基于双层梯度检测的区分方法优化

前面所述的基于中心频率、中心斜率和数字信号差分的三种方法均属于信号后处理方法，是对检测结果的进一步处理。这里，介绍一种基于传感器布置的双层梯度检测方法，它通过特殊的传感器阵列布置及其处理方法来区分缺陷的位置。具体实施方法为：从冗余检测出发，在法向上布置两层阵列磁敏感元件，实现两个特定间隔测点的梯度检测，并对得到的检测信号进行对比分析，然后利用内、外部缺陷的检测信号峰-峰值在提离方向上的衰减率进行评判。最后，构建出归一化衰减率作为评判参数来对缺陷的内、外位置进行评判。

1.内、外部缺陷检测信号的提离特性和双层梯度检测

当考虑不同的传感器提离值时，实际上检测得到的数字信号是关于不同提离平面上的一组信号序列。如图4-26所示，下面讨论漏磁场法向分量在不同提离值h下的检测信号峰-峰值变化规律，并将内、外部缺陷检测信号的峰-峰值分别记为V_inpp（h）和V_expp（h）。

（1）V_expp（h）和V_inpp（h）的提离特性 采用钢板进行内、外部缺陷提离特性试验，在其表面加工人工缺陷，分别有不通孔、横向刻槽以及斜向刻槽，如图4-27所示。用霍尔元件拾取漏磁场法向分量，通过改变霍尔元件与钢板表面之间的距离，即提离值h的大小，考察各人工缺陷在正面和反面检测时信号峰-峰值的差异。钢板漏磁检测试验平台如图4-28所示，试验钢板厚度、宽度和长度分别为9.6mm、100mm和1000mm，采用电火花和机械加工方法制作人工缺陷，见表4-10，刻槽长度均为40.0mm，宽度均为1.0mm。磁化器采用穿过式直流磁化线圈，确保钢板被轴向磁化至饱和状态。

图4-26 内、外部缺陷漏磁场法向分量信号波形

图4-27 钢板上的人工缺陷

图4-28 钢板漏磁检测试验平台

表4-10 9.6mm厚钢板人工缺陷的深度与走向

试验获得的人工缺陷正面检测和背面检测对应的峰-峰值V_expp（h）和V_inpp（h）与提离值h之间的拟合曲线簇，如图4-29和图4-30所示。从图中可以看出，峰-峰值V_expp（h）和V_inpp（h）的递减趋势虽然相同，但两者的变化速率则有明显区别，内部缺陷信号峰-峰值V_inpp（h）随提离值的增加递减平缓，而外部缺陷信号峰-峰值V_expp（h）递减陡峭，当提离值大于1.0mm后，内、外部缺陷信号峰-峰值均呈现出平缓的变化趋势。

图4-29 外部缺陷信号峰-峰值V_expp（h）与提离值的关系曲线（正面检测）

图4-30 内部缺陷信号峰-峰值V_inpp（h）与提离值的关系曲线（背面检测）

（2）双层梯度检测方法 根据V_expp（h）和V_inpp（h）提离特性的不同，提出一种双层梯度检测方法，即沿着相同法线方向的不同提离值（h₁＜h₂）处布置两个测点，通过获取测点处缺陷漏磁场法向分量信号峰-峰值V_pp（z）在提离方向上的衰减率R_ld（h₂-h₁）作为评判指标，也即

其中，衰减率R_ld实际上是利用两测点的峰-峰值差ΔV_pp（h）与两测点的提离值差Δh之比来实现的。当Δh足够小时，可以视为函数V_pp（h）在h方向上的梯度，由于检测元件具有一定厚度，两个测点间的间隔不可能无限小，实际应用中，只有当内、外部缺陷峰-峰值V_pp（h）的衰减率R_ld之间存在明显差异时，才有可能有效应用于内、外部缺陷的区分。为便于论述，对应于内部缺陷和外部缺陷检测信号，衰减率分别记为IR_ld和ER_ld。

从图4-29和图4-30中可以看出，在不同提离值下，V_expp（h）和V_inpp（h）的变化趋势仅在一定区域具有明显差异。在此区域，外部缺陷检测信号峰-峰值V_expp（h）随提离值的增加剧烈减小，而内部缺陷检测信号峰-峰值V_inpp（h）的变化程度相对缓慢。

