張君嬌，鄭 暉，潘強華，朱雨虹，楊 齊

(中國特種設備檢測研究院 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029)

國內(nèi)外超聲相控陣檢測儀器性能測試評價標準比較與分析

張君嬌，鄭 暉，潘強華，朱雨虹，楊 齊

(中國特種設備檢測研究院 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029)

隨著超聲相控陣檢測技術的發(fā)展，近年來國內(nèi)外超聲相控陣檢測儀器種類也不斷增多。為了更好地理解相控陣儀器的各項性能，針對國內(nèi)外現(xiàn)行的相控陣檢測儀器的性能測試評價標準，從標準的適用范圍、測試條件、測試項目和測試方法等方面進行了比較分析，為使用者根據(jù)測試要求有效選取測試標準和方法提供了參考和依據(jù)。

超聲相控陣檢測儀器；性能測試評價；標準；比較分析

超聲相控陣檢測技術具有多種聲場合成及多種形式成像的特點，在檢測中具有便捷高效、缺陷定性定量精度高、便于實現(xiàn)復雜結構檢測的優(yōu)勢。近年來，超聲相控陣檢測技術在特種設備、核電、鐵路系統(tǒng)以及航空航天等領域得到了廣泛應用。超聲相控陣檢測儀器是相控陣檢測技術實施的載體，是相控陣檢測系統(tǒng)的核心設備，儀器的性能優(yōu)劣直接影響著相控陣檢測能力和缺陷評定的準確性。為保障相控陣檢測的真實可靠，對超聲相控陣檢測儀器的性能測試和評價就極為重要。

隨著超聲相控陣檢測技術的發(fā)展和檢測儀器的推出，國內(nèi)外有關機構相繼開展了超聲相控陣檢測儀器性能測試標準的制定工作。目前國際標準化組織(ISO)、美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)均已發(fā)布了超聲相控陣檢測儀器性能測試的相關標準，我國近幾年來結合國際標準也已制定了相控陣儀器性能的測試標準。為了對超聲相控陣檢測儀器的性能進行有效測試與評價，以保證相控陣檢測技術在實際應用中的可靠性，需要對國內(nèi)外相控陣儀器性能測試標準進行對比分析。

筆者概述了國內(nèi)外超聲相控陣檢測儀器的發(fā)展現(xiàn)狀，對國內(nèi)外相控陣檢測儀器性能測試的標準和規(guī)范進行了介紹和歸納，從標準的適用范圍、測試條件、測試項目、測試方法等方面進行了比較分析，為儀器測試人員根據(jù)測試要求有效選取測試標準和方法提供了參考和依據(jù)。

1 超聲相控陣檢測儀發(fā)展概況

超聲相控陣檢測技術的研究始于20世紀60年代，最初被用于醫(yī)學超聲成像領域，但由于系統(tǒng)復雜、成本高昂等原因，其在工業(yè)領域中的應用受到限制。90年代后期，隨著集成化數(shù)字電路的發(fā)展和微處理器成本的降低，小型化、數(shù)字化的超聲相控陣檢測系統(tǒng)開始應用于工業(yè)領域。加拿大RD/TECH公司于1997年發(fā)布的便攜式相控陣檢測設備Tomoscan FOCUS是工業(yè)超聲相控陣設備發(fā)展的一個里程碑。近20 a來，國際上出現(xiàn)了大量相控陣檢測儀器或系統(tǒng)，主要有：Olympus NDT公司推出的OmniScan MX2、OmniScan SX便攜式相控陣檢測儀；以色列Sonotron NDT公司制造的ISONIC 2009、ISONIC 2010便攜式相控陣成像檢測系統(tǒng)；法國M2M公司的Multi2000、Multi X系列相控陣檢測系統(tǒng)以及新推出的GEKKO相控陣便攜式檢測儀；美國GE公司生產(chǎn)的Phasor 16/16 Weld和Phasor-XS相控陣檢測系統(tǒng)；英國Sonatest公司推出的Sonatestveo相控陣超聲波探傷儀；加拿大ZETEC公司制造的基于電腦的ZIRCON超聲相控陣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；日本KJTD公司推出的PAL3便攜式超聲相控陣檢測系統(tǒng)和FlashFocus并行相控陣檢測系統(tǒng)等。

