不銹鋼管漏磁檢測(cè)中，缺陷的位置信息與檢測(cè)信號(hào)波形特征之間并不存在一對(duì)一的映射關(guān)系。通過信號(hào)波形特征對(duì)缺陷的位置進(jìn)行識(shí)別存在一定的不確定性。檢測(cè)信號(hào)的波形特征會(huì)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(qū)分方法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。這里介紹一種基于數(shù)字信號(hào)差分的區(qū)分方法。
一、漏磁場(chǎng)的正交分量
漏磁場(chǎng)具有矢量特性，當(dāng)采用霍爾元件作為磁敏感元件時(shí)，通過設(shè)計(jì)元件的布置方向，可以獲得漏磁場(chǎng)的兩個(gè)相互正交的分量，即法向分量Vn(x)與切向分量V1(x)）。沿著檢測(cè)探頭的掃查軌跡方向，在與檢測(cè)表面垂直的平面內(nèi)觀察，可以將三維空間場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維場(chǎng)，進(jìn)一步可分別研究漏磁場(chǎng)法向分量Vn（x）與切向分量VV1(x)）的分布情況，這樣可以完備描述漏磁場(chǎng)的矢量分布特征。而單方面考察一個(gè)分量常常不足以對(duì)漏磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確、充分地描述。
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(nèi)、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(gè)集成霍爾元件，在空間上呈相互垂直的角度擺放，分別檢測(cè)不銹鋼管中人工缺陷漏磁場(chǎng)的法向分量Va(x)與切向分量V1(x)，信號(hào)波形如圖4-20和圖4-21所示。
如果單獨(dú)利用切向或法向分量的檢測(cè)信號(hào)波形特征對(duì)缺陷形態(tài)進(jìn)行評(píng)判，則丟失了兩者關(guān)聯(lián)性對(duì)缺陷評(píng)判的作用，為此，必須綜合利用內(nèi)、外部缺陷檢測(cè)信號(hào)的切向分量與法向分量。從漏磁檢測(cè)拾取本質(zhì)過程來(lái)看，通過多元件布置不可能在空間某一點(diǎn)對(duì)漏磁場(chǎng)進(jìn)行各分量信息的同步拾取，因?yàn)槎鄠€(gè)磁敏感元件所處的空間檢測(cè)點(diǎn)并不能完全重合，而且會(huì)增加傳感器系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，通過精確構(gòu)造能夠拾取漏磁場(chǎng)正交分量的辦法比較困難。這里介紹一種正交變換的方法，可對(duì)檢測(cè)信號(hào)本身進(jìn)行特征考察。
差分處理是正交變換的一種，從差分處理的功能來(lái)看，對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)某一分量檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行二階差分處理之后，可以得到與原始檢測(cè)信號(hào)近似映像關(guān)系的輸出量，從而使得兩者在波形特征上具有了可參照、可對(duì)比的特征參數(shù)，如峰-峰值。這樣一來(lái)，可以提取同一檢測(cè)點(diǎn)的空間多維度信息，并保證了信息量均來(lái)源于同一空間檢測(cè)點(diǎn)。
二、數(shù)字信號(hào)的差分處理分析
缺陷產(chǎn)生的漏磁檢測(cè)信號(hào)是一種有限的數(shù)值序列，它反映著檢測(cè)空間內(nèi)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度沿著掃查路徑方向上的變化情況，間接反映了缺陷的形態(tài)特征。以檢測(cè)路徑x為自變量，以采樣點(diǎn)得到的物理量具體數(shù)值為縱坐標(biāo)，按各空間點(diǎn)的檢測(cè)順序排列起來(lái)，在顯示設(shè)備上形成可用于分析的信號(hào)波形。
實(shí)際上，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)信號(hào)的模式識(shí)別。部分研究人員采用投影算法，在不增加分析軟件計(jì)算量的同時(shí)，提高了漏磁檢測(cè)的信噪比，初步實(shí)現(xiàn)了同類型缺陷的位置特征識(shí)別。但從本質(zhì)來(lái)看，該方法仍未脫離根據(jù)信號(hào)波形特征進(jìn)行類型劃分的范疇，容易受到其他因素的干擾，對(duì)形態(tài)特征隨機(jī)性較強(qiáng)的自然缺陷適應(yīng)性較差。
