超聲探傷儀原理、計量及測量不確定度研究

張順良

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超聲探傷儀原理、計量及測量不確定度研究

張順良

引言

超聲探傷儀是一種重要的無損檢測儀器。在廈門市的應(yīng)用十分廣泛，其性能的好壞，測量數(shù)據(jù)的準確與否直接影響著鍋爐、起吊設(shè)備、船舶、飛機維修等的安全生產(chǎn)。因此為了保證安全生產(chǎn)，確保各零部件，結(jié)構(gòu)件、原材料及產(chǎn)成品的質(zhì)量對超聲探傷儀進行正確的計量并對其測量結(jié)果進行正確的不確定度評定具有極重要的意義。

超聲探傷儀的工作原理

超聲探傷儀是運用反射及變頻的原理來對材料進行檢測的。當超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播就產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的一種技術(shù)手段稱之為超聲檢測。當超聲波在介質(zhì)中傳播時，在不同質(zhì)界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超聲波波長時，則超聲波在缺陷上反射回來，探傷儀可將反射波顯示出來；如缺陷的尺寸甚至小于波長時，聲波將繞過射線而不能反射，從而來確定是否存在缺陷及缺陷的位置。

超聲探傷儀的計量

1.檢定/校準前的準備工作

（1）檢定室內(nèi)環(huán)境條件應(yīng)符合JJG746-2004《超聲探傷儀》檢定規(guī)程的要求。使用前將檢定裝置頻率、增益、時延、衰減器旋鈕置適中位置，電源開關(guān)置“開”（電源開關(guān)在背板上），調(diào)節(jié)頻率旋鈕，可得0.5MHZ-15MHZ信號。

（2）將被檢超聲探傷儀工作方式置“雙”（即一收一發(fā)狀態(tài)），切忌置“單”；有的數(shù)字機是以探頭的類型來選擇工作方式，請選擇“穿透”類型；如果只有雙晶和單晶的選擇，請選擇雙晶。在檢定裝置開機穩(wěn)定后，將其輸出端與被檢超聲探傷儀接收端，輸入端與被檢超聲探傷儀發(fā)射端分別用測試線相連接。

（3）將被檢超聲探傷儀掃描量程置適中位置（250mm或50mm），抑制置“0”，調(diào)節(jié)檢定裝置的頻率旋鈕到規(guī)程規(guī)定的頻率，并與檢定裝置的頻率保持一致，將被檢超聲探傷儀的探頭類型改為直探頭，聲速設(shè)定為“鋼直聲速”，聲速設(shè)置為5900m/s。

2.檢定/校準的步驟

（1）調(diào)節(jié)檢定裝置或被檢超聲探傷儀的衰減器及增益旋鈕，使調(diào)制信號幅度為顯示屏垂直滿刻度數(shù)的80%，適當調(diào)節(jié)時延旋鈕和被檢儀器的脈沖位移和掃描微調(diào)旋鈕，使第一次調(diào)制信號前沿對準顯示屏的0刻度線，第六次調(diào)制信號前沿對準顯示屏的10刻度線，依次讀取第二至第五調(diào)制信號前沿與2、4、6、8刻度線在水平方向的偏差L（格數(shù)），取其絕對值最大的偏差αmax，根據(jù)規(guī)程要求進行水平線性的檢測。

（2）用被檢超聲探傷儀衰減器衰減量與檢定裝置衰減器衰減量進行比較的方法，讀取衰減量誤差，讀數(shù)精確到0.1dB，即超聲探傷儀衰減量增加2dB（或xdB），檢定裝置衰減量減少2dB（或xdB），并用檢定裝置衰減器進行補償，使調(diào)制信號回到垂直滿刻度的80%處，其補償量為被檢超聲探傷儀衰減器衰減量誤差。

（3）選定某次調(diào)制信號，調(diào)節(jié)為顯示屏垂直滿刻度數(shù)的100%，同時，檢定裝置有30dB以上的衰減余量。依次記下檢定裝置每衰減2dB時，該調(diào)制信號幅度的百分數(shù)，直至衰減達26dB，然后將此實測值與規(guī)程中表2的理論值相比較，取最大正偏差與最大負偏差絕對值之和，作為垂直線性誤差，以百分數(shù)表示。