國內(nèi)相控陣檢測技術的研究及儀器設備的研發(fā)起步較晚，于2001年開始在“西氣東輸”工程中運用相控陣檢測技術，但使用的是R/D Tech公司的檢測設備[1]。

近幾年，國內(nèi)主要超聲檢測儀制造廠商也相繼推出了相應的相控陣檢測儀器，主要有：汕頭超聲儀器研究所有限公司生產(chǎn)的CTS-602型超聲相控陣檢測儀和SUPOR系列超聲成像檢測儀；汕頭超聲電子股份有限公司生產(chǎn)的CTS-2108PA 型便攜式相控陣超聲檢測儀；武漢中科創(chuàng)新技術股份有限公司生產(chǎn)的HSPA10型和HSPA20型便攜式相控陣超聲波檢測儀；南通友聯(lián)數(shù)碼技術開發(fā)有限公司生產(chǎn)的PXUT-960相控陣超聲探傷儀；廣州多浦樂電子科技有限公司生產(chǎn)的Phascan系列超聲相控陣檢測儀等。

綜上，目前市場上國內(nèi)外相控陣檢測儀器種類繁多，性能指標各不相同。研究相控陣檢測儀器性能測試評價的標準，合理選取適當?shù)膬x器性能測試方法，將有助于相控陣儀器制造商和用戶根據(jù)實際需求測試儀器性能，并有益于相控陣檢測儀器設備市場的規(guī)范。

2 國內(nèi)外現(xiàn)有相控陣儀器性能測試的標準和規(guī)范

目前，國內(nèi)外主要的相控陣超聲檢測儀性能測試的相關標準見表1，其代表性的標準主要有美國標準、歐盟及ISO標準、中國標準等。在國際上，ASTM于2006年最早制定出了相控陣檢測儀器和系統(tǒng)性能評價標準，并修訂更新至新版本ASTM E2491-2013StandardGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicsofPhased-ArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystems，該標準為相控陣檢測系統(tǒng)組合性能的測試標準;美國標準中目前還沒有關于相控陣儀器獨立性能的測試和評價標準。歐洲及ISO標準中，EN ISO 18563-1-2015Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipment-Part1:Instruments規(guī)定了超聲相控陣檢測儀器自身的各項要求及部分性能的測試方法，EN ISO 18563-3-2015Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipment-Part3:CompleteSystems提出了對相控陣超聲檢測系統(tǒng)組合性能的測試方法和具體要求。

我國現(xiàn)行的關于相控陣超聲儀器性能測試的標準主要是參照國際標準制定的，GB/T 29302《無損檢測儀器相控陣超聲檢測系統(tǒng)的性能與檢驗》修改采用了美國標準ASTM E 2491-06，為超聲相控陣儀器的系統(tǒng)組合性能測試標準。JB/T 11779-2014《無損檢測儀器相控陣超聲檢測儀技術條件》部分采用了歐盟標準EN 12668-1：2010《超聲檢測設備的性能和驗證 儀器》的相關內(nèi)容，提出了相控陣檢測儀的穩(wěn)定性，發(fā)射器、接收器等的性能要求及測試方法。JJF 1338-2012《相控陣超聲探傷儀校準規(guī)范》僅提出了相控陣超聲儀器的計量特性參數(shù)及其測試方法。

表1 國內(nèi)外主要的超聲相控陣檢測儀器性能測試標準

3 國內(nèi)外相控陣超聲儀器性能測試標準比較分析

3.1 適用范圍

各標準適用的相控陣超聲檢測儀器類型見表2。

3.2 測試條件

EN ISO 18563-1、JB/T 11779標準給出了相控陣超聲儀器自身性能指標及測試方法，并詳細規(guī)定了測試使用的設備器材，是相控陣檢測儀器性能測試評價的主要依據(jù)。其中，JB/T 11779標準根據(jù)我國相控陣儀器設備實際情況對測試使用的探頭和試塊作了進一步具體要求，見表3。ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338標準均采用相控陣超聲儀器、探頭與試塊相連接的方式測試相控陣檢測系統(tǒng)的使用性能，其測試條件根據(jù)測試指標要求各不相同。

