不銹(xiu)鋼管漏磁(ci)檢(jian)測(ce)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(yi)、漏磁場的正交分量
漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)具有(you)矢量(liang)(liang)特(te)性，當采(cai)用霍爾元件作為磁(ci)(ci)敏感元件時，通過設計元件的(de)(de)(de)布(bu)置方(fang)向(xiang)，可(ke)(ke)以(yi)獲得漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)兩個相(xiang)互正(zheng)交的(de)(de)(de)分(fen)(fen)量(liang)(liang)，即法(fa)向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)Vn(x)與(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)V1(x)）。沿(yan)著檢測(ce)探頭的(de)(de)(de)掃(sao)查軌(gui)跡(ji)方(fang)向(xiang)，在與(yu)檢測(ce)表面(mian)垂直的(de)(de)(de)平面(mian)內觀察，可(ke)(ke)以(yi)將三維空間場(chang)(chang)(chang)(chang)簡化為二維場(chang)(chang)(chang)(chang)，進一步可(ke)(ke)分(fen)(fen)別研究漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)法(fa)向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)Vn（x）與(yu)切向(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)VV1(x)）的(de)(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)情況，這樣可(ke)(ke)以(yi)完備描述漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)矢量(liang)(liang)分(fen)(fen)布(bu)特(te)征。而單方(fang)面(mian)考(kao)察一個分(fen)(fen)量(liang)(liang)常常不足以(yi)對漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)進行準確、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(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(dan)獨利用(yong)切向(xiang)(xiang)或法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)量的(de)(de)檢(jian)測(ce)信號波形特征對(dui)缺(que)陷形態進(jin)(jin)行評判(pan)，則丟(diu)失了兩者關聯性對(dui)缺(que)陷評判(pan)的(de)(de)作(zuo)用(yong)，為此(ci)，必須綜合利用(yong)內、外部缺(que)陷檢(jian)測(ce)信號的(de)(de)切向(xiang)(xiang)分(fen)量與(yu)法(fa)向(xiang)(xiang)分(fen)量。從漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)拾(shi)取本質過程來看，通過多元件布置不可(ke)能在空(kong)間某一(yi)點對(dui)漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)進(jin)(jin)行各分(fen)量信息的(de)(de)同步拾(shi)取，因為多個磁(ci)敏感元件所(suo)處的(de)(de)空(kong)間檢(jian)測(ce)點并不能完全重(zhong)合，而且會增加傳(chuan)感器系統(tong)的(de)(de)復(fu)雜(za)性。因此(ci)，通過精(jing)確(que)構造能夠(gou)拾(shi)取漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)正(zheng)交分(fen)量的(de)(de)辦法(fa)比較困難。這里介紹一(yi)種正(zheng)交變(bian)換的(de)(de)方法(fa)，可(ke)對(dui)檢(jian)測(ce)信號本身進(jin)(jin)行特征考察。
差(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)是(shi)正交變換的(de)一(yi)種，從差(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)的(de)功能來看，對(dui)缺陷漏磁場(chang)某一(yi)分(fen)(fen)(fen)量檢(jian)測(ce)信號進(jin)行二階差(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)處理(li)之后，可(ke)以(yi)得到(dao)與原始檢(jian)測(ce)信號近似映像關系的(de)輸出量，從而使得兩者在波(bo)形特征(zheng)上具有了(le)(le)可(ke)參照(zhao)、可(ke)對(dui)比的(de)特征(zheng)參數，如峰-峰值。這樣一(yi)來，可(ke)以(yi)提(ti)取同(tong)一(yi)檢(jian)測(ce)點(dian)的(de)空間多維度(du)信息，并保證了(le)(le)信息量均(jun)來源于(yu)同(tong)一(yi)空間檢(jian)測(ce)點(dian)。
