國內(nèi)外超聲檢測儀器測試與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較與分析

潘強(qiáng)華，鄭 暉，張君嬌，鄭 陽，楊 齊

(中國特種設(shè)備檢測研究院 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無損檢測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

國內(nèi)外超聲檢測儀器測試與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較與分析

潘強(qiáng)華，鄭 暉，張君嬌，鄭 陽，楊 齊

(中國特種設(shè)備檢測研究院 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無損檢測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

針對國內(nèi)外超聲檢測儀的測試和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、測試條件、測試項(xiàng)目和測試方法等幾個(gè)方面進(jìn)行了比較和分析，為使用者全面了解各標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)超聲檢測儀性能方面的測試方法及差異，并根據(jù)測試目的、測試要求，選取適當(dāng)檢測方法提供了參考和依據(jù)。

超聲檢測儀；對比分析；標(biāo)準(zhǔn)

在超聲檢測儀使用過程中，對缺陷大小和位置的判定與儀器本身的電氣性能有著密切關(guān)系。為保障超聲檢測儀檢測缺陷的準(zhǔn)確性及可靠性，需要對超聲檢測儀進(jìn)行性能測試與評價(jià)。

筆者主要針對國內(nèi)外超聲檢測儀性能測試與評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，從超聲檢測儀器的檢測項(xiàng)目、檢測條件以及檢測方法等幾個(gè)方面進(jìn)行了比較分析，并對各標(biāo)準(zhǔn)中一些規(guī)定的合理性進(jìn)行了分析。為使用者全面了解各標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)超聲儀器性能方面的測量方法及差異，并根據(jù)測試目的、測試要求，選取適當(dāng)檢測方法提供了參考和依據(jù)。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前關(guān)于A型脈沖反射式超聲檢測儀的性能測試標(biāo)準(zhǔn)，在國際上較有影響力的有美國ASTM、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和歐盟EN等標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的國內(nèi)大部分標(biāo)準(zhǔn)也主要參考國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為編制依據(jù)[1]。國內(nèi)外有關(guān)超聲檢測儀性能要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有：① ASTM E 1324-2011StandardGuideforMeasuringSomeElectronicCharacteristicsofUltrasonicExaminationInstruments;② ISO 12710:2002Non-destructiveTesting-UltrasonicInspectionEvaluatingElectronicCharacteristicsofUltrasonicTestInstruments;③ ISO 18175:2004Non-destructiveTesting-EvaluatingPerformanceCharacteristicsofUltrasonicPulse-echoTestingSystemswithouttheUseofElectronicMeasurementInstruments; ④ EN 12668.1-2010Non-destructiveTestingCharacteriza-tionandVerificationofUltrasonicExaminationEquipmentPart1:Instruments;⑤ GB/T 27664.1-2011 《無損檢測 超聲檢測設(shè)備的性能與檢驗(yàn) 第1部分：儀器》(等效于EN 12668.1:2000);⑥ JB/T 9214-2010 《A型脈沖反射式超聲檢測系統(tǒng)工作性能測試方法》;⑦ JB/T 10061-1999 《A型脈沖反射式超聲波檢測儀通用技術(shù)條件》;⑧ JJG+746-2004+ 《超聲檢測儀檢定規(guī)程》。

2 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、測試條件、測試項(xiàng)目和測試方法的比較

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

國內(nèi)外超聲檢測儀測試與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)超聲檢測儀的適用范圍見表1。

表1 國內(nèi)外超聲檢測儀測試與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

2.2 測試儀器具體要求

ASTM E 1324和EN 12668標(biāo)準(zhǔn)中列出了對超聲檢測儀電氣性能的測試項(xiàng)目，規(guī)定了超聲儀器、探頭各自獨(dú)立的測試方法，并明確了對該測試項(xiàng)目所采用的電子儀器及測試裝置。