表2 各標準適用的相控陣超聲檢測儀器類型

3.3 測試項目

JB/T 11779標準提出的相控陣超聲儀器性能測試指標主要分為穩(wěn)定性、發(fā)射器性能和接收器性能等部分，EN ISO 18563-1標準給出的這幾部分性能參數(shù)更加全面，且在此之外還增加了顯示性能和閘門性能的測試指標，能夠較全面地反映相控陣超聲檢測儀器自身的性能優(yōu)劣。JB/T 11779和EN ISO 18563-1兩項標準的測試項目對比見表4。

ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338標準均用于測試和評價相控陣超聲檢測系統(tǒng)的組合性能，但各標準在使用目的和測試項目等方面有不同的側重之處。ASTM E2491標準用于對相控陣超聲檢測系統(tǒng)進行定期的性能評價，以發(fā)現(xiàn)是否存在潛在的故障，不適用于校準和維護。該標準根據(jù)在超聲檢測中所起作用大小著重提出了聲束輪廓、聲束偏轉范圍、陣元有效性、聚焦能力、軟件計算功能、楔塊衰減補償和接收器增益線性等7個測試項目。針對每個測試項目，該標準提出了建議的測試條件和方法，并沒有設定驗收標準。由于該標準測試時建議使用的試塊未給出具體尺寸、材料等要求，且目前市場上未見相關成熟試塊產(chǎn)品，使用該標準測試相控陣檢測系統(tǒng)的性能尚存在一定困難。

表3 各標準對測試儀器的具體要求

EN ISO 18563-3標準主要用于用戶在現(xiàn)場使用相控陣儀器系統(tǒng)檢測前進行的驗證，該標準提出的系統(tǒng)組合性能包含了陣元通道、聲束特性和成像檢查等方面的多項指標，并給出了測試方法和驗收標準。EN ISO 18563-3標準根據(jù)相控陣儀器系統(tǒng)是否首次使用規(guī)定了兩組測試要求，為用戶檢測前進行儀器驗證提供了較清晰的操作指導。

JJF 1338標準用于相控陣超聲儀器的校準，屬于國家計量技術規(guī)范。該標準提出了相控陣超聲探傷儀的7個計量特性參數(shù)及其指標要求，分別是扇掃成像橫向分辨力、扇掃成像縱向分辨力、短缺陷分辨力、成像橫向幾何尺寸測量誤差、成像縱向幾何尺寸測量誤差、扇掃角度分辨力，并且詳細規(guī)定了校準專用試塊的尺寸、材料、參考反射體等要求，對各項參數(shù)簡要說明了校準方法，但對測試用探頭并沒有明確規(guī)定。JJF 1338標準主要針對相控陣儀器的成像能力及精度提出測試要求，不能全面反映相控陣測試系統(tǒng)的組合性能，使用者可根據(jù)實際需求選擇測試指標。

3.4 測試方法

國內(nèi)外現(xiàn)行的相控陣超聲檢測儀器測試標準中，ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338標準都需使用儀器、探頭和試塊測試檢測系統(tǒng)的組合性能，不能反映儀器自身的性能。

關于相控陣超聲檢測儀器自身的特性，歐洲標準EN ISO 18563-1和我國標準JB/T 11779均給出了具體的性能指標、測試方法及驗收標準等。發(fā)射器性能和接收器性能是體現(xiàn)超聲類儀器性能優(yōu)劣的重要部分，反映了儀器發(fā)射脈沖的質量和接收信號的能力。EN ISO 18563-1標準給出的性能指標較JB/T 11779標準更全面，下面對兩個標準中相同性能指標的測試方法進行比較分析。

