不銹鋼管漏磁(ci)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(ci)場的(de)正交分(fen)量
漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場具(ju)有矢量(liang)特(te)性(xing)，當采用霍(huo)爾元件作為磁(ci)(ci)敏感元件時，通(tong)過設計(ji)元件的(de)(de)布(bu)置方(fang)向(xiang)，可(ke)以(yi)獲得漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場的(de)(de)兩個(ge)相(xiang)互正交的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)，即法向(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn(x)與切(qie)向(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)V1(x)）。沿著檢(jian)測(ce)探頭的(de)(de)掃查軌跡方(fang)向(xiang)，在與檢(jian)測(ce)表(biao)面垂(chui)直的(de)(de)平(ping)面內觀察，可(ke)以(yi)將三維空間場簡(jian)化為二維場，進(jin)(jin)一步可(ke)分(fen)(fen)(fen)(fen)別研究漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場法向(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)Vn（x）與切(qie)向(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)VV1(x)）的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu)情況(kuang)，這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)完備描述漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場的(de)(de)矢量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu)特(te)征(zheng)。而單方(fang)面考察一個(ge)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)常常不足(zu)以(yi)對(dui)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場進(jin)(jin)行準確、充分(fen)(fen)(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(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(xiang)或法(fa)向(xiang)分(fen)量的(de)檢測信號波形(xing)特(te)征對缺(que)陷形(xing)態(tai)進行評(ping)判，則丟失了兩者關聯(lian)性對缺(que)陷評(ping)判的(de)作用，為此，必須綜合利用內、外部缺(que)陷檢測信號的(de)切向(xiang)分(fen)量與法(fa)向(xiang)分(fen)量。從(cong)漏(lou)磁(ci)檢測拾取(qu)本質過(guo)程來看，通過(guo)多元(yuan)件布置不(bu)可能(neng)在空(kong)間(jian)某(mou)一點對漏(lou)磁(ci)場(chang)進行各分(fen)量信息的(de)同步拾取(qu)，因(yin)為多個磁(ci)敏(min)感元(yuan)件所處的(de)空(kong)間(jian)檢測點并(bing)不(bu)能(neng)完全重合，而且(qie)會增(zeng)加傳(chuan)感器系統的(de)復雜性。因(yin)此，通過(guo)精確構造能(neng)夠拾取(qu)漏(lou)磁(ci)場(chang)正(zheng)(zheng)交分(fen)量的(de)辦法(fa)比較困難。這里介紹一種正(zheng)(zheng)交變換的(de)方法(fa)，可對檢測信號本身進行特(te)征考察。
差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)是正交變換的一(yi)種(zhong)，從差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)的功能來(lai)看(kan)，對缺(que)陷漏磁場某一(yi)分(fen)量(liang)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號(hao)進行二階(jie)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)之后，可(ke)以得(de)到與原始檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)號(hao)近(jin)似映(ying)像(xiang)關系的輸出量(liang)，從而使得(de)兩者(zhe)在(zai)波形(xing)特(te)征上具(ju)有(you)了(le)可(ke)參照(zhao)、可(ke)對比的特(te)征參數，如(ru)峰(feng)-峰(feng)值。這樣一(yi)來(lai)，可(ke)以提取同一(yi)檢(jian)測(ce)(ce)點的空(kong)間多維(wei)度(du)信(xin)息，并保證了(le)信(xin)息量(liang)均來(lai)源(yuan)于(yu)同一(yi)空(kong)間檢(jian)測(ce)(ce)點。