二(er)、數字(zi)信(xin)號的(de)差(cha)分(fen)處理分(fen)析
缺陷產生的(de)(de)(de)漏磁(ci)檢測(ce)信號是一種有限(xian)的(de)(de)(de)數(shu)值序列，它反(fan)映(ying)著檢測(ce)空間(jian)(jian)內漏磁(ci)場強度沿著掃查(cha)路(lu)徑方向上的(de)(de)(de)變化情況(kuang)，間(jian)(jian)接反(fan)映(ying)了缺陷的(de)(de)(de)形態特征。以(yi)檢測(ce)路(lu)徑x為(wei)自(zi)變量(liang)(liang)，以(yi)采樣點得到的(de)(de)(de)物理量(liang)(liang)具體(ti)數(shu)值為(wei)縱坐標，按各空間(jian)(jian)點的(de)(de)(de)檢測(ce)順(shun)序排列起來，在(zai)顯(xian)示設備(bei)上形成可用于分析(xi)的(de)(de)(de)信號波形。
實(shi)際上(shang)，數字信號(hao)處理技(ji)術被廣泛應用于(yu)檢(jian)測信號(hao)的(de)(de)(de)模式(shi)識別。部分(fen)(fen)研(yan)究人員采用投(tou)影算法，在不增加分(fen)(fen)析軟件(jian)計(ji)算量(liang)的(de)(de)(de)同(tong)時，提(ti)高了(le)漏(lou)磁(ci)檢(jian)測的(de)(de)(de)信噪比，初步實(shi)現(xian)了(le)同(tong)類型(xing)缺陷的(de)(de)(de)位置特(te)征識別。但從本質來(lai)看，該方法仍未脫離(li)根據信號(hao)波形(xing)特(te)征進行類型(xing)劃分(fen)(fen)的(de)(de)(de)范疇，容易受到(dao)其他因(yin)素的(de)(de)(de)干擾，對形(xing)態(tai)特(te)征隨機性較強的(de)(de)(de)自然缺陷適應性較差。
對時域離(li)散信(xin)號(hao)(hao)(hao)進行數字差(cha)(cha)(cha)分(fen)處理，可(ke)以有(you)效地消去檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)中的(de)(de)趨勢(shi)項，提高(gao)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)噪(zao)比。由于內(nei)、外部(bu)(bu)缺陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)頻率段(duan)不(bu)同，部(bu)(bu)分(fen)學者提出(chu)對模(mo)擬檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)采用一(yi)階差(cha)(cha)(cha)分(fen)處理的(de)(de)方法，經過(guo)差(cha)(cha)(cha)分(fen)處理之后(hou)的(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)(hao)波(bo)形(xing)可(ke)以提高(gao)內(nei)、外部(bu)(bu)缺陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異程度(du)。但其(qi)評判規則仍是(shi)以內(nei)、外部(bu)(bu)缺陷(xian)(xian)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)波(bo)形(xing)特征(zheng)為依據的(de)(de)，只不(bu)過(guo)用于對比的(de)(de)波(bo)形(xing)是(shi)經過(guo)一(yi)次差(cha)(cha)(cha)分(fen)處理之后(hou)得(de)到的(de)(de)，雖(sui)然提高(gao)了檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)噪(zao)比，但對于缺陷(xian)(xian)的(de)(de)深度(du)、形(xing)狀以及走向(xiang)等形(xing)態特征(zheng)不(bu)一(yi)致的(de)(de)情況(kuang)，該方法適應性欠佳(jia)。
隨著差分階數的提高，考慮(lv)到差分過程中的累積誤差，采(cai)用后向差分處理。用x°(h)表(biao)示(shi)(shi)離散采(cai)樣(yang)信號序列(lie)(lie)，用（h）表(biao)示(shi)(shi)采(cai)樣(yang)信號經(jing)過一(yi)階差分后的數字序列(lie)(lie)，x2(k)）表(biao)示(shi)(shi)經(jing)過9二階差分后的數字序列(lie)(lie)，為簡化計(ji)算，步(bu)長取1，也(ye)即向后一(yi)步(bu)差分。從信號處理效(xiao)果出(chu)發，也(ye)可(ke)以(yi)用多步(bu)差分處理，可(ke)根(gen)據現場應用效(xiao)果進行調試。
