圈，斜向(xiang)缺(que)(que)陷(xian)(xian)的檢測信號及二階差分輸出如圖4-24所(suo)示。
利(li)用式(shi)（4-8）計算評(ping)判指標βd，見表4-9。可以(yi)發現，通(tong)過設定(ding)區(qu)分門(men)限（如(ru)βr-d=0.2）可以(yi)有(you)效(xiao)區(qu)分斜向裂(lie)紋(wen)的位置特征。
從(cong)表4-9中可(ke)以(yi)看出，評判指(zhi)標(biao)βa適應性較(jiao)好(hao)，受缺(que)陷(xian)的(de)(de)其(qi)他(ta)形(xing)(xing)態特征影響較(jiao)小，如缺(que)陷(xian)的(de)(de)形(xing)(xing)狀、深度(du)和走向等(deng)，可(ke)對(dui)各種內、外部缺(que)陷(xian)進行有效的(de)(de)區(qu)分。
上述試驗過程(cheng)中，評判(pan)指標的(de)(de)構(gou)建是基(ji)于(x)。4檢(jian)(jian)測信(xin)號與其二(er)階差(cha)分輸出量之間(jian)(x)4的(de)(de)相似特征參(can)數（即峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值），區(qu)分流(liu)程(cheng)如圖(tu)4-25所示(shi)。由(you)于該(gai)評判(pan)指標的(de)(de)構(gou)建過程(cheng)僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)是對(dui)常規漏磁檢(jian)(jian)測信(xin)號進行(xing)算法上的(de)(de)處(chu)理，對(dui)檢(jian)(jian)測硬件未加(jia)任何(he)改動(dong)，因此在(zai)傳統(tong)漏磁檢(jian)(jian)測設備上可方便(bian)地添(tian)加(jia)內、外部缺陷(xian)區(qu)分功能，有效(xiao)升級傳統(tong)漏磁設備的(de)(de)檢(jian)(jian)測功能。