二、數字(zi)信號(hao)的(de)差分(fen)處理(li)分(fen)析
缺(que)陷(xian)產生的(de)漏(lou)磁(ci)檢測(ce)信號是一(yi)種有限的(de)數(shu)值(zhi)序(xu)列，它反映著(zhu)檢測(ce)空(kong)間內漏(lou)磁(ci)場強度沿著(zhu)掃查(cha)路徑方向(xiang)上(shang)的(de)變化情況，間接反映了缺(que)陷(xian)的(de)形(xing)(xing)態(tai)特(te)征(zheng)。以(yi)檢測(ce)路徑x為自變量，以(yi)采樣(yang)點得到的(de)物理量具(ju)體(ti)數(shu)值(zhi)為縱坐標，按各空(kong)間點的(de)檢測(ce)順序(xu)排列起來，在顯示設備上(shang)形(xing)(xing)成可用于分析(xi)的(de)信號波形(xing)(xing)。
實際上，數(shu)字信(xin)號(hao)處(chu)理技術被廣泛應(ying)用于檢測(ce)信(xin)號(hao)的模式識別。部分(fen)研究人員采用投(tou)影算法(fa)，在不增(zeng)加分(fen)析軟(ruan)件計算量(liang)的同時，提(ti)高了(le)漏磁(ci)檢測(ce)的信(xin)噪(zao)比，初(chu)步實現了(le)同類型(xing)缺陷(xian)的位置特征(zheng)識別。但從(cong)本質來看(kan)，該方法(fa)仍未(wei)脫離根(gen)據信(xin)號(hao)波形特征(zheng)進行(xing)類型(xing)劃分(fen)的范疇，容易受到(dao)其他因素的干擾(rao)，對形態特征(zheng)隨機性較強的自然缺陷(xian)適應(ying)性較差。
對時域離(li)散(san)信號進(jin)行數字(zi)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)，可以(yi)(yi)有效地消去檢(jian)(jian)測(ce)信號中的(de)趨勢項，提(ti)(ti)高信號的(de)信噪比。由于內、外(wai)部(bu)缺(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)信號的(de)頻(pin)率段不同，部(bu)分(fen)(fen)學者提(ti)(ti)出對模擬檢(jian)(jian)測(ce)信號采用(yong)一(yi)(yi)階差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)的(de)方(fang)法(fa)(fa)，經(jing)過差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)之后的(de)信號波(bo)(bo)(bo)形(xing)可以(yi)(yi)提(ti)(ti)高內、外(wai)部(bu)缺(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)信號的(de)差(cha)(cha)異程度。但(dan)其(qi)評(ping)判(pan)規(gui)則仍是(shi)以(yi)(yi)內、外(wai)部(bu)缺(que)陷信號的(de)波(bo)(bo)(bo)形(xing)特(te)征為依(yi)據的(de)，只不過用(yong)于對比的(de)波(bo)(bo)(bo)形(xing)是(shi)經(jing)過一(yi)(yi)次差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)(li)之后得到的(de)，雖然提(ti)(ti)高了檢(jian)(jian)測(ce)信號的(de)信噪比，但(dan)對于缺(que)陷的(de)深(shen)度、形(xing)狀以(yi)(yi)及走(zou)向等形(xing)態特(te)征不一(yi)(yi)致(zhi)的(de)情況，該方(fang)法(fa)(fa)適(shi)應性欠(qian)佳。
隨著(zhu)差(cha)(cha)分(fen)(fen)階數的提高，考慮到差(cha)(cha)分(fen)(fen)過(guo)(guo)程中的累積誤差(cha)(cha)，采用(yong)后向差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)。用(yong)x°(h)表(biao)示(shi)離散采樣(yang)信(xin)(xin)(xin)號序列(lie)，用(yong)（h）表(biao)示(shi)采樣(yang)信(xin)(xin)(xin)號經(jing)過(guo)(guo)一階差(cha)(cha)分(fen)(fen)后的數字序列(lie)，x2(k)）表(biao)示(shi)經(jing)過(guo)(guo)9二(er)階差(cha)(cha)分(fen)(fen)后的數字序列(lie)，為簡化計算，步(bu)長取(qu)1，也即向后一步(bu)差(cha)(cha)分(fen)(fen)。從信(xin)(xin)(xin)號處(chu)理(li)效果出發，也可以(yi)用(yong)多步(bu)差(cha)(cha)分(fen)(fen)處(chu)理(li)，可根據現場應用(yong)效果進行調試。
通過式（4-4)～式（4-7）可計算出檢(jian)(jian)測信(xin)號(hao)的各階(jie)差(cha)分(fen)輸(shu)出量(liang)(liang)，并可利用檢(jian)(jian)測量(liang)(liang)和差(cha)分(fen)輸(shu)出量(liang)(liang)來構建評判指標(biao)，而不是僅在檢(jian)(jian)測信(xin)號(hao)波形(xing)上尋求解決(jue)方案，從而可有效地避免缺(que)陷其他形(xing)態特征(zheng)對內、外部(bu)缺(que)陷區分(fen)的影響。