3.4.1 發(fā)射器部分性能參數(shù)的測試

JB/T 11779標準規(guī)定的發(fā)射器部分性能參數(shù)測試方法，是將相控陣檢測儀設置成一發(fā)一收狀態(tài)(調(diào)整聚焦法則，設置一次激發(fā)一個陣元組成的電子掃描，通道n發(fā)射，通道n+1接收，n開始定義為1)，在發(fā)射輸出端并聯(lián)一個50 Ω的無感電阻，用示波器依次測量各發(fā)射通道的發(fā)射脈沖電壓U50、脈沖上升時間tr、發(fā)射脈沖寬度td和脈沖反沖的幅度Ur，JB/T 11779標準規(guī)定的發(fā)射脈沖參數(shù)如圖1所示，并要求在不同發(fā)射脈沖強度和(或)發(fā)射脈沖頻率、最大及最小阻尼條件下重復測試。

表4 標準EN ISO 18563-1和JB/T 11779的 測試參數(shù)

圖1 JB/T 11779標準規(guī)定的發(fā)射脈沖參數(shù)

歐洲標準EN ISO 18563-1與我國標準JB/T 11779規(guī)定的測量方法相同，但對發(fā)射脈沖寬度的定義不同，將發(fā)射脈沖幅度50%處的寬度視為脈沖寬度，而JB/T 11779規(guī)定的脈沖寬度沿用了EN 12668.1的定義，為發(fā)射脈沖幅度10%處的寬度。此外，兩個標準對雙極方波脈沖上升時間的定義也有所不同，EN ISO 18563-1標準規(guī)定的發(fā)射脈沖參數(shù)如圖2所示。EN ISO 18563-1標準未規(guī)定對脈沖反沖幅度的測試，且各項參數(shù)測試僅要求在發(fā)射脈沖強度、脈沖寬度和脈沖重復頻率設置為中間值時測試。因此，在測試發(fā)射脈沖參數(shù)時，使用者應注意選用標準的測試方法和驗收要求。

圖2 EN ISO 18563-1標準規(guī)定的發(fā)射脈沖參數(shù)

3.4.2 接收器部分性能參數(shù)的測試

(1) 通道間串擾

EN ISO 18563-1規(guī)定的通道間串擾反映了接收器通道接收信號對其他通道產(chǎn)生的影響。而JB/T 11779規(guī)定的相鄰通道串擾隔離度為發(fā)射脈沖過程中，從發(fā)射器輸出端傳輸至相鄰通道輸入端的能量值。

① EN ISO 18563-1規(guī)定的方法

EN ISO 18563-1規(guī)定的方法是：設置相控陣儀器所有發(fā)射通道關閉，在50 Ω負載條件下測試，激活1通道，其他通道處于關閉狀態(tài)，調(diào)節(jié)通道增益G1為最低并增加10 dB，使用外部信號發(fā)生器產(chǎn)生5 MHz的連續(xù)正弦波輸入1通道，調(diào)節(jié)輸入信號和儀器增益，使1通道的信號幅度達到滿屏高度的60%。關閉1通道，激活i通道(儀器其他通道)，調(diào)節(jié)通道增益Gi，使該通道的信號幅度達到滿屏高度的60%。則Gi-G1即為第i通道與第1通道間的串擾。各通道與1通道間串擾值中的最小值即為相控陣儀器的通道間串擾。

② JB/T 11779規(guī)定的方法

JB/T 11779規(guī)定的方法是:將發(fā)射器和接收器端(調(diào)整聚焦法則，設置一次激發(fā)一個陣元組成的電子掃描，通道n為發(fā)射端，則通道n+1為接收端，n開始定義為1)并聯(lián)一個50 Ω的無感電阻，相控陣檢測儀設置一次激發(fā)一個陣元的聚焦法則，用示波器測量第n通道發(fā)射脈沖輸出端U50和相鄰第n+1接收通道的峰-峰電壓UE。這兩個電壓之比的對數(shù)即為發(fā)射信號串擾隔離度(單位為dB)。

(1)

(2) 通道一致性

EN ISO 18563-1規(guī)定相控陣儀器各通道顯示相同幅度信號所需的外部輸入?yún)⒖夹盘柗档牟町悶橥ǖ涝鲆孀兓?，反映了相控陣儀器自身的通道一致性。而JB/T 11779標準以相控陣探頭各陣元在試塊上的回波幅度為標準，測試儀器接收通道的增益變化作為通道一致性，這種測試方法的對象是相控陣測試系統(tǒng)，測試結果主要體現(xiàn)了相控陣探頭陣元間的差異。