針對超聲檢測儀電氣性能測試要求，我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 27664.1和JB/T 10061兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 27664.1主要參考EN 12668.1標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容幾乎一致，這里不再討論。而JB/T 10061規(guī)定的內(nèi)容，相對而言，標(biāo)準(zhǔn)中涉及的許多性能項(xiàng)目的測試，實(shí)際上還是在被檢超聲儀器與探頭連接的狀況下進(jìn)行測試。測試條件和測試方法還較落后，測試方法及測試裝置與國外標(biāo)準(zhǔn)也存在較大差別。

各標(biāo)準(zhǔn)對測試儀器的具體要求見表2。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)對測試儀器的具體要求

2.3 測試項(xiàng)目 ASTM E 1324、ISO12710標(biāo)準(zhǔn)的測試項(xiàng)目和測試方法基本相同，ASTM E 1324和ISO 12710標(biāo)準(zhǔn)都僅說明了測試方法，未對測試結(jié)果提出指標(biāo)要求。該兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試項(xiàng)目，詳見表3。

GB/T 27664.1(等效于EN 12668.1)的文本結(jié)構(gòu)與技術(shù)內(nèi)容基本一致，而國內(nèi)超聲儀器標(biāo)準(zhǔn)JJG+746-2004的檢定要求與JB/T 10061的規(guī)定基本相同，以下對EN 12668.1與JJG+746-2004兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的測試項(xiàng)目進(jìn)行了比較，詳見表4。

表3 ASTM E 1324與ISO 12710標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試項(xiàng)目

表4 EN 12668.1與JJG+746-2004的測試參數(shù)比較

2.4 測試方法的比較

超聲檢測儀的測試標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，重點(diǎn)是考慮儀器中對檢測和結(jié)果評定有影響的參數(shù)。其中必檢的特性指標(biāo)主要有：發(fā)射部分的發(fā)射電壓、發(fā)射上升時(shí)間、發(fā)射脈沖重復(fù)頻率、發(fā)射脈沖寬度等；接收部分的串?dāng)_、動(dòng)態(tài)范圍、頻帶等主要參數(shù)。發(fā)射部分性能參數(shù)是指儀器直接激勵(lì)探頭晶片所得到超聲檢測信號的度量，接收部分性能參數(shù)是指超聲檢測儀對接收測試信號的度量，其中ASTM 1324與EN 12668.1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試方法及測試項(xiàng)目相差不大。筆者主要對我國JB/T 10061與歐標(biāo)EN 12668.1標(biāo)準(zhǔn)中的測試方法進(jìn)行了比較和分析。

圖1 EN 12668.1規(guī)定的發(fā)射部分電氣性能參數(shù)測試

2.4.1 發(fā)射部分性能參數(shù)的測試

EN 12668.1規(guī)定的發(fā)射部分電氣性能參數(shù)測試方法(見圖1)，將超聲儀器置一發(fā)一收即雙探頭工作狀態(tài)(發(fā)射輸出插座連接一個(gè)50 Ω無感電阻)，用示波器測量發(fā)射脈沖電壓U50、脈沖上升時(shí)間tr、脈沖回響的寬度td和幅度▽r。并在各種不同發(fā)射脈沖強(qiáng)度或發(fā)射脈沖頻率、在最大及最小阻尼條件下，重復(fù)進(jìn)行測試。

JB/T 10061-1999與 EN 12668.1的測量方法基本相同，但JB/T 10061-1999未規(guī)定脈沖回響的寬度td，也未規(guī)定尖脈沖、調(diào)諧脈沖的測試方法。而ASTM E 1324的測試方法與EN 12668.1的測試方法基本一致。

2.4.2 接收部分性能參數(shù)的測試

(1) 動(dòng)態(tài)范圍

EN 12668.1中規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍為儀器能顯示的最大信號電壓幅度與最小信號電壓幅度的比值，同時(shí)最大信號受放大器的飽和限制或屏幕顯示最大信號的最大衰減限制。而JB/T 10061-1999規(guī)定儀器讀取DB PZ20-2試塊平底孔信號波幅度,自垂直刻度100%下降至剛能辨認(rèn)的最小值時(shí)衰減器的調(diào)節(jié)量，定為超聲檢測儀的動(dòng)態(tài)范圍。