數(shu)字信號差分處理可以通過軟件算(suan)法(fa)實現，其(qi)僅對原始采樣(yang)數(shu)據進行差分處理即(ji)可實現在役漏(lou)磁檢測設備的性(xing)能提升，而無須對檢測探(tan)頭及信號采集系統(tong)做任何硬(ying)件修改，具有重要(yao)的實際應用(yong)價值。
三、內、外部缺陷檢(jian)測信號的(de)數(shu)字差分處理
差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)既然可以(yi)起到頻率成分(fen)的(de)(de)析(xi)取(qu)(qu)作用(yong)，那么可以(yi)進(jin)一步理(li)(li)解(jie)為(wei)(wei)：具有不同頻率成分(fen)的(de)(de)內、外部(bu)缺陷(xian)檢(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)對(dui)(dui)(dui)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)的(de)(de)響應輸出量(liang)(liang)也(ye)會不同；再者，由于(yu)檢(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過(guo)程(cheng)在(zai)本(ben)質(zhi)上是對(dui)(dui)(dui)檢(jian)測數據沿掃查路徑變化趨勢(shi)的(de)(de)定(ding)量(liang)(liang)描述(shu)，如果(guo)將時域檢(jian)測信(xin)(xin)(xin)號(hao)數據視為(wei)(wei)可見的(de)(de)位移(yi)量(liang)(liang)，則一階差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過(guo)程(cheng)更傾向(xiang)于(yu)描述(shu)這(zhe)種位移(yi)量(liang)(liang)的(de)(de)變化特征(zheng)，即速度(du)信(xin)(xin)(xin)息；不難(nan)理(li)(li)解(jie)，進(jin)一步的(de)(de)二(er)(er)階差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)不妨視為(wei)(wei)對(dui)(dui)(dui)這(zhe)種位移(yi)量(liang)(liang)的(de)(de)加速度(du)信(xin)(xin)(xin)息的(de)(de)提取(qu)(qu)，而加速度(du)更傾向(xiang)于(yu)描述(shu)或體現出事物的(de)(de)本(ben)質(zhi)特征(zheng)。利用(yong)二(er)(er)階差(cha)分(fen)輸出量(liang)(liang)與信(xin)(xin)(xin)號(hao)源(yuan)(yuan)進(jin)行特征(zheng)參(can)數的(de)(de)參(can)照對(dui)(dui)(dui)比，可發現內、外部(bu)缺陷(xian)產生(sheng)的(de)(de)漏磁信(xin)(xin)(xin)號(hao)源(yuan)(yuan)在(zai)差(cha)分(fen)處(chu)理(li)(li)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)差(cha)異。
1. 刻槽內、外(wai)位置區分(fen)
下(xia)面(mian)對不同位(wei)置刻(ke)槽(cao)檢測信號進行差(cha)分(fen)處理，研究缺陷(xian)的位(wei)置特(te)征與二(er)階差(cha)分(fen)輸出量之間(jian)的關聯(lian)性。以外徑(jing)為(wei)(wei)88.9mm、壁(bi)厚為(wei)(wei)9.35mm的鋼管作為(wei)(wei)試件，采(cai)用電火花加工方法，分(fen)別在鋼管內、外壁(bi)刻(ke)制不同深度(du)的周向(xiang)刻(ke)槽(cao)。同樣，選用集成霍爾元件UGN-3505作為(wei)(wei)磁(ci)敏感元件，以0.5mm提(ti)離距離封裝于檢測探頭(tou)內部，拾取漏磁(ci)場的法向(xiang)分(fen)量。試驗過(guo)程(cheng)中(zhong)，保證探頭(tou)掃查速(su)度(du)恒定不變，檢測信號及二(er)階差(cha)分(fen)輸出如圖4-22所示。
從圖4-22中可(ke)以(yi)看出，對(dui)檢(jian)測(ce)數據進行后向二階差(cha)(cha)分處理，可(ke)以(yi)使得差(cha)(cha)分輸(shu)(shu)出量(liang)在波(bo)(bo)形(xing)上類似于原始檢(jian)測(ce)信號波(bo)(bo)形(xing)，相鄰波(bo)(bo)峰與(yu)波(bo)(bo)谷之間出現位置互換。分析(xi)檢(jian)測(ce)信號與(yu)二階差(cha)(cha)分輸(shu)(shu)出量(liang)之間的(de)關系時，重點觀察兩者峰-峰值這一(yi)特征參(can)數的(de)變化情況。為(wei)便(bian)于論述評判(x)z4指(zhi)標的(de)構建(jian)過程，缺陷的(de)檢(jian)測(ce)信號與(yu)二階差(cha)(cha)分輸(shu)(shu)出量(liang)分別記為(wei)V°(x)和。通過比較Vo(x)zA（x）和峰-峰值來構建(jian)評判指(zhi)標，即