通過式(shi)（4-4)～式(shi)（4-7）可計算(suan)出(chu)(chu)檢測信(xin)(xin)號的(de)各階差分輸出(chu)(chu)量(liang)，并可利用檢測量(liang)和(he)差分輸出(chu)(chu)量(liang)來構建評判指標，而不是(shi)僅在檢測信(xin)(xin)號波形(xing)上尋求(qiu)解(jie)決(jue)方案，從而可有效地(di)避免(mian)缺(que)陷(xian)其他形(xing)態特征對內、外(wai)部缺(que)陷(xian)區(qu)分的(de)影(ying)響。
數(shu)(shu)字信號(hao)差分處(chu)理(li)可以通過軟(ruan)件算法實現，其僅(jin)對原始采(cai)樣數(shu)(shu)據進(jin)行差分處(chu)理(li)即可實現在役漏(lou)磁(ci)檢(jian)測設(she)備(bei)的(de)性(xing)能提升，而無須對檢(jian)測探頭及信號(hao)采(cai)集系統做(zuo)任(ren)何硬件修(xiu)改，具有重(zhong)要的(de)實際(ji)應用價值。
三、內、外部缺陷(xian)檢測信號的數字(zi)差(cha)分處理
差分(fen)(fen)(fen)處理既(ji)然可以起到頻(pin)率成分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)析取作(zuo)用，那么(me)可以進(jin)一(yi)(yi)步理解為：具(ju)有不同(tong)頻(pin)率成分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)內、外部缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)對差分(fen)(fen)(fen)處理的(de)(de)(de)(de)響應輸出量也會不同(tong)；再者，由于(yu)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)差分(fen)(fen)(fen)處理過程在本質(zhi)上(shang)是(shi)對檢(jian)測(ce)數據沿掃查(cha)路徑變(bian)(bian)化趨勢的(de)(de)(de)(de)定量描述，如果將時域檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)數據視為可見的(de)(de)(de)(de)位移(yi)量，則一(yi)(yi)階(jie)(jie)差分(fen)(fen)(fen)處理過程更傾向(xiang)于(yu)描述這種位移(yi)量的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化特(te)征(zheng)，即速(su)度(du)信(xin)息；不難理解，進(jin)一(yi)(yi)步的(de)(de)(de)(de)二(er)階(jie)(jie)差分(fen)(fen)(fen)處理不妨(fang)視為對這種位移(yi)量的(de)(de)(de)(de)加速(su)度(du)信(xin)息的(de)(de)(de)(de)提取，而加速(su)度(du)更傾向(xiang)于(yu)描述或體現(xian)出事物的(de)(de)(de)(de)本質(zhi)特(te)征(zheng)。利用二(er)階(jie)(jie)差分(fen)(fen)(fen)輸出量與信(xin)號(hao)源進(jin)行特(te)征(zheng)參數的(de)(de)(de)(de)參照對比(bi)，可發現(xian)內、外部缺(que)陷(xian)產生的(de)(de)(de)(de)漏磁信(xin)號(hao)源在差分(fen)(fen)(fen)處理過程中的(de)(de)(de)(de)差異。
1. 刻槽內(nei)、外(wai)位置區分
下面(mian)對不同位置(zhi)刻槽(cao)檢(jian)測(ce)信號(hao)進行差分處理，研究(jiu)缺(que)陷的位置(zhi)特征與二階(jie)差分輸(shu)出量之間(jian)的關聯性。以外徑為(wei)(wei)88.9mm、壁厚為(wei)(wei)9.35mm的鋼管(guan)作為(wei)(wei)試(shi)(shi)件(jian)，采用電(dian)火花加工(gong)方法(fa)，分別在鋼管(guan)內、外壁刻制不同深度的周向刻槽(cao)。同樣(yang)，選(xuan)用集成霍爾元(yuan)件(jian)UGN-3505作為(wei)(wei)磁(ci)敏(min)感元(yuan)件(jian)，以0.5mm提(ti)離(li)距離(li)封裝于(yu)檢(jian)測(ce)探頭(tou)內部，拾(shi)取漏磁(ci)場(chang)的法(fa)向分量。試(shi)(shi)驗過程(cheng)中，保證探頭(tou)掃查速度恒定不變，檢(jian)測(ce)信號(hao)及二階(jie)差分輸(shu)出如圖4-22所示(shi)。
從(cong)圖4-22中可以看出(chu)(chu)(chu)，對檢測(ce)(ce)數據(ju)進行后向二階(jie)差(cha)分(fen)處理，可以使得差(cha)分(fen)輸(shu)出(chu)(chu)(chu)量(liang)在波形上類似于原始檢測(ce)(ce)信(xin)號波形，相鄰波峰(feng)(feng)與波谷之間(jian)出(chu)(chu)(chu)現位(wei)置互換。分(fen)析檢測(ce)(ce)信(xin)號與二階(jie)差(cha)分(fen)輸(shu)出(chu)(chu)(chu)量(liang)之間(jian)的(de)關系(xi)時，重點觀察兩者峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值(zhi)這一特征參(can)數的(de)變化情(qing)況。為(wei)便于論述評判(x)z4指(zhi)標的(de)構(gou)建(jian)過程(cheng)，缺陷的(de)檢測(ce)(ce)信(xin)號與二階(jie)差(cha)分(fen)輸(shu)出(chu)(chu)(chu)量(liang)分(fen)別記(ji)為(wei)V°(x)和。通過比較Vo(x)zA（x）和峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值(zhi)來構(gou)建(jian)評判指(zhi)標，即
