多通道超声波检测仪器性能测试方法
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摘要:超声波检测仪器性能的稳定性、可靠性、灵敏度将直接影响检测技术人员对材料缺陷评价的准确性。针对多通道超声波检测仪建立一套完善的性能测试方法，定期开展对多通道超声波检测仪器进行测试是非常必要的。
关键词:超声波仪器;测试项目;测试方法
超声波检测是工业无损检测技术领域中应用最为广泛的检测方法之一，它被广泛地应用在特种、冶金、机械、电力、石油化工、兵器、核电、航空、航天、铁路等各个行业。对于冶金行业来说，超声波检测的对象是金属材料，如钢管、钢棒、钢板和钢坯等，检测的要求是检出材料中产生的缺陷，缺陷的大小和类型往往由相应的检测标准和产品标准来规定，由于冶金产品是大规模在线或离线生产，具有速度快、流水线、产量大等一系列特点，因此，自动化、多通道的超声波检测技术越来越多的被广泛应用于企业的在线或离线检测中。
1多通道超声波检测仪器概述
超声波检测作为工业无损检测的重要手段之一，为了满足企业生产产品的检测效率、检测实时性和检测可靠性的需要，利用现代超声检测技术、信号处理技术，计算机自动控制技术等研制出多通道超声检测仪器。多通道超声波检测仪与单通道超声波检测仪之间有相互关系，一台多通道超声波检测仪中的每一个通道相当于一台单通道超声检测仪，各通道都有单独的高频脉冲电路、选通闸门电路、前置放大器，共用扫描电路，而报警电路、接收电路等可以单独使用或共用。如图1所示是四通道超声波检测仪工作原理的框图［1］。同步电路输出一系列时间间隔相等的脉冲，经脉冲切换电路后用于触发四个通道依次循环交替工作。同步电路的脉冲不仅输入到脉冲切换电路，同时还输入到报警闸门电路和时基电路。同步电路的每一个脉冲，都使报警闸门电路和时基电路电路工作一次。时基电路产生锯齿波，加在示波管的水平偏转板上，在荧光屏横坐标上产生一条水平扫描线。报警闸门电路控制与门电路使缺陷波只有在规定的工件区域内出现时，才能通过与门电路，触发缺陷报警电路工作，使之报警。图1所示四个通道超声波检测仪共用缺陷报警电路，即任一通道的缺陷，在规定的区域内都能使之报警。
2超声波检测仪器的测试项目
目前，国内针对A型脉冲反射式超声波检测仪的计量检定是JJG746—2004《超声探伤仪检定规程》［2］。该规程给出的计量特性指标有:水平线性误差、垂直线性误差、衰减器衰减误差、电噪声电平、最大使用灵敏度、探伤灵敏度余量、扫描范围、分辨力等。另外，在机械行业多采用JB/T10061—1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》［3］来评价超声波仪器的性能。对于以上两个标准里面的部分测试项目均需要借助于标准试块和标准探头。而GB/T27664.1—2011《无损检测超声检测设备的性能与检验第1部分:仪器》［4］修改采用EN12668－1:2000无损检测—超声检测设备的性能与检验第1部分:仪器(Non-destructivetesting-Characterizationandverificationofultrasonicexaminationequipment-Part1:Instru-ments)，而此标准的最新版本是EN12668－1:2010且标准已作废，在以上标准的的计量特性中，有部分测试项目均不适用于在线应用的多通道超声波检测仪器，因为它们都是利用标准试块和标准探头测量获得。对于自动检测系统而言，由于检测对象和配置探头的原因，使用特定试块的测量往往无法开展或实现，因此，对于自动多通道超声检测仪器的计量检定或校准，一般需要使用标准信号源进行测量。从这个意义上讲，标准中使用标准试块和标准探头进行组合性能检定或校准的项目不具备广普应用价值。对于多通道超声波检测仪，在借鉴国内外单通道超声波探伤仪以及其他既适用于手工检测又适用于自动检测的无损检测仪器检定规程或校准规范的基础上研究出一套更为科学的测试方法，对多通道超声波检测仪进行定期测试是非常必要的。根据以上讨论，多通道超声波检测仪测试项目应包括如下几项:(1)稳定性:预热后稳定性、显示晃动、电压变化稳定性;(2)接收器:水平线性误差、垂直线性误差、衰减器的衰减误差、动态范围、电噪声电平、最大使用灵敏度、频率响应、等效输出噪声、通道间的一致性;(3)发射器:发射脉冲电压、脉冲上升时间、脉冲持续时间、脉冲回响、脉冲重复频率稳定度。