（4）在（3）衰減達26dB后，繼續(xù)衰減直到剛能辨認調(diào)制信號最小值（1%）時的衰減量加上26dB，即為被檢超聲探傷儀的動態(tài)范圍。

（5）將被檢超聲探傷儀的靈敏度調(diào)至最大（釋放所有衰減量，增益調(diào)至最大），取下測試連線（避免外界干擾），讀取顯示屏時基線上電噪聲在垂直刻度上的平均幅度即為電噪聲電平，以百分數(shù)表示。 在電噪聲電平檢測完畢后，用檢定裝置的衰減器和增益旋鈕調(diào)節(jié)調(diào)制信號的幅度，使其為電噪聲電平百分數(shù)的兩倍。如果檢定裝置的衰減器和增益旋鈕都不能將其調(diào)到位，這時可以借用被檢超聲探傷儀的衰減器進行調(diào)節(jié)。 將調(diào)制信號的幅度調(diào)節(jié)為電噪聲電平百分數(shù)的兩倍后，從被檢超聲探傷儀的輸入端取下連線，將其接至示波器，用示波器測量此時調(diào)制信號的峰一峰值電壓。按規(guī)程要求計算最大使用靈敏度。

（6）將直探頭加適量的耦合劑適當?shù)伛詈显贑S-1-5試塊上，調(diào)節(jié)被檢探傷儀衰減器使孔波輻度為垂直刻度的50%記下增益值A(chǔ)，除去探頭，增加增益使噪聲電平達10%，記下增益B，靈敏度余量=B-A。

（7）掃描范圍的檢定將直探頭適當?shù)伛詈显跇藴试噳K上并調(diào)節(jié)被檢超聲探傷儀使顯示在熒光屏上的多次底波中最后一次底波的幅度大于垂直刻度的50%，然后在水平刻度0～100的范圍內(nèi)讀出底波的個數(shù)n，掃描范圍L=nD。

（8）分辨率的檢測是區(qū)分相鄰而不連續(xù)缺陷的能力。檢定時將直探頭適當?shù)伛詈显贑SK-1A試塊上并輕微移動試塊當80mm與90mm兩處的回波波峰等高且調(diào)至80%，記下增益值A(chǔ)；穩(wěn)住探頭將80mm和90mm兩處回波波谷調(diào)至垂直刻度的80%記下增益值B。分辨率=A-B。

3.檢定/校準后的作業(yè)

（1）探傷儀使用完畢，應(yīng)對儀器的外表進行清潔，然后放置于室內(nèi)干燥通風處；

（2）探頭連線切忌扭曲重壓，在拔、插連線時應(yīng)抓住插頭根部；

（3檢定完畢后需將檢定裝置及被檢超聲探傷儀調(diào)至起始狀態(tài)。

4.檢定/校準注意事項

（1）儀器關(guān)機后必須停5秒以上方可再次開機，不可反復開關(guān)；

（2）避免強力震動、沖擊和強民磁場的干擾；

（3）不要長期置于高溫、潮濕和有腐蝕氣體的環(huán)境之中；

（4）按鍵操作不宜用過猛，不宜用沾有過多油污和泥水的手操作儀器鍵盤。

超聲探傷儀的測量結(jié)果不確定度評定

按照JJG746-2004《超聲探傷儀》檢定規(guī)程的要求，對其水平線性、垂直線性、衰減誤差、動態(tài)范圍、噪聲電平、最大使用靈敏性、探傷靈敏度余量、掃描范圍及分辯力等各參數(shù)測量指標均有要求?，F(xiàn)以衰減誤差為例進行其測量結(jié)果不確定度評定。

1.數(shù)學模型

根椐規(guī)程，在忽略溫度、濕度、磁場變化的影響條件下，利用經(jīng)過檢定合格的超聲探傷儀檢定裝置直接測量被檢超聲探傷儀的衰減器誤差，用被檢超聲儀與檢定裝置讀數(shù)的差值，取其平均值作為衰減器衰減誤差數(shù)學模型如下

2.方差與傳播系數(shù)

3.標準不確定度分量及其評定

（1）超聲探傷儀檢定裝置引入的不確定度分量

已知檢定裝置在 20dB處的最大允許誤差為±（20×0.5%+0.02）=±0.12d.。 半寬度 α為0.12dB，在此區(qū)間為均勻分布，包含因子，則

（2）被檢超聲探傷儀示值重復性引入的不確定度分量

取一超聲探傷儀在標準器衰減20.0dB條件下，顯示如下結(jié)果，即mx等于下值：

表1 超聲探傷儀在標準器衰減20.0dB條件下的mX

因此算術(shù)平均值為：

單次實驗標準差為：

4.合成不確定度

5.擴展不確定度

超聲探傷儀其它指標的示值結(jié)果的不確定度評定可按上述方法進行。

結(jié)束語

隨著超聲探傷儀使用的日益廣泛，對其正確的計量和不確定度評定也越顯重要，只有經(jīng)檢定合格的超聲探傷儀才能保證工業(yè)生產(chǎn)的安全和順利進行，本文提出了筆者從事超聲探傷儀檢定的經(jīng)驗，希望對同行人員能起到一定的參考和幫助。

（作者單位：廈門市計量檢定測試院）