張君嬌，鄭 暉，潘強(qiáng)華，朱雨虹，楊 齊

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

國(guó)內(nèi)外超聲相控陣檢測(cè)儀器性能測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較與分析

張君嬌，鄭 暉，潘強(qiáng)華，朱雨虹，楊 齊

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

隨著超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外超聲相控陣檢測(cè)儀器種類(lèi)也不斷增多。為了更好地理解相控陣儀器的各項(xiàng)性能，針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的相控陣檢測(cè)儀器的性能測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、測(cè)試條件、測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法等方面進(jìn)行了比較分析，為使用者根據(jù)測(cè)試要求有效選取測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法提供了參考和依據(jù)。

超聲相控陣檢測(cè)儀器；性能測(cè)試評(píng)價(jià)；標(biāo)準(zhǔn)；比較分析

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有多種聲場(chǎng)合成及多種形式成像的特點(diǎn)，在檢測(cè)中具有便捷高效、缺陷定性定量精度高、便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在特種設(shè)備、核電、鐵路系統(tǒng)以及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超聲相控陣檢測(cè)儀器是相控陣檢測(cè)技術(shù)實(shí)施的載體，是相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，儀器的性能優(yōu)劣直接影響著相控陣檢測(cè)能力和缺陷評(píng)定的準(zhǔn)確性。為保障相控陣檢測(cè)的真實(shí)可靠，對(duì)超聲相控陣檢測(cè)儀器的性能測(cè)試和評(píng)價(jià)就極為重要。

隨著超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和檢測(cè)儀器的推出，國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了超聲相控陣檢測(cè)儀器性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)均已發(fā)布了超聲相控陣檢測(cè)儀器性能測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)近幾年來(lái)結(jié)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也已制定了相控陣儀器性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。為了對(duì)超聲相控陣檢測(cè)儀器的性能進(jìn)行有效測(cè)試與評(píng)價(jià)，以保證相控陣檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性，需要對(duì)國(guó)內(nèi)外相控陣儀器性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。

筆者概述了國(guó)內(nèi)外超聲相控陣檢測(cè)儀器的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)國(guó)內(nèi)外相控陣檢測(cè)儀器性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行了介紹和歸納，從標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、測(cè)試條件、測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法等方面進(jìn)行了比較分析，為儀器測(cè)試人員根據(jù)測(cè)試要求有效選取測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法提供了參考和依據(jù)。

1 超聲相控陣檢測(cè)儀發(fā)展概況

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，最初被用于醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域，但由于系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂等原因，其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)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(cè)系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。加拿大RD/TECH公司于1997年發(fā)布的便攜式相控陣檢測(cè)設(shè)備Tomoscan FOCUS是工業(yè)超聲相控陣設(shè)備發(fā)展的一個(gè)里程碑。近20 a來(lái)，國(guó)際上出現(xiàn)了大量相控陣檢測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)；法國(guó)M2M公司的Multi2000、Multi X系列相控陣檢測(cè)系統(tǒng)以及新推出的GEKKO相控陣便攜式檢測(cè)儀；美國(guó)GE公司生產(chǎn)的Phasor 16/16 Weld和Phasor-XS相控陣檢測(cè)系統(tǒng)；英國(guó)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(cè)系統(tǒng)和FlashFocus并行相控陣檢測(cè)系統(tǒng)等。

國(guó)內(nèi)相控陣檢測(cè)技術(shù)的研究及儀器設(shè)備的研發(fā)起步較晚，于2001年開(kāi)始在“西氣東輸”工程中運(yùn)用相控陣檢測(cè)技術(shù)，但使用的是R/D Tech公司的檢測(cè)設(shè)備[1]。

近幾年，國(guó)內(nèi)主要超聲檢測(cè)儀制造廠商也相繼推出了相應(yīng)的相控陣檢測(cè)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(cè)儀和SUPOR系列超聲成像檢測(cè)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(cè)儀；武漢中科創(chuàng)新技術(shù)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(cè)儀；南通友聯(lián)數(shù)碼技術(shù)開(kāi)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(lè)電子科技有限公司生產(chǎn)的Phascan系列超聲相控陣檢測(cè)儀等。

