超聲探傷儀檢定原理的淺析

【摘要】 文章闡述了模擬超聲探傷儀結(jié)構(gòu)、原理及JJG 746-2004《超聲探傷儀》檢定規(guī)程中的檢定項(xiàng)目對(duì)應(yīng)超聲探傷儀結(jié)構(gòu)組成原理。

【關(guān)鍵詞】 超聲探傷儀;探傷原理;探頭

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2020.05.023

Analysis of Verification Principle of Ultrasonic Flaw Detector

SUN Su-juan

（Anshan Inspection，Examination & Certification Centre，Anshan 114034，China）

Abstract： This paper describes the structure and principle of analog ultrasonic flaw detector and the structural composition principle of ultrasonic flaw detector corresponding to the verification items in JJG 746-2004 Ultrasonic Flaw Detectors.

Key words： ultrasonic flaw detector;flaw detection principle;probe

隨著現(xiàn)代集成電路及軟件的快速發(fā)展，數(shù)字超聲探傷儀得到迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，數(shù)字超聲探傷儀是基于模擬超聲探傷儀探傷原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，模擬超聲探傷儀將探傷結(jié)果以模擬信號(hào)方式顯示在顯示器上，數(shù)字超聲探傷儀將探傷結(jié)果經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)字整流、數(shù)據(jù)壓縮變成數(shù)字信號(hào)交由電腦處理后在顯示器上顯示。二者有很大的不同，但對(duì)試件探傷的原理還是相同的。做為計(jì)量檢定人員對(duì)模擬超聲探傷儀檢定原理的理解對(duì)今后從事數(shù)字超聲探傷儀計(jì)量工作會(huì)有所幫助。

1 A型脈沖反射式超聲探傷儀探傷過(guò)程

JJG 746-2004《超聲探傷儀》檢定規(guī)程適用于模擬超聲探傷儀，在下文敘述中超聲探傷儀指的是模擬超聲探傷儀，A型脈沖反射式超聲探傷儀電路方框圖如圖1所示。

同步電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖同時(shí)加至掃描電路和發(fā)射電路，掃描電路受觸發(fā)開始工作，產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓，加至顯示屏水平偏轉(zhuǎn)板上，在顯示器上產(chǎn)生一條水平掃描線。發(fā)射電路受觸發(fā)產(chǎn)生高頻窄脈沖，加至探頭，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，在工件中產(chǎn)生超聲波。超聲波在工件中傳播，遇缺陷或底面發(fā)生發(fā)射，返回探頭時(shí)又被壓電晶片轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)接收電路放大和檢波，加至示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上。在水平掃描線的相應(yīng)位置上產(chǎn)生缺陷波和底波。根據(jù)缺陷波的位置可以確定缺陷的埋藏深度，根據(jù)缺陷波的幅度可以估算缺陷當(dāng)量的大小。

2 超聲探傷儀性能的檢定

超聲探傷儀性能是指僅與儀器有關(guān)的性能，依據(jù)JJG 746-2004《超聲探傷儀檢定規(guī)程》的要求，可對(duì)超聲探傷儀的水平線性、衰減器誤差、垂直線性、動(dòng)態(tài)范圍、電噪聲電平、最大使用靈敏度等性能指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.1 水平線性

水平線性是指探傷儀水平掃描線掃描速度的均勻程度。水平線性影響缺陷定位的準(zhǔn)確性，影響水平線性的主要因素是掃描電路和顯示電路。

缺陷所產(chǎn)生的反射波信號(hào)電壓從幾百微伏到幾伏，而示波管全調(diào)制所需電壓幾百伏，所以接收放大電路必須具有約105的放大能力，通常超聲探傷儀的電壓放大倍數(shù)用公式（1）表示：

[Kv=20lgU出U入] （1）

式中：[Kv]——電壓放大倍數(shù)，dB;[U出]——放大器的輸出電壓，V;[U入]——放大器的輸入電壓，V。

探傷儀電壓放大倍數(shù)應(yīng)達(dá)到80～100 dB左右。探傷儀面板上可調(diào)增益旋鈕用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。與增益相對(duì)應(yīng)的是衰減，一般探傷儀總衰減量80左右。檢定規(guī)程要求衰減器衰減總量不小于60。