EN 12668.1規(guī)定的方法：采用圖2所示的測試設(shè)備，在每個(gè)頻帶的中心頻率處測定動(dòng)態(tài)范圍。由該測試設(shè)備產(chǎn)生的10周正弦波測試信號，將超聲儀器的衰減器或增益控制器調(diào)至最小增益。增加輸入信號的幅度直至其出現(xiàn)飽和或顯示為全屏幕高度的100%為止。測量輸入電壓幅度Umax(注意標(biāo)準(zhǔn)衰減器的設(shè)置)。將超聲儀器的衰減器或增益控制器調(diào)至最大增益。如果設(shè)置增益時(shí)的噪聲電平高于屏幕高度的5%，應(yīng)降低增益，直至噪聲電平為屏幕高度的5%為止。調(diào)節(jié)輸入信號的幅度，使其顯示在屏幕高度的100%，測量輸入電壓幅度Umin(注意標(biāo)準(zhǔn)衰減器的設(shè)置)。

圖2 EN 12668.1規(guī)定的通用測試設(shè)備

動(dòng)態(tài)范圍為20lg(Umax/Umin),若Umin低于輸入等效噪聲Uein時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)為20lg(Umax/Uein),標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可用動(dòng)態(tài)范圍至少應(yīng)為100 dB。

JB/T 10061規(guī)定的方法：連接探頭并固定在試塊上，JB/T 10061動(dòng)態(tài)范圍規(guī)定的測試方法如圖3所示。調(diào)節(jié)檢測儀，使熒光屏上顯示DBPZ20-2平底孔缺陷的回波波形，并將孔波幅度調(diào)至垂直刻度的100%，且衰減器至少有30 dB的衰減余量，調(diào)節(jié)衰減器，讀取孔波幅度自垂直刻度100%下降至剛能辨認(rèn)的最小值時(shí)衰減器的調(diào)節(jié)量，定為檢測儀在該探頭所給定的工作頻率下的動(dòng)態(tài)范圍，在工作頻率范圍內(nèi)，改用不同頻率的探頭，重復(fù)進(jìn)行測試。

圖3 JB/T 10061動(dòng)態(tài)范圍規(guī)定的測試方法示意

(2) 幅度線性

EN 12668.1中規(guī)定的幅度線性為儀器屏幕上讀出信號的垂直刻度值與輸入信號幅度成正比的接近程度。而JB/T 10061-1999規(guī)定的垂直線性為采用儀器、探頭和DB PZ20-2試塊組合系統(tǒng)，以試塊平底孔回波幅度滿屏100%為參考信號，測量儀器每下降2 dB的理論刻度值與實(shí)測值的偏差，最后取最大正負(fù)偏差之和。

EN 12668.1規(guī)定的方法：采用外部標(biāo)準(zhǔn)衰減器改變參考輸入信號幅度和觀察超聲儀器屏幕上的信號高度的變化情況，在每個(gè)頻帶中心頻率上，重復(fù)測試超聲儀器屏幕的垂直線性。記錄開始測試時(shí)的增益設(shè)置。檢查全屏幕高度0～26 dB間的線性。

采用圖2所示的測試設(shè)備，外部標(biāo)準(zhǔn)衰減器調(diào)至2 dB，調(diào)節(jié)輸入信號和超聲儀器的增益，使輸入信號為全屏幕高度的80%。不改變超聲儀器的增益，按表5(垂直顯示線性的接收準(zhǔn)則)給定的值調(diào)節(jié)外部標(biāo)準(zhǔn)衰減器，在每次設(shè)置時(shí)，測試超聲儀器屏幕上的信號幅度，并滿足表5中的要求。