綜上，目前市場(chǎng)上國(guó)內(nèi)外相控陣檢測(cè)儀器種類(lèi)繁多，性能指標(biāo)各不相同。研究相控陣檢測(cè)儀器性能測(cè)試評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，合理選取適當(dāng)?shù)膬x器性能測(cè)試方法，將有助于相控陣儀器制造商和用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需求測(cè)試儀器性能，并有益于相控陣檢測(cè)儀器設(shè)備市場(chǎng)的規(guī)范。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有相控陣儀器性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

目前，國(guó)內(nèi)外主要的相控陣超聲檢測(cè)儀性能測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1，其代表性的標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、歐盟及ISO標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)等。在國(guó)際上，ASTM于2006年最早制定出了相控陣檢測(cè)儀器和系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并修訂更新至新版本ASTM E2491-2013StandardGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicsofPhased-ArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystems，該標(biāo)準(zhǔn)為相控陣檢測(cè)系統(tǒng)組合性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn);美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中目前還沒(méi)有關(guān)于相控陣儀器獨(dú)立性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲及ISO標(biāo)準(zhǔn)中，EN ISO 18563-1-2015Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipment-Part1:Instruments規(guī)定了超聲相控陣檢測(cè)儀器自身的各項(xiàng)要求及部分性能的測(cè)試方法，EN ISO 18563-3-2015Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipment-Part3:CompleteSystems提出了對(duì)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)組合性能的測(cè)試方法和具體要求。

我國(guó)現(xiàn)行的關(guān)于相控陣超聲儀器性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)主要是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的，GB/T 29302《無(wú)損檢測(cè)儀器相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能與檢驗(yàn)》修改采用了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 2491-06，為超聲相控陣儀器的系統(tǒng)組合性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。JB/T 11779-2014《無(wú)損檢測(cè)儀器相控陣超聲檢測(cè)儀技術(shù)條件》部分采用了歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 12668-1：2010《超聲檢測(cè)設(shè)備的性能和驗(yàn)證 儀器》的相關(guān)內(nèi)容，提出了相控陣檢測(cè)儀的穩(wěn)定性，發(fā)射器、接收器等的性能要求及測(cè)試方法。JJF 1338-2012《相控陣超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范》僅提出了相控陣超聲儀器的計(jì)量特性參數(shù)及其測(cè)試方法。

表1 國(guó)內(nèi)外主要的超聲相控陣檢測(cè)儀器性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

3 國(guó)內(nèi)外相控陣超聲儀器性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)比較分析

3.1 適用范圍

各標(biāo)準(zhǔn)適用的相控陣超聲檢測(cè)儀器類(lèi)型見(jiàn)表2。

3.2 測(cè)試條件

EN ISO 18563-1、JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)給出了相控陣超聲儀器自身性能指標(biāo)及測(cè)試方法，并詳細(xì)規(guī)定了測(cè)試使用的設(shè)備器材，是相控陣檢測(cè)儀器性能測(cè)試評(píng)價(jià)的主要依據(jù)。其中，JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)我國(guó)相控陣儀器設(shè)備實(shí)際情況對(duì)測(cè)試使用的探頭和試塊作了進(jìn)一步具體要求，見(jiàn)表3。ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338標(biāo)準(zhǔn)均采用相控陣超聲儀器、探頭與試塊相連接的方式測(cè)試相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的使用性能，其測(cè)試條件根據(jù)測(cè)試指標(biāo)要求各不相同。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)適用的相控陣超聲檢測(cè)儀器類(lèi)型

3.3 測(cè)試項(xiàng)目

JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)提出的相控陣超聲儀器性能測(cè)試指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(mén)性能的測(cè)試指標(biāo)，能夠較全面地反映相控陣超聲檢測(cè)儀器自身的性能優(yōu)劣。JB/T 11779和EN ISO 18563-1兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試項(xiàng)目對(duì)比見(jiàn)表4。

ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338標(biāo)準(zhǔn)均用于測(cè)試和評(píng)價(jià)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的組合性能，但各標(biāo)準(zhǔn)在使用目的和測(cè)試項(xiàng)目等方面有不同的側(cè)重之處。ASTM E2491標(biāo)準(zhǔn)用于對(duì)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行定期的性能評(píng)價(jià)，以發(fā)現(xiàn)是否存在潛在的故障，不適用于校準(zhǔn)和維護(hù)。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)在超聲檢測(cè)中所起作用大小著重提出了聲束輪廓、聲束偏轉(zhuǎn)范圍、陣元有效性、聚焦能力、軟件計(jì)算功能、楔塊衰減補(bǔ)償和接收器增益線性等7個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。針對(duì)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，該標(biāo)準(zhǔn)提出了建議的測(cè)試條件和方法，并沒(méi)有設(shè)定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。由于該標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試時(shí)建議使用的試塊未給出具體尺寸、材料等要求，且目前市場(chǎng)上未見(jiàn)相關(guān)成熟試塊產(chǎn)品，使用該標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的性能尚存在一定困難。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試儀器的具體要求

EN ISO 18563-3標(biāo)準(zhǔn)主要用于用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)使用相控陣儀器系統(tǒng)檢測(cè)前進(jìn)行的驗(yàn)證，該標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)指標(biāo)，并給出了測(cè)試方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。EN ISO 18563-3標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)相控陣儀器系統(tǒng)是否首次使用規(guī)定了兩組測(cè)試要求，為用戶(hù)檢測(cè)前進(jìn)行儀器驗(yàn)證提供了較清晰的操作指導(dǎo)。

JJF 1338標(biāo)準(zhǔn)用于相控陣超聲儀器的校準(zhǔn)，屬于國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)提出了相控陣超聲探傷儀的7個(gè)計(jì)量特性參數(shù)及其指標(biāo)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(cè)量誤差、成像縱向幾何尺寸測(cè)量誤差、扇掃角度分辨力，并且詳細(xì)規(guī)定了校準(zhǔn)專(zhuān)用試塊的尺寸、材料、參考反射體等要求，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)簡(jiǎn)要說(shuō)明了校準(zhǔn)方法，但對(duì)測(cè)試用探頭并沒(méi)有明確規(guī)定。JJF 1338標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)相控陣儀器的成像能力及精度提出測(cè)試要求，不能全面反映相控陣測(cè)試系統(tǒng)的組合性能，使用者可根據(jù)實(shí)際需求選擇測(cè)試指標(biāo)。

3.4 測(cè)試方法

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的相控陣超聲檢測(cè)儀器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338標(biāo)準(zhǔn)都需使用儀器、探頭和試塊測(cè)試檢測(cè)系統(tǒng)的組合性能，不能反映儀器自身的性能。

關(guān)于相控陣超聲檢測(cè)儀器自身的特性，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 18563-1和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11779均給出了具體的性能指標(biāo)、測(cè)試方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。發(fā)射器性能和接收器性能是體現(xiàn)超聲類(lèi)儀器性能優(yōu)劣的重要部分，反映了儀器發(fā)射脈沖的質(zhì)量和接收信號(hào)的能力。EN ISO 18563-1標(biāo)準(zhǔn)給出的性能指標(biāo)較JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)更全面，下面對(duì)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中相同性能指標(biāo)的測(cè)試方法進(jìn)行比較分析。

3.4.1 發(fā)射器部分性能參數(shù)的測(cè)試

JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射器部分性能參數(shù)測(cè)試方法，是將相控陣檢測(cè)儀設(shè)置成一發(fā)一收狀態(tài)(調(diào)整聚焦法則，設(shè)置一次激發(fā)一個(gè)陣元組成的電子掃描，通道n發(fā)射，通道n+1接收，n開(kāi)始定義為1)，在發(fā)射輸出端并聯(lián)一個(gè)50 Ω的無(wú)感電阻，用示波器依次測(cè)量各發(fā)射通道的發(fā)射脈沖電壓U50、脈沖上升時(shí)間tr、發(fā)射脈沖寬度td和脈沖反沖的幅度Ur，JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和(或)發(fā)射脈沖頻率、最大及最小阻尼條件下重復(fù)測(cè)試。

表4 標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 18563-1和JB/T 11779的 測(cè)試參數(shù)

圖1 JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射脈沖參數(shù)

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 18563-1與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11779規(guī)定的測(cè)量方法相同，但對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雙極方波脈沖上升時(shí)間的定義也有所不同，EN ISO 18563-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射脈沖參數(shù)如圖2所示。EN ISO 18563-1標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定對(duì)脈沖反沖幅度的測(cè)試，且各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試僅要求在發(fā)射脈沖強(qiáng)度、脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率設(shè)置為中間值時(shí)測(cè)試。因此，在測(cè)試發(fā)射脈沖參數(shù)時(shí)，使用者應(yīng)注意選用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法和驗(yàn)收要求。