分(fen)析表4-7中的(de)(de)(de)數據可(ke)以發現，內(nei)、外(wai)部(bu)缺(que)(que)陷評判指標βa的(de)(de)(de)量值差異(yi)較大，因(yin)此，可(ke)以通(tong)過(guo)設定合理的(de)(de)(de)區分(fen)門限來達到區分(fen)內(nei)、外(wai)部(bu)缺(que)(que)陷的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)，而且缺(que)(que)陷深度對評判指標βa的(de)(de)(de)影響較小，不會因(yin)為(wei)缺(que)(que)陷的(de)(de)(de)深度過(guo)大或是過(guo)小產生評判失效。
2. 不通(tong)孔內、外(wai)位置區分
下面(mian)進一步討論數字信(xin)號差(cha)分方法(fa)在不通孔(kong)缺(que)陷上的適用(yong)性。仍然選用(yong)鋼(gang)(gang)管(guan)作為(wei)(wei)試(shi)件(jian)，外徑為(wei)(wei)88.9mm，壁(bi)厚為(wei)(wei)9.35mm，并在鋼(gang)(gang)管(guan)上加工各類不通孔(kong)缺(que)陷。檢測探頭采(cai)用(yong)集成霍爾元件(jian)UGN-3503作為(wei)(wei)磁敏感元件(jian)進行封(feng)裝，實際提(ti)離距(ju)離為(wei)(wei)0.5mm，拾取漏磁場的法(fa)向分量Va(x)，檢測信(xin)號及二階差(cha)分輸出如圖4-23所示。
根(gen)據式（4-8）計算評判(pan)指標(biao)(biao)βa，見(jian)表4-8。可以發現，對于不(bu)同位(wei)置和(he)形(xing)狀的不(bu)通孔(kong)缺陷，β。仍(reng)可作(zuo)為(wei)評判(pan)指標(biao)(biao)來區分和(he)識(shi)別(bie)缺陷的位(wei)置特(te)(te)(te)征(zheng)。由(you)于該評判(pan)指標(biao)(biao)是(shi)對時(shi)域檢測(ce)信(xin)號與其二階差分輸出量之間進(jin)行(xing)對比，而不(bu)是(shi)僅僅對信(xin)號的波形(xing)特(te)(te)(te)征(zheng)進(jin)行(xing)信(xin)息提取(qu)，因此保證了評判(pan)方法(fa)對具(ju)(ju)有(you)不(bu)同形(xing)態特(te)(te)(te)征(zheng)的缺陷仍(reng)然(ran)具(ju)(ju)有(you)良(liang)好的位(wei)置特(te)(te)(te)征(zheng)識(shi)別(bie)能力。
3. 斜(xie)向裂紋內、外(wai)位置(zhi)區分
不銹鋼管在生(sheng)產和(he)使用過程中(zhong)，當受到復(fu)雜載荷(he)的作(zuo)用時，往(wang)往(wang)會在內(nei)、外管壁(bi)出現(xian)與鋼管軸向處于既非垂(chui)直、也非平行的斜(xie)向裂紋。下面討論數字信號差(cha)分方法在斜(xie)向裂紋上的適用性。
在不銹(xiu)鋼管(guan)內(nei)、外表面上用(yong)電火(huo)花(hua)方法加工斜向刻槽(cao)，刻槽(cao)相對于管(guan)材軸(zhou)向方向傾斜45°，深度(du)分(fen)別(bie)為1.0mm（外部缺(que)(que)陷(xian)），3.0mm（內(nei)部缺(que)(que)陷(xian)），寬(kuan)度(du)均(jun)為0.5mm；鋼管(guan)直(zhi)線(xian)前(qian)進，磁化(hua)器(qi)仍然選(xuan)用(yong)直(zhi)流磁化(hua)線(xian)圈，斜向缺(que)(que)陷(xian)的檢測(ce)信號及二階(jie)差分(fen)輸(shu)出(chu)如圖4-24所(suo)示(shi)。
利用式（4-8）計算評(ping)判指(zhi)標(biao)βd，見(jian)表4-9。可以(yi)發現(xian)，通過設(she)定區(qu)分(fen)門限（如βr-d=0.2）可以(yi)有效區(qu)分(fen)斜(xie)向裂(lie)紋的位置特征。
從表(biao)4-9中(zhong)可以看出，評判指(zhi)標βa適應(ying)性(xing)較好(hao)，受缺陷(xian)的其他形(xing)態(tai)特征影響較小，如缺陷(xian)的形(xing)狀、深(shen)度和走向等，可對各種內、外部缺陷(xian)進行有(you)效的區分(fen)。
上(shang)述試驗過程(cheng)中，評判指標(biao)的構(gou)建(jian)是(shi)(shi)基于(yu)(x)。4檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號與其(qi)二階(jie)差分輸(shu)出量之間(x)4的相(xiang)似特征參數（即峰-峰值），區分流程(cheng)如圖4-25所示。由于(yu)該評判指標(biao)的構(gou)建(jian)過程(cheng)僅僅是(shi)(shi)對(dui)常規漏磁檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號進行(xing)算法上(shang)的處理，對(dui)檢(jian)(jian)測(ce)硬件未加(jia)任(ren)何改動，因此(ci)在傳統漏磁檢(jian)(jian)測(ce)設備上(shang)可(ke)方便(bian)地添加(jia)內、外部缺陷區分功能，有效升級傳統漏磁設備的檢(jian)(jian)測(ce)功能。