① EN ISO 18563-1規(guī)定的方法

EN ISO 18563-1規(guī)定的方法是，設置相控陣儀器所有發(fā)射通道關閉，僅測試通道激活，在50 Ω負載條件下測試。EN ISO 18563-1規(guī)定的通用測試設備如圖3所示，終端匹配器僅用于匹配相控陣超聲儀器與測量設備的阻抗，采用該測試設備，產(chǎn)生頻率與相控陣儀器寬帶的中心頻率相同的正弦信號，輸入1通道，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器使1通道的信號幅度達到滿屏高度的80%，測試輸入信號的幅度A1。以同樣的方法依次測試各通道的輸入信號幅度，找出最大值Amax和最小值Amin，按下式計算得出通道增益的變化。

(2)

圖3 EN ISO 18563-1規(guī)定的通用測試設備

② JB/T 11779規(guī)定的方法

JB/T 11779規(guī)定的方法是，連接相控陣探頭到相控陣檢測儀，移除任何探頭延遲線和折射楔塊，將探頭耦合到相控陣校準25 mm厚試塊平面上。設置一次激發(fā)一個陣元組成的電子掃描，沿著陣列中所有陣元一次一個陣元步進(需確保每個聚焦法則中使用發(fā)射器-接收器數(shù)字為1，或者，如果通道可選的話，每個陣元使用的通道應一致)。設置發(fā)射器參數(shù)，優(yōu)化探頭陣列標稱頻率的響應，對探頭中每個陣元來說，需要調(diào)節(jié)接收器增益，使試塊底面的脈沖回波或水程回波達到80%顯示幅度。記錄各通道的接收器增益，接收器增益絕對誤差(所有檢測通道增益平均值和當前通道測量值之差)即為通道一致性的體現(xiàn)。

(3) 幅值線性

EN ISO 18563-1中規(guī)定的幅值線性為以外部標準信號為輸入, 判定相控陣儀器各通道的顯示信號幅度與輸入信號幅度成正比的接近程度，而JB/T 11779規(guī)定的幅度控制線性是相控陣檢測儀屏幕上讀出的單個發(fā)射-接收通道在25 mm厚試塊底面的回波信號垂直刻度值與輸入信號幅度成正比的接近程度。

① EN ISO 18563-1規(guī)定的方法

EN ISO 18563-1規(guī)定的方法是使用外部衰減器改變輸入信號的幅度，來觀察相控陣儀器屏幕上信號的高度變化情況。設置相控陣儀器所有發(fā)射通道關閉，僅測試通道激活，在50 Ω負載條件下測試，采用圖3所示的測試設備，產(chǎn)生頻率與相控陣儀器寬帶的中心頻率相同的正弦信號輸入1通道，外部衰減器調(diào)至2 dB，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器使1通道的信號幅度達到滿屏高度的80%。表5為標準EN ISO 18563-1垂直線性的允許范圍，不改變相控陣儀器的增益，按表5給定的值調(diào)節(jié)外部衰減器，測試相控陣儀器屏幕上的信號幅度是否滿足表5中的要求，并以此方法依次測試相控陣儀器所有發(fā)射器通道。

表5 標準EN ISO 18563-1垂直線性的允許范圍

② JB/T 11779規(guī)定的方法

JB/T 11779規(guī)定的方法是對相控陣檢測儀每個發(fā)射器-接收器組件進行檢測，以確定相控陣檢測儀放大能力的線性。將相控陣探頭連接到相控陣檢測儀上，使用這種探頭，配置相控陣檢測儀為電子光柵掃描。每個聚焦法則由一個晶片組成，掃描從1號晶片開始，直到相控陣檢測儀發(fā)射器數(shù)量對應的晶片號結束。將探頭耦合到厚度為25 mm 相控陣校準試塊上，獲得每個聚焦法則的脈沖底面回波響應，也可使用液浸法進行測試。