3多通道超声波仪器测试方法和验收指标
多通道超声波探伤仪的校准标准计量器具包括带有猝发音函数信号发生器信号、标准衰减器和数字示波器等。采用信号发生器输出的标准信号对多通道超声波检测仪主要性能进行校准与测试，避免了在其他标准中在测试过程中采用超声波探头和超声波标准试块对测试数据的影响。本文仅与上述标准或规范中有差异的测试项目给出具体的测试方法和验收指标。
3.1脉冲重复频率稳定度
3.1.1测试方法脉冲重复频率是指每单位时间产生的脉冲数，重复频率的选择往往依据被工件的材质、工件厚度、检测速度等来确定。它反映仪器激励电路巡回切换的工作状态，是考察各通道分时激励的重要指标。在自动化多通道超声波检测中，重复频率太高会形成“幻象波”，造成缺陷误判;重复频率太低又会造成缺陷漏检。重复频率稳定度的测试方法如图2所示方式连接，由数字示波器读取仪器输出的猝发脉冲信号的重复频率，每隔5min测量一次，共测量3次。(1)式中:fC为重复频率稳定度，fmax是3次测量中的最大值，Hz;fmin是3次测量中的最小值，Hz，f是3次测量的平均值，Hz。对于脉冲重复频率连续可调的多通道超声波仪器，针对常用的设定值或根据客户需要进行测试。3.1.2验收指标对于多通道超声波检测仪器，输出猝发脉冲信号的重复频率的稳定度应不大于3%。
3.2频率响应
3.2.1测试方法按照图3电路连接，将外部信号发生器的正弦电压接入第一通道。将多通道超声波仪器的输入正弦电压峰值设为100mV，调节仪器增益使信号达到满屏80%。依次选择模拟滤波器的各个频带。在放大器未超载且显示在显示屏上的输入电压波幅保持恒定时。对每个频带，改变输入信号的频率，记录在多通道超声仪器显示屏上最高信号波幅的频率fmax和信号高度Amax。以不超过标称带宽5%的步长从fmax依次降低或增加频率，记录在多通道超声波仪器显示屏上显示的低于最大高度(Amax)3dB的上限频率fu和－3dB下限频率f1。3.2.2验收指标对每个频带的中心频率≤制造商技术规范规定值的±10%。每个频率范围的上限频率fu和下限频率f1≤制造商技术规范规定值的±10%。
3.3通道间的一致性
3.3.1测试方法按照图3电路连接，选择多通道超声仪通道1和使用外部信号发生器，连接的正弦电压频率与仪器中心频率最大带宽的频率相对应。调节来自发射器的电压和增益，使来自通道1的波幅峰值信号为FSH(满屏高度)的80%。测量A扫描显示的正弦曲线波幅。在所有的通道上重复此项测试。Amax和Amin分别对应最大和最小显示波幅。仪器通道间的一致性即通道间的增益变化值ΔG(dB)按式(4)计算:
4结束语
目前，中国正在由制造大国迈向制造强国，各个行业对制造质量的控制要求进一步提高，需要的自动化、智能化的在线多通道超声无损检测仪器也越来越多。同时，随着第二方或第三方鉴定评审要求和企业自身使用需求，也需要对多通道超声波检测仪器实施周期性测试，这已逐渐成为一种趋势。本文对多通道超声波检测仪器的测试项目和测试方法的研究，为企业和计量机构开展多通道超声波检测仪器测试工作，进而保证多通道超声波检测的准确性和可靠性提供有益借鉴。
参考文献:
［1］张广纯.金属材料的超声波探伤［C］．北京:冶金无损检测人员技术资格鉴定委员会，2012．
［2］JJG746—2004超声探伤仪检定规程［S］．
［3］JB/T10061—1999A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件［S］．
［4］GB/T27664.1—2011无损检测超声检测设备的性能与检验第1部分:仪器［S］．
作者：王永锋 张建卫 张克 齐英豪 单位：钢铁研究总院