分析表4-7中的(de)數據可以發現，內、外部(bu)缺(que)陷評判(pan)指(zhi)標βa的(de)量值差異(yi)較大，因此，可以通過設定合理的(de)區分門(men)限來達到區分內、外部(bu)缺(que)陷的(de)目(mu)的(de)，而且缺(que)陷深度(du)(du)對(dui)評判(pan)指(zhi)標βa的(de)影響較小(xiao)(xiao)，不(bu)會(hui)因為缺(que)陷的(de)深度(du)(du)過大或是過小(xiao)(xiao)產生評判(pan)失效。
2. 不通孔(kong)內、外(wai)位置區分(fen)
下面進(jin)一步討論數字信號差分(fen)方法(fa)在不通(tong)孔缺陷上(shang)的適用(yong)性。仍(reng)然選用(yong)鋼(gang)管(guan)作為(wei)(wei)試件(jian)，外(wai)徑為(wei)(wei)88.9mm，壁厚為(wei)(wei)9.35mm，并在鋼(gang)管(guan)上(shang)加工各類不通(tong)孔缺陷。檢(jian)測探頭采用(yong)集(ji)成霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)UGN-3503作為(wei)(wei)磁敏感元(yuan)(yuan)件(jian)進(jin)行封裝，實際提離距(ju)離為(wei)(wei)0.5mm，拾取漏磁場(chang)的法(fa)向(xiang)分(fen)量Va(x)，檢(jian)測信號及二階(jie)差分(fen)輸出如圖4-23所(suo)示(shi)。
根據式（4-8）計算評判(pan)指標(biao)βa，見表4-8。可(ke)以發(fa)現，對于(yu)不同(tong)位(wei)置(zhi)(zhi)和(he)形狀的不通孔缺陷，β。仍(reng)可(ke)作為評判(pan)指標(biao)來區分(fen)和(he)識(shi)別缺陷的位(wei)置(zhi)(zhi)特征(zheng)。由于(yu)該評判(pan)指標(biao)是(shi)對時域(yu)檢測信號與其二階差分(fen)輸出(chu)量之(zhi)間進(jin)行對比，而(er)不是(shi)僅(jin)僅(jin)對信號的波形特征(zheng)進(jin)行信息提(ti)取(qu)，因此保證了評判(pan)方法(fa)對具(ju)(ju)有不同(tong)形態(tai)特征(zheng)的缺陷仍(reng)然具(ju)(ju)有良(liang)好的位(wei)置(zhi)(zhi)特征(zheng)識(shi)別能(neng)力。
3. 斜(xie)向(xiang)裂紋內、外位置區分(fen)
不銹鋼(gang)管在生產和使用(yong)過(guo)程中，當受(shou)到復雜載荷的作用(yong)時，往往會(hui)在內、外管壁(bi)出現與鋼(gang)管軸(zhou)向處于既非垂(chui)直、也非平(ping)行的斜向裂紋。下面討論(lun)數字信號差分方法在斜向裂紋上的適用(yong)性。
在不銹鋼(gang)管(guan)內(nei)、外表面上用電火(huo)花方(fang)法加(jia)工斜向(xiang)(xiang)刻槽(cao)，刻槽(cao)相(xiang)對于管(guan)材軸(zhou)向(xiang)(xiang)方(fang)向(xiang)(xiang)傾斜45°，深度(du)(du)分別為1.0mm（外部缺陷(xian)），3.0mm（內(nei)部缺陷(xian)），寬度(du)(du)均為0.5mm；鋼(gang)管(guan)直(zhi)線(xian)前進，磁化器仍(reng)然(ran)選用直(zhi)流磁化線(xian)圈，斜向(xiang)(xiang)缺陷(xian)的檢測信號及二(er)階(jie)差分輸出如圖4-24所示(shi)。
利用式（4-8）計算評判指(zhi)標βd，見表(biao)4-9。可以(yi)發現，通過設定區分門限（如(ru)βr-d=0.2）可以(yi)有效區分斜(xie)向裂紋(wen)的(de)位置特征(zheng)。
從(cong)表4-9中可以看出，評判指標βa適(shi)應(ying)性較(jiao)好，受缺陷的其他形態特征影響較(jiao)小，如(ru)缺陷的形狀、深(shen)度和走向等，可對各種內(nei)、外部缺陷進行(xing)有效的區(qu)分。
上(shang)述試驗(yan)過程(cheng)中，評判指標(biao)的(de)(de)構建是基于(x)。4檢(jian)測(ce)信號與其二階差分(fen)輸出量(liang)之間(jian)(x)4的(de)(de)相似特征參數（即(ji)峰-峰值），區(qu)分(fen)流(liu)程(cheng)如(ru)圖4-25所示。由于該評判指標(biao)的(de)(de)構建過程(cheng)僅僅是對(dui)常(chang)規漏(lou)磁檢(jian)測(ce)信號進行算法上(shang)的(de)(de)處理(li)，對(dui)檢(jian)測(ce)硬件(jian)未加(jia)任何改動，因此(ci)在(zai)傳統漏(lou)磁檢(jian)測(ce)設備(bei)上(shang)可(ke)方便地添加(jia)內、外(wai)部缺陷區(qu)分(fen)功能，有效升級傳統漏(lou)磁設備(bei)的(de)(de)檢(jian)測(ce)功能。
