張順良

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超聲探傷儀原理、計(jì)量及測(cè)量不確定度研究

張順良

引言

超聲探傷儀是一種重要的無(wú)損檢測(cè)儀器。在廈門市的應(yīng)用十分廣泛，其性能的好壞，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否直接影響著鍋爐、起吊設(shè)備、船舶、飛機(jī)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(duì)超聲探傷儀進(jìn)行正確的計(jì)量并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行正確的不確定度評(píng)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(yùn)用反射及變頻的原理來(lái)對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)的。當(dāng)超聲波在被檢測(cè)材料中傳播時(shí)，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播就產(chǎn)生一定的影響，通過(guò)對(duì)超聲波受影響程度和狀況的探測(cè)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(cè)。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，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(zhǎng)時(shí)，則超聲波在缺陷上反射回來(lái)，探傷儀可將反射波顯示出來(lái)；如缺陷的尺寸甚至小于波長(zhǎng)時(shí)，聲波將繞過(guò)射線而不能反射，從而來(lái)確定是否存在缺陷及缺陷的位置。

超聲探傷儀的計(jì)量

1.檢定/校準(zhǔn)前的準(zhǔn)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(shí)延、衰減器旋鈕置適中位置，電源開(kāi)關(guān)置“開(kāi)”（電源開(kāi)關(guān)在背板上），調(diào)節(jié)頻率旋鈕，可得0.5MHZ-15MHZ信號(hào)。

（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(jī)是以探頭的類型來(lái)選擇工作方式，請(qǐng)選擇“穿透”類型；如果只有雙晶和單晶的選擇，請(qǐng)選擇雙晶。在檢定裝置開(kāi)機(jī)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(cè)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(zhǔn)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(hào)幅度為顯示屏垂直滿刻度數(shù)的80%，適當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)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(hào)前沿對(duì)準(zhǔn)顯示屏的0刻度線，第六次調(diào)制信號(hào)前沿對(duì)準(zhǔn)顯示屏的10刻度線，依次讀取第二至第五調(diào)制信號(hào)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(duì)值最大的偏差αmax，根據(jù)規(guī)程要求進(jìn)行水平線性的檢測(cè)。

（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(jìn)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(jìn)行補(bǔ)償，使調(diào)制信號(hào)回到垂直滿刻度的80%處，其補(bǔ)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(hào)，調(diào)節(jié)為顯示屏垂直滿刻度數(shù)的100%，同時(shí)，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(shí)，該調(diào)制信號(hào)幅度的百分?jǐn)?shù)，直至衰減達(dá)26dB，然后將此實(shí)測(cè)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(fù)偏差絕對(duì)值之和，作為垂直線性誤差，以百分?jǐn)?shù)表示。

（4）在（3）衰減達(dá)26dB后，繼續(xù)衰減直到剛能辨認(rèn)調(diào)制信號(hào)最小值（1%）時(shí)的衰減量加上26dB，即為被檢超聲探傷儀的動(dòng)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(cè)試連線（避免外界干擾），讀取顯示屏?xí)r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?jǐn)?shù)表示。 在電噪聲電平檢測(cè)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(hào)的幅度，使其為電噪聲電平百分?jǐn)?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(shí)可以借用被檢超聲探傷儀的衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)。 將調(diào)制信號(hào)的幅度調(diào)節(jié)為電噪聲電平百分?jǐn)?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(cè)量此時(shí)調(diào)制信號(hào)的峰一峰值電壓。按規(guī)程要求計(jì)算最大使用靈敏度。

（6）將直探頭加適量的耦合劑適當(dāng)?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(dá)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(dāng)?shù)伛詈显跇?biāo)準(zhǔn)試塊上并調(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(gè)數(shù)n，掃描范圍L=nD。

（8）分辨率的檢測(cè)是區(qū)分相鄰而不連續(xù)缺陷的能力。檢定時(shí)將直探頭適當(dāng)?shù)伛詈显贑SK-1A試塊上并輕微移動(dòng)試塊當(dāng)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(zhǔn)后的作業(yè)

（1）探傷儀使用完畢，應(yīng)對(duì)儀器的外表進(jìn)行清潔，然后放置于室內(nèi)干燥通風(fēng)處；

（2）探頭連線切忌扭曲重壓，在拔、插連線時(shí)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(zhǔn)注意事項(xiàng)

（1）儀器關(guān)機(jī)后必須停5秒以上方可再次開(kāi)機(jī)，不可反復(fù)開(kāi)關(guān)；

（2）避免強(qiáng)力震動(dòng)、沖擊和強(qiáng)民磁場(chǎng)的干擾；

（3）不要長(zhǎng)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(guò)猛，不宜用沾有過(guò)多油污和泥水的手操作儀器鍵盤。

超聲探傷儀的測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

按照J(rèn)JG746-2004《超聲探傷儀》檢定規(guī)程的要求，對(duì)其水平線性、垂直線性、衰減誤差、動(dòng)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(cè)量指標(biāo)均有要求。現(xiàn)以衰減誤差為例進(jìn)行其測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定。

1.數(shù)學(xué)模型

根椐規(guī)程，在忽略溫度、濕度、磁場(chǎng)變化的影響條件下，利用經(jīng)過(guò)檢定合格的超聲探傷儀檢定裝置直接測(cè)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(xué)模型如下

2.方差與傳播系數(shù)

3.標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量及其評(píng)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(fù)性引入的不確定度分量

取一超聲探傷儀在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)器衰減20.0dB條件下的mX

因此算術(shù)平均值為：

單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：

4.合成不確定度

5.擴(kuò)展不確定度

超聲探傷儀其它指標(biāo)的示值結(jié)果的不確定度評(píng)定可按上述方法進(jìn)行。

結(jié)束語(yǔ)

隨著超聲探傷儀使用的日益廣泛，對(duì)其正確的計(jì)量和不確定度評(píng)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(jìn)行，本文提出了筆者從事超聲探傷儀檢定的經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)同行人員能起到一定的參考和幫助。

（作者單位：廈門市計(jì)量檢定測(cè)試院）