表5 垂直顯示線性的接收準(zhǔn)則

JB/T 10061規(guī)定的方法：超聲檢測儀連接探頭固定在DB-PZ20-2試塊上，使深200 mm，φ2 mm平底孔信號波幅度恰為垂直刻度的100%，且至少有30 dB的衰減余量，按照表6(JB/T 10061規(guī)定的垂直線性測試方法)調(diào)節(jié)衰減器，然后將孔波幅度實(shí)測值與表6的理論值相比較，取最大正偏差與最大負(fù)偏差之和為垂直線性誤差。

表6 JB/T 10061規(guī)定的垂直線性測試方法

(3) 電噪聲

EN 12668.1中規(guī)定的等效輸入噪聲為測量超聲儀器屏幕上的電噪聲電平，由輸入信號電平定義，在接收器輸入端測量；如果放大器沒有噪聲，則會產(chǎn)生相同的噪聲電平。而JB/T 10061中規(guī)定的電噪聲電平為超聲檢測儀的靈敏度和掃描范圍調(diào)至最大，儀器屏幕時(shí)基線上最大的電噪聲幅度。

JB/T 10061規(guī)定的方法：將檢測儀的靈敏度和掃描范圍調(diào)至最大，在避免外界干擾的條件下，讀取時(shí)基線上電噪聲平均幅度在垂直刻度上的百分?jǐn)?shù)，檢測儀的工作頻率如取分檔形式，各檔級應(yīng)分別測試。

(4) 衰減器精度

EN 12668.1以及JB/T 10061中規(guī)定的衰減器精度為將儀器的標(biāo)準(zhǔn)衰減器與匹配的外部標(biāo)準(zhǔn)衰減器進(jìn)行比較，EN 12668.1規(guī)定的是微調(diào)連續(xù)20 dB和粗調(diào)連續(xù)60 dB衰減累計(jì)誤差，而JB/T 10061中規(guī)定的是連續(xù)12 dB衰減的累計(jì)誤差。

EN 12668.1規(guī)定的方法：采用一個(gè)參考信號，對超聲儀器的標(biāo)準(zhǔn)衰減器與匹配的外部標(biāo)準(zhǔn)衰減器進(jìn)行比較。使用圖2所示的測試設(shè)備，在每個(gè)頻帶的中心頻率上進(jìn)行比較。調(diào)節(jié)超聲儀器的標(biāo)準(zhǔn)衰減器至中間位置，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的參考信號，使在屏幕高度的80%顯示一個(gè)信號，外部標(biāo)準(zhǔn)衰減器設(shè)置為高于超聲儀器的增益10 dB。以適當(dāng)?shù)脑隽浚ㄟ^降低超聲儀器的衰減量和調(diào)節(jié)外部標(biāo)準(zhǔn)衰減器，使該信號保持在一定的高度，檢查超聲儀器的衰減控制情況。按下面三個(gè)步驟檢查衰減器的增益：第一步，在1 dB范圍內(nèi)，以最小的增量檢查增益；第二步，以不小于1 dB的增量，在整個(gè)范圍內(nèi)檢查細(xì)調(diào)增益；第三，以不同的增量，在整個(gè)范圍內(nèi)，檢查粗調(diào)增益。記錄這兩個(gè)衰減器大于驗(yàn)收準(zhǔn)則規(guī)定時(shí)的差值，該差值即為超聲儀器衰減器的誤差。在每次選擇頻率設(shè)置時(shí)，應(yīng)符合下述條件：① 在任一連續(xù)20 dB范圍內(nèi)或整個(gè)范圍內(nèi)(選取兩者中較小的)，衰減器在細(xì)調(diào)增益時(shí)的累積誤差不能超過±1 dB；② 在任一連續(xù)60 dB范圍內(nèi)或整個(gè)范圍內(nèi)(選取兩者中較小的)，衰減器在粗調(diào)增益時(shí)的累積誤差不能超過±2 dB。