圖2 EN ISO 18563-1標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試

(1) 通道間串?dāng)_

EN ISO 18563-1規(guī)定的通道間串?dāng)_反映了接收器通道接收信號(hào)對(duì)其他通道產(chǎn)生的影響。而JB/T 11779規(guī)定的相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_隔離度為發(fā)射脈沖過(guò)程中，從發(fā)射器輸出端傳輸至相鄰?fù)ǖ垒斎攵说哪芰恐怠?/p>

① EN ISO 18563-1規(guī)定的方法

EN ISO 18563-1規(guī)定的方法是：設(shè)置相控陣儀器所有發(fā)射通道關(guān)閉，在50 Ω負(fù)載條件下測(cè)試，激活1通道，其他通道處于關(guān)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(hào)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(hào)和儀器增益，使1通道的信號(hào)幅度達(dá)到滿(mǎn)屏高度的60%。關(guān)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(hào)幅度達(dá)到滿(mǎn)屏高度的60%。則Gi-G1即為第i通道與第1通道間的串?dāng)_。各通道與1通道間串?dāng)_值中的最小值即為相控陣儀器的通道間串?dāng)_。

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(shè)置一次激發(fā)一個(gè)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(kāi)始定義為1)并聯(lián)一個(gè)50 Ω的無(wú)感電阻，相控陣檢測(cè)儀設(shè)置一次激發(fā)一個(gè)陣元的聚焦法則，用示波器測(cè)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(gè)電壓之比的對(duì)數(shù)即為發(fā)射信號(hào)串?dāng)_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(hào)所需的外部輸入?yún)⒖夹盘?hào)幅值的差異為通道增益變化，反映了相控陣儀器自身的通道一致性。而JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)以相控陣探頭各陣元在試塊上的回波幅度為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試儀器接收通道的增益變化作為通道一致性，這種測(cè)試方法的對(duì)象是相控陣測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)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(shè)置相控陣儀器所有發(fā)射通道關(guān)閉，僅測(cè)試通道激活，在50 Ω負(fù)載條件下測(cè)試。EN ISO 18563-1規(guī)定的通用測(cè)試設(shè)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(cè)量設(shè)備的阻抗，采用該測(cè)試設(shè)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(hào)，輸入1通道，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使1通道的信號(hào)幅度達(dá)到滿(mǎn)屏高度的80%，測(cè)試輸入信號(hào)的幅度A1。以同樣的方法依次測(cè)試各通道的輸入信號(hào)幅度，找出最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min，按下式計(jì)算得出通道增益的變化。

(2)

圖3 EN ISO 18563-1規(guī)定的通用測(cè)試設(shè)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(cè)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(zhǔn)25 mm厚試塊平面上。設(shè)置一次激發(fā)一個(gè)陣元組成的電子掃描，沿著陣列中所有陣元一次一個(gè)陣元步進(jìn)(需確保每個(gè)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(gè)陣元使用的通道應(yīng)一致)。設(shè)置發(fā)射器參數(shù)，優(yōu)化探頭陣列標(biāo)稱(chēng)頻率的響應(yīng)，對(duì)探頭中每個(gè)陣元來(lái)說(shuō)，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(dá)到80%顯示幅度。記錄各通道的接收器增益，接收器增益絕對(duì)誤差(所有檢測(cè)通道增益平均值和當(dāng)前通道測(cè)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為輸入, 判定相控陣儀器各通道的顯示信號(hào)幅度與輸入信號(hào)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(cè)儀屏幕上讀出的單個(gè)發(fā)射-接收通道在25 mm厚試塊底面的回波信號(hào)垂直刻度值與輸入信號(hào)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(hào)的幅度，來(lái)觀察相控陣儀器屏幕上信號(hào)的高度變化情況。設(shè)置相控陣儀器所有發(fā)射通道關(guān)閉，僅測(cè)試通道激活，在50 Ω負(fù)載條件下測(cè)試，采用圖3所示的測(cè)試設(shè)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(hào)輸入1通道，外部衰減器調(diào)至2 dB，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使1通道的信號(hào)幅度達(dá)到滿(mǎn)屏高度的80%。表5為標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試相控陣儀器屏幕上的信號(hào)幅度是否滿(mǎn)足表5中的要求，并以此方法依次測(cè)試相控陣儀器所有發(fā)射器通道。