對(duì)時(shí)域離散信號(hào)進(jìn)行數(shù)字差分處理，可以有效地消去檢測(cè)信號(hào)中的趨勢(shì)項(xiàng)，提高信號(hào)的信噪比。由于內(nèi)、外部缺陷檢測(cè)信號(hào)的頻率段不同，部分學(xué)者提出對(duì)模擬檢測(cè)信號(hào)采用一階差分處理的方法，經(jīng)過差分處理之后的信號(hào)波形可以提高內(nèi)、外部缺陷檢測(cè)信號(hào)的差異程度。但其評(píng)判規(guī)則仍是以內(nèi)、外部缺陷信號(hào)的波形特征為依據(jù)的，只不過用于對(duì)比的波形是經(jīng)過一次差分處理之后得到的，雖然提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比，但對(duì)于缺陷的深度、形狀以及走向等形態(tài)特征不一致的情況，該方法適應(yīng)性欠佳。
隨著差分階數(shù)的提高，考慮到差分過程中的累積誤差，采用后向差分處理。用x°(h)表示離散采樣信號(hào)序列，用（h）表示采樣信號(hào)經(jīng)過一階差分后的數(shù)字序列，x2(k)）表示經(jīng)過9二階差分后的數(shù)字序列，為簡(jiǎn)化計(jì)算，步長(zhǎng)取1，也即向后一步差分。從信號(hào)處理效果出發(fā)，也可以用多步差分處理，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行調(diào)試。
通過式（4-4)～式（4-7）可計(jì)算出檢測(cè)信號(hào)的各階差分輸出量，并可利用檢測(cè)量和差分輸出量來(lái)構(gòu)建評(píng)判指標(biāo)，而不是僅在檢測(cè)信號(hào)波形上尋求解決方案，從而可有效地避免缺陷其他形態(tài)特征對(duì)內(nèi)、外部缺陷區(qū)分的影響。
數(shù)字信號(hào)差分處理可以通過軟件算法實(shí)現(xiàn)，其僅對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理即可實(shí)現(xiàn)在役漏磁檢測(cè)設(shè)備的性能提升，而無(wú)須對(duì)檢測(cè)探頭及信號(hào)采集系統(tǒng)做任何硬件修改，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
三、內(nèi)、外部缺陷檢測(cè)信號(hào)的數(shù)字差分處理
差分處理既然可以起到頻率成分的析取作用，那么可以進(jìn)一步理解為：具有不同頻率成分的內(nèi)、外部缺陷檢測(cè)信號(hào)對(duì)差分處理的響應(yīng)輸出量也會(huì)不同；再者，由于檢測(cè)信號(hào)的差分處理過程在本質(zhì)上是對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)沿掃查路徑變化趨勢(shì)的定量描述，如果將時(shí)域檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)視為可見的位移量，則一階差分處理過程更傾向于描述這種位移量的變化特征，即速度信息；不難理解，進(jìn)一步的二階差分處理不妨視為對(duì)這種位移量的加速度信息的提取，而加速度更傾向于描述或體現(xiàn)出事物的本質(zhì)特征。利用二階差分輸出量與信號(hào)源進(jìn)行特征參數(shù)的參照對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外部缺陷產(chǎn)生的漏磁信號(hào)源在差分處理過程中的差異。
1. 刻槽內(nèi)、外位置區(qū)分
下面對(duì)不同位置刻槽檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分處理，研究缺陷的位置特征與二階差分輸出量之間的關(guān)聯(lián)性。以外徑為88.9mm、壁厚為9.35mm的鋼管作為試件，采用電火花加工方法，分別在鋼管內(nèi)、外壁刻制不同深度的周向刻槽。同樣，選用集成霍爾元件UGN-3505作為磁敏感元件，以0.5mm提離距離封裝于檢測(cè)探頭內(nèi)部，拾取漏磁場(chǎng)的法向分量。試驗(yàn)過程中，保證探頭掃查速度恒定不變，檢測(cè)信號(hào)及二階差分輸出如圖4-22所示。