JB/T 10061規(guī)定的方法：將被測檢測儀置一收一發(fā)，即“雙”的工作狀態(tài);JB/T 10061中衰減器精度規(guī)定的測試方法見圖4，調(diào)節(jié)檢測儀和標(biāo)準(zhǔn)衰減器，使在熒光屏上顯示的脈沖調(diào)制高頻信號的幅度為垂直刻度的60%～80%，然后采用比較法，從標(biāo)準(zhǔn)衰減器讀出檢測儀(衰減器)的衰減誤差。在檢測儀的各種規(guī)定的工作頻率范圍內(nèi)，改用不同的頻率，重復(fù)以上測試。在每次選擇頻率設(shè)置時(shí)，應(yīng)符合下述條件：在檢測儀規(guī)定的工作頻率范圍內(nèi)，衰減器每12 dB的工作誤差不超過±1 dB。

圖4 JB/T 10061中衰減器精度規(guī)定的測試方法示意

3 結(jié)語

(1) 通過對上述標(biāo)準(zhǔn)的比較和分析，得知標(biāo)準(zhǔn)適用的評價(jià)對象不同， ASTM E 1324主要用于標(biāo)稱頻率范圍在100 kHz～25 MHz的脈沖反射式檢測儀，僅限于本標(biāo)準(zhǔn)所述的各電子學(xué)部分的組合，不是評定超聲系統(tǒng)特性。EN 12668.1規(guī)定了A型脈沖式模擬和數(shù)字式超聲檢測儀電性能的檢驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，適用于手動(dòng)式、工作在0.5 MHz～15 MHz中心頻率范圍內(nèi)的單探頭或雙探頭的超聲檢測儀，部分檢驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)適用于自動(dòng)檢測系統(tǒng)中的超聲檢測儀，不適用于連續(xù)波工作的超聲檢測儀和超聲測厚儀。而JB/T 10061只適用于一般接觸式超聲直探頭或斜探頭系統(tǒng)，僅適用于手工檢測，不適用于自動(dòng)化超聲檢測。

(2) 在性能參數(shù)和測試方法方面，各標(biāo)準(zhǔn)定義不同，方法也有差異?，F(xiàn)行的EN 12668.1和ASTM E 1324標(biāo)準(zhǔn)的測試參數(shù)遠(yuǎn)多于國內(nèi)鑒定規(guī)程，而且歐盟標(biāo)準(zhǔn)還增加了帶閘門的超聲儀器的附加測試參數(shù)，測試方法較科學(xué)。而JB/T 10061中規(guī)定的測試項(xiàng)目及測試方法已不滿足數(shù)字式超聲檢測儀的要求，建議細(xì)化。

(3) EN 12668.1標(biāo)準(zhǔn)對性能參數(shù)都給定了測試方法及允許范圍;而國內(nèi)JB/T 10061標(biāo)準(zhǔn)只有部分參數(shù)給定了允許范圍;ISO以及ASTM E 1324標(biāo)準(zhǔn)對于超聲檢測儀各測試參數(shù)未給出具體允許范圍，僅說明了測試方法，允許范圍由各采用國制造商規(guī)定或商榷。

[1] 夏紀(jì)真. 超聲波探傷儀器的性能評定——中國和歐盟標(biāo)準(zhǔn)的比較[J]. 無損探傷, 2006, 30(5): 27-31.

Comparison and Analysis of Home and Abroad Standards on Testing and Evaluation of Ultrasonic Testing Instrument

PAN Qiang-hua, ZHENG Hui, ZHANG Jun-jiao, ZHENG Yang，YANG Qi

(Key Laboratory of Nondestructive Testing and Evaluation of AQSIQ，China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

In this paper, standards on evaluating characteristics of ultrasonic testing instrument were compared. The different contents described in measuring procedures and methods were analyzed and some opinions were put forward. The result can be used by users as good references of choosing appropriate methods according to different intentions and requirements.

Ultrasonic testing instrument; Comparative analysis; Standard

2016-08-31

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015QK252);國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015QK257)

潘強(qiáng)華(1984-)，男，工程師，主要從事無損檢測技術(shù)研究工作。

潘強(qiáng)華，E-mail: pqh123@163.com。

10.11973/wsjc201703002

TB51+7;TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0005-05