当h分别取0.3mm、0.5mm、0.7mm时，将V_expp（h）和V_inpp（h）进行对比分析，发现提离值为0.3mm与0.7mm时，内、外部缺陷峰-峰值衰减率有明显差异，见表4-11。

表4-11 厚度为9.60mm的钢板衰减率计算值

采用不同厚度的钢板进一步试验，缺陷参数和峰-峰值衰减率见表4-12～表4-15。(www.xing528.com)

表4-12 厚度为8.0mm钢板上的缺陷及其峰-峰值衰减率

表4-13 厚度为14.7mm钢板上的缺陷及其峰-峰值衰减率

表4-14 厚度为17.2mm钢板上的缺陷及其峰-峰值衰减率

表4-15 厚度为23.7mm钢板上的缺陷及其峰-峰值衰减率

通过大量对比试验可以发现，提离值分别取0.3mm与0.7mm时，内、外部缺陷衰减率差异较为稳定，无论缺陷形态特征如何，内、外部缺陷的衰减率均有较大差异。从上述列表中的数值可以看出，衰减率的量值并不随缺陷的其他特征（如裂纹的走向、形状等）的改变而发生大的变化。此外，随着被检测钢板厚度的加大，内、外部缺陷的衰减率差别更大。

2.内、外部缺陷位置区分特征量

对于相同尺寸的内、外部缺陷，在不同提离位置上的两个测点处得到的峰-峰值差值，外部缺陷信号明显大于内部缺陷信号。为此，提出归一化的峰-峰值差值，同时得到归一化衰减率R_ld′，即

其中，V_pp（z）对应外部缺陷时为V_expp（z），对应内部缺陷时为V_inpp（z）。为便于表达，将外部缺陷和内部缺陷归一化衰减率分别记为ER_ld′和IR_ld′。实际检测时，用R_ld′来辨别缺陷信号对应的是外部缺陷还是内部缺陷。

进一步，试验验证将归一化衰减率作为钢管内、外部缺陷区分标准的可行性，设计双层霍尔元件阵列封装检测探头，结构及实物如图4-31所示。采用厚度为0.3mm的聚甲醛片作为耐磨片，微型霍尔元件厚度为0.4mm，最终形成双层霍尔元件相对于钢管表面提离距离分别为0.3mm和0.7mm。选用厚度为9.35mm、外径为88.9mm的钢管作为试件，采用电火花及机械加工方法在钢管上加工内、外部缺陷，见表4-16，采用直流磁化线圈对钢管进行轴向磁化，检测速度保持稳定。

图4-31 基于双层元件测量的钢管漏磁检测内、外部缺陷区分探头

通过试验数据计算归一化衰减率，见表4-16，并绘制成如图4-32所示的分布图。从图中可以发现，钢管中内、外部缺陷具有较明显的量值差异。该方法区分正确率高，然而探头系统较为复杂，需要更多的通道数来实现冗余检测，因此一般用于高品质钢管的检测。

表4-16 ϕ88.9mm钢管内、外部缺陷归一化衰减率试验数据

内、外部缺陷区分是钢管漏磁检测过程中的关键问题，它是内、外部缺陷实现一致性评判的基础，也就是要求无论缺陷处于钢管内部还是外部，相同尺寸的缺陷经过漏磁检测后必须获得相同的评价损伤量级。内、外部缺陷区分有很多方法，如基于缺陷信号中心频率、中心斜率和数字差分的后处理方法，以及基于双层梯度检测的冗余测量方法。当然，还可与其他无损检测方法进行联合检测，如漏磁检测与涡流检测方法，由于涡流只能检测钢管表面及近表面缺陷，与漏磁检测方法联合之后可以对缺陷的位置进行正确判断；还有漏磁与超声复合检测方法，超声检测可根据声波的传递速度和传递时间来判断出缺陷位置。

每种内、外部缺陷区分方法都各有优缺点，没有一种方法可100%正确区分。在选择缺陷区分方法时，要根据检测要求、工件特性、缺陷类型、使用工况以及设备成本来选择合适有效的内、外部缺陷区分方法。

图4-32 钢管内、外部缺陷归一化衰减率分布图