表5 標(biāo)準(zhǔn)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(duì)相控陣檢測(cè)儀每個(gè)發(fā)射器-接收器組件進(jìn)行檢測(cè)，以確定相控陣檢測(cè)儀放大能力的線性。將相控陣探頭連接到相控陣檢測(cè)儀上，使用這種探頭，配置相控陣檢測(cè)儀為電子光柵掃描。每個(gè)聚焦法則由一個(gè)晶片組成，掃描從1號(hào)晶片開(kāi)始，直到相控陣檢測(cè)儀發(fā)射器數(shù)量對(duì)應(yīng)的晶片號(hào)結(jié)束。將探頭耦合到厚度為25 mm 相控陣校準(zhǔn)試塊上，獲得每個(gè)聚焦法則的脈沖底面回波響應(yīng)，也可使用液浸法進(jìn)行測(cè)試。

選擇相控陣檢測(cè)儀的發(fā)射-接收通道1，采用A掃描顯示，監(jiān)測(cè)所選定靶體的回波響應(yīng)。調(diào)節(jié)增益，使該回波信號(hào)為全屏高度的40%。以步進(jìn)1，2，4，6 dB提高接收器的增益。在每個(gè)步進(jìn)增加后再取消所增加的增益，確保信號(hào)返回40%的顯示高度。以顯示高度的百分比記錄實(shí)際信號(hào)高度。標(biāo)準(zhǔn)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(hào)為100%顯示高度，降低6 dB增益，記錄信號(hào)實(shí)際高度(顯示高度的百分比)，測(cè)試信號(hào)高度是否滿(mǎn)足表6中的要求。其他發(fā)射器-接收器通道重復(fù)上述的步驟。

表6 標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11779幅度線性的允許范圍

4 結(jié)語(yǔ)

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

(2) 在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍方面，ASTM E2491、GB/T 29302、EN ISO 18563-3標(biāo)準(zhǔn)適用于測(cè)試和評(píng)價(jià)相控陣超聲檢測(cè)儀器的組合性能。EN ISO 18563-1標(biāo)準(zhǔn)采用外接電子設(shè)備的方式測(cè)試頻率范圍在0.5 MHz～10 MHz范圍內(nèi)的相控陣超聲檢測(cè)儀器的電氣性能。JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)適用于檢測(cè)頻率在0.2 MHz～25 MHz范圍內(nèi)的相控陣檢測(cè)儀的性能測(cè)試，而JJF 1338標(biāo)準(zhǔn)用于對(duì)相控陣超聲檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)。

(3) 在測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法方面，各標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)其用途給出了不同的性能參數(shù)及測(cè)試方法。ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338標(biāo)準(zhǔn)均用于測(cè)試和評(píng)價(jià)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的組合性能，其中EN ISO 18563-3標(biāo)準(zhǔn)提出了陣元通道、聲束特性和成像檢查等方面共十余項(xiàng)性能指標(biāo)，并給出了各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，可操作性最強(qiáng)。

EN ISO 18563-1和JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)給出了相控陣檢測(cè)儀器自身的性能指標(biāo)及測(cè)試方法，相對(duì)于 參照常規(guī)超聲檢測(cè)儀性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EN12668.1而制定的JB/T 11779標(biāo)準(zhǔn)，EN ISO 18563-1標(biāo)準(zhǔn)在穩(wěn)定性、發(fā)射器性能、接收器性能、顯示性能和閘門(mén)性能5個(gè)方面給出了全面體現(xiàn)相控陣檢測(cè)儀器性能的測(cè)試指標(biāo)、方法及驗(yàn)收要求。在對(duì)通道一致性、幅值線性等性能指標(biāo)的測(cè)試方法上，EN ISO 18563-1標(biāo)準(zhǔn)采用外部電子設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試的方法，更適于評(píng)價(jià)相控陣儀器自身的性能優(yōu)劣。

[1] 韓相勇.長(zhǎng)輸管線對(duì)接環(huán)焊縫自動(dòng)相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，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(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015QK252，2015QK257)

張君嬌(1987-)，女，工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)工作

張君嬌，zhangjj1000@163.com

10.11973/wsjc201705003

TB51+7；TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0010-07