選擇相控陣檢測儀的發(fā)射-接收通道1，采用A掃描顯示，監(jiān)測所選定靶體的回波響應。調(diào)節(jié)增益，使該回波信號為全屏高度的40%。以步進1，2，4，6 dB提高接收器的增益。在每個步進增加后再取消所增加的增益，確保信號返回40%的顯示高度。以顯示高度的百分比記錄實際信號高度。標準JB/T 11779幅度線性的允許范圍如表6所示，調(diào)節(jié)回波信號為100%顯示高度，降低6 dB增益，記錄信號實際高度(顯示高度的百分比)，測試信號高度是否滿足表6中的要求。其他發(fā)射器-接收器通道重復上述的步驟。

表6 標準JB/T 11779幅度線性的允許范圍

4 結語

(1) 國內(nèi)外現(xiàn)有相控陣儀器性能測試的標準和規(guī)范主要包括美國標準、歐洲及ISO標準、中國標準等體系。其中，美國ASTM標準最早發(fā)布，主要提出了相控陣儀器組合性能的測試指標及方法。歐洲EN ISO標準在相控陣儀器自身和組合性能方面均給出了詳細的要求。我國標準主要參考了美國標準和歐洲標準，選用并修改了部分性能指標及測試方法等內(nèi)容。

(2) 在標準的適用范圍方面，ASTM E2491、GB/T 29302、EN ISO 18563-3標準適用于測試和評價相控陣超聲檢測儀器的組合性能。EN ISO 18563-1標準采用外接電子設備的方式測試頻率范圍在0.5 MHz～10 MHz范圍內(nèi)的相控陣超聲檢測儀器的電氣性能。JB/T 11779標準適用于檢測頻率在0.2 MHz～25 MHz范圍內(nèi)的相控陣檢測儀的性能測試，而JJF 1338標準用于對相控陣超聲檢測儀器的校準。

(3) 在測試項目和測試方法方面，各標準根據(jù)其用途給出了不同的性能參數(shù)及測試方法。ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338標準均用于測試和評價相控陣超聲檢測系統(tǒng)的組合性能，其中EN ISO 18563-3標準提出了陣元通道、聲束特性和成像檢查等方面共十余項性能指標，并給出了各項指標的測試方法及驗收標準，可操作性最強。

EN ISO 18563-1和JB/T 11779標準給出了相控陣檢測儀器自身的性能指標及測試方法，相對于 參照常規(guī)超聲檢測儀性能測試標準EN12668.1而制定的JB/T 11779標準，EN ISO 18563-1標準在穩(wěn)定性、發(fā)射器性能、接收器性能、顯示性能和閘門性能5個方面給出了全面體現(xiàn)相控陣檢測儀器性能的測試指標、方法及驗收要求。在對通道一致性、幅值線性等性能指標的測試方法上，EN ISO 18563-1標準采用外部電子設備產(chǎn)生標準信號進行測試的方法，更適于評價相控陣儀器自身的性能優(yōu)劣。

[1] 韓相勇.長輸管線對接環(huán)焊縫自動相控陣超聲波檢測技術[J].無損檢測，2006，28(5)：237-241.

Comparison and Analysis of Domestic and Foreign Standards on CharacteristicsEvaluation of Ultrasonic Phased Array Testing Instruments

ZHANG Junjiao,ZHENG Hui, PAN Qianghua, ZHU Yuhong, YANG Qi

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

The types of phased array ultrasonic testing instruments are growing in recent years with the development of the phased array inspection technology. In order to better understand the performance of the phased array instrument, the performance test and evaluation standards of phased array testing instrument for domestic and foreign were compared and analyzed from the standard applicable scope, test conditions, test items and test methods. The results can provide the reference and basis for users to select the standards and testing methods according to the testing requirements.

ultrasonic phased array testing instrument; characteristic testing and evaluation; standard; comparison and analysis

2016-10-19

國家質檢總局科技計劃資助項目(2015QK252，2015QK257)

張君嬌(1987-)，女，工程師，主要從事無損檢測與評價工作

張君嬌，zhangjj1000@163.com

10.11973/wsjc201705003

TB51+7；TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0010-07