從圖4-22中可以看出，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后向二階差分處理，可以使得差分輸出量在波形上類似于原始檢測(cè)信號(hào)波形，相鄰波峰與波谷之間出現(xiàn)位置互換。分析檢測(cè)信號(hào)與二階差分輸出量之間的關(guān)系時(shí)，重點(diǎn)觀察兩者峰-峰值這一特征參數(shù)的變化情況。為便于論述評(píng)判(x)z4指標(biāo)的構(gòu)建過程，缺陷的檢測(cè)信號(hào)與二階差分輸出量分別記為V°(x)和。通過比較Vo(x)zA（x）和峰-峰值來(lái)構(gòu)建評(píng)判指標(biāo)，即
分析表4-7中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)、外部缺陷評(píng)判指標(biāo)βa的量值差異較大，因此，可以通過設(shè)定合理的區(qū)分門限來(lái)達(dá)到區(qū)分內(nèi)、外部缺陷的目的，而且缺陷深度對(duì)評(píng)判指標(biāo)βa的影響較小，不會(huì)因?yàn)槿毕莸纳疃冗^大或是過小產(chǎn)生評(píng)判失效。
2. 不通孔內(nèi)、外位置區(qū)分
下面進(jìn)一步討論數(shù)字信號(hào)差分方法在不通孔缺陷上的適用性。仍然選用鋼管作為試件，外徑為88.9mm，壁厚為9.35mm，并在鋼管上加工各類不通孔缺陷。檢測(cè)探頭采用集成霍爾元件UGN-3503作為磁敏感元件進(jìn)行封裝，實(shí)際提離距離為0.5mm，拾取漏磁場(chǎng)的法向分量Va(x)，檢測(cè)信號(hào)及二階差分輸出如圖4-23所示。
根據(jù)式（4-8）計(jì)算評(píng)判指標(biāo)βa，見表4-8?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同位置和形狀的不通孔缺陷，β。仍可作為評(píng)判指標(biāo)來(lái)區(qū)分和識(shí)別缺陷的位置特征。由于該評(píng)判指標(biāo)是對(duì)時(shí)域檢測(cè)信號(hào)與其二階差分輸出量之間進(jìn)行對(duì)比，而不是僅僅對(duì)信號(hào)的波形特征進(jìn)行信息提取，因此保證了評(píng)判方法對(duì)具有不同形態(tài)特征的缺陷仍然具有良好的位置特征識(shí)別能力。
3. 斜向裂紋內(nèi)、外位置區(qū)分
不銹鋼管在生產(chǎn)和使用過程中，當(dāng)受到復(fù)雜載荷的作用時(shí)，往往會(huì)在內(nèi)、外管壁出現(xiàn)與鋼管軸向處于既非垂直、也非平行的斜向裂紋。下面討論數(shù)字信號(hào)差分方法在斜向裂紋上的適用性。
在不銹鋼管內(nèi)、外表面上用電火花方法加工斜向刻槽，刻槽相對(duì)于管材軸向方向傾斜45°，深度分別為1.0mm（外部缺陷），3.0mm（內(nèi)部缺陷），寬度均為0.5mm；鋼管直線前進(jìn)，磁化器仍然選用直流磁化線圈，斜向缺陷的檢測(cè)信號(hào)及二階差分輸出如圖4-24所示。
利用式（4-8）計(jì)算評(píng)判指標(biāo)βd，見表4-9。可以發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)定區(qū)分門限（如βr-d=0.2）可以有效區(qū)分斜向裂紋的位置特征。
從表4-9中可以看出，評(píng)判指標(biāo)βa適應(yīng)性較好，受缺陷的其他形態(tài)特征影響較小，如缺陷的形狀、深度和走向等，可對(duì)各種內(nèi)、外部缺陷進(jìn)行有效的區(qū)分。
上述試驗(yàn)過程中，評(píng)判指標(biāo)的構(gòu)建是基于(x)。4檢測(cè)信號(hào)與其二階差分輸出量之間(x)4的相似特征參數(shù)（即峰-峰值），區(qū)分流程如圖4-25所示。由于該評(píng)判指標(biāo)的構(gòu)建過程僅僅是對(duì)常規(guī)漏磁檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行算法上的處理，對(duì)檢測(cè)硬件未加任何改動(dòng)，因此在傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)設(shè)備上可方便地添加內(nèi)、外部缺陷區(qū)分功能，有效升級(jí)傳統(tǒng)漏磁設(shè)備的檢測(cè)功能。