衰減器的作用是調(diào)節(jié)探傷靈敏度和測(cè)量反射波振幅，衰減大，幅度低的反射波在顯示器上看不到，探傷靈敏度降低;反之，探傷靈敏度提高。衰減器誤差越小，缺陷探測(cè)的可靠性和缺陷定量的準(zhǔn)確性越高。影響衰減器的主要因素是接收電路放大。

2.2 垂直線性

垂直線性即放大線性或幅度線性，是指反射波高度與輸入信號(hào)電壓成正比關(guān)系的程度。理論上JJG 746-2004《超聲探傷儀》檢定規(guī)程中表2波形幅度與衰減量對(duì)應(yīng)表轉(zhuǎn)換為時(shí)坐標(biāo)圖應(yīng)為一條直線。垂直線性差，反射波高度與輸入信號(hào)電壓不成正比，坐標(biāo)圖不為一條直線。用波高確定缺陷當(dāng)量就會(huì)產(chǎn)生誤差。影響垂直線性的主要因素是接收放大電路。

2.3 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是探傷儀熒光屏上反射波幅度從垂直刻度100%降至剛能辨認(rèn)之最小值時(shí)衰減器的變化范圍。動(dòng)態(tài)范圍大，探傷靈敏度高。影響動(dòng)態(tài)范圍的主要因素是接收電路放大。

2.4 探傷儀使用靈敏度

探傷儀使用靈敏度是在探傷儀靈敏度達(dá)最高時(shí)（增益、掃描范圍最大，衰減和抑制為0），探傷儀發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力。最小缺陷的信號(hào)幅值要比電噪聲電平高6 dB。超聲探傷儀檢定裝置輸出脈沖信號(hào)，使探傷儀顯示屏上顯示的高頻信號(hào)的峰-峰值比電噪聲電平高6 dB，用示波器測(cè)量高頻信號(hào)峰-峰值電壓，該電壓值就是該頻率下探傷儀的使用靈敏度。為使高頻信號(hào)峰-峰值電壓幅值比電噪聲電平高6 dB，超聲探傷儀檢定裝置的衰減器衰減已調(diào)最大，還需借用探傷儀衰減器衰減，總衰減值為二者之和。用公式（2）進(jìn)一步說(shuō)明

[Δ=20lgU1U2]

式中：[Δ]——總衰減值，dB;[U1]——示波器測(cè)量高頻信號(hào)峰-峰值電壓，mV;[U2]——探傷儀接收系統(tǒng)最大使用靈敏度，μV。

最大使用靈敏度是指探傷儀靈敏度達(dá)最高時(shí)，輸入給探傷儀最小的脈沖調(diào)制高頻信號(hào)峰-峰值電壓。

3 超聲探傷儀和探頭組合性能的檢定

JJG 746-2004《超聲探傷儀》檢定規(guī)程中探傷靈敏度余量、掃描范圍、分辨力的檢定是對(duì)超聲探傷儀和探頭組合性能進(jìn)行檢定

3.1 探傷靈敏度余量

探傷靈敏度余量與探傷儀和探頭綜合性能有關(guān)，因此又叫探傷儀和探頭的組合靈敏度。探傷靈敏度余量是指探傷儀靈敏度達(dá)最高時(shí)，發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力。探傷靈敏度余量大，組合靈敏度高;反之，組合靈敏度低。影響探傷靈敏度余量的主要因素是接收電路放大、探頭特性、探測(cè)頻率、反射體深度和尺寸。

3.2 掃描范圍

掃描范圍與探傷儀和探頭綜合性能有關(guān)，掃描范圍大，可探傷的試件尺寸就越大。掃描范圍與掃描電路、發(fā)射電路、接收放大電路、探頭有關(guān)。

3.3 分辨力

分辨力是指能夠把兩個(gè)相鄰缺陷（距探頭不同距離）作為兩個(gè)反射信號(hào)區(qū)別出來(lái)的能力。分辨力有縱向分辨力和橫向分辨力，檢定規(guī)程規(guī)定的是縱向分辨力。影響分辨力的主要因素是發(fā)射強(qiáng)度、探頭特性、回波寬度等。

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【作者簡(jiǎn)介】

孫素娟（1965-），女，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)橛?jì)量技術(shù)。