魯馮杰

【摘 要】相控陣超聲探傷儀的使用日益廣泛，但其校準(zhǔn)方法還有所欠缺，尤其是C型顯示模式下的校準(zhǔn)方法，目前國內(nèi)還沒有一套完整的方法及流程。有鑒于此，本文對(duì)相控陣超聲探傷儀C型顯示模式下的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，基本形成了一套完整的校準(zhǔn)方法及思路。該方法針對(duì)不同材料及缺陷類型分為試塊比對(duì)法及試塊校準(zhǔn)法，并給出了校準(zhǔn)結(jié)果評(píng)價(jià)的具體方案，只有被校探傷儀同時(shí)滿足這兩種方法的誤差要求，才可通過校準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】相控陣超聲探傷儀；C型顯示模式；校準(zhǔn)方法研究；試塊比對(duì)法；試塊校準(zhǔn)法

中圖分類號(hào)： TP274.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0011-004

Research on Calibration Method of Phased Array Ultrasonic Flaw Detector C-type Display Mode

LU Feng-jie

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】The phased array ultrasonic flaw detector is widely used， but its calibration method is still lacking， especially the calibration method under the C-type display mode.At present，there is no complete method and flow in China.In view of this，this paper studies the calibration method of phased array ultrasonic flaw detector in the C-mode display mode，and basically forms a complete set of calibration methods and ideas. The method is divided into test block alignment method and test block calibration method for different materials and defect types，and a specific plan for evaluating the calibration results is given.Only when the school flaw detector meets the error requirements of both methods can the calibration.

【Key words】Phased array ultrasonic flaw detector；C display mode；Calibration method study；Test block comparison method；Test block calibration method

1 相控陣超聲探傷儀簡介

相控陣超聲技術(shù)已有近20多年的發(fā)展歷史，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)超聲成像中。系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因，使其在工業(yè)無損檢測(cè)中的應(yīng)用受到限制。但近年來，相控陣超聲技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來越引起人們的重視。由于壓電復(fù)合材料、納米級(jí)脈沖信號(hào)控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬等多種高新技術(shù)在超聲相控陣成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用。使得相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)得以快速發(fā)展，逐漸流行于工業(yè)無損檢測(cè)。特別是在航空航天領(lǐng)域，相控陣超聲探傷儀在復(fù)合材料及金屬材料探傷中運(yùn)用廣泛。

相控陣超聲探傷儀一般由主機(jī)和探頭（又稱為換能器陣列）組成，探頭一般是由若干壓電陣元組成的陣列。相控陣超聲探傷儀通過主機(jī)獨(dú)立控制探頭中的各個(gè)陣元，實(shí)現(xiàn)探頭聲速的相控發(fā)射和接收，在介質(zhì)指定空間區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)超聲波的偏轉(zhuǎn)和聚焦。一款較先進(jìn)的相控陣超聲探傷儀如圖1所示。圖中探傷儀所用的探頭為滾輪式探頭，掃查速度快，覆蓋范圍廣。

現(xiàn)代相控陣超聲探傷儀的主要優(yōu)點(diǎn)：

探頭尺寸更?。?/p>

檢測(cè)難以接近的部位；

檢測(cè)速度快，檢測(cè)靈活性更強(qiáng)；

可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測(cè)；

通過局部晶片單元組合對(duì)聲場(chǎng)控制，可實(shí)現(xiàn)高速電子掃描，對(duì)試件進(jìn)行高速，全方位和多角度檢測(cè)。

以上優(yōu)點(diǎn)使得相控陣超聲探傷儀相對(duì)于傳統(tǒng)的渦流及超聲設(shè)備在無損檢測(cè)領(lǐng)域有著極其重要的地位。

圖1 某型相控陣超聲探傷儀

2 超聲相控陣探傷儀的掃描和顯示

一般常用的超聲相控陣探傷儀的掃查顯示模式分為以下幾種：

A型顯示：A掃，工業(yè)超聲檢測(cè)中應(yīng)用最多，是目前相控陣超聲探傷儀和脈沖發(fā)射式探傷儀最基本的顯示方式：

熒光屏上縱坐標(biāo)代表發(fā)射回波的幅度，橫坐標(biāo)代表發(fā)射回波的傳播時(shí)間，根據(jù)缺陷反射波的幅度和時(shí)間確定缺陷的大小和存在的位置。

B型顯示：又稱B掃。它以反射回波作為輝度調(diào)制信號(hào)，用亮點(diǎn)顯示接受信號(hào)，在熒光屏上縱坐標(biāo)表示波的傳播時(shí)間，橫坐標(biāo)表示探頭的水平位置，反映缺陷的水平延伸情況：

B掃能直觀顯示缺陷在縱截面上的二維特性，獲得截面直觀圖。

C型顯示：又稱C掃。以反射回波作為輝度調(diào)制信號(hào)，用亮點(diǎn)或者暗點(diǎn)顯示接受信號(hào)，缺陷回波在熒光屏上顯示的亮點(diǎn)構(gòu)成被檢測(cè)對(duì)象中缺陷的平面投影圖；

這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能確定缺陷的深度；

一般A掃和C掃結(jié)合；

A掃顯示深度信息；

C掃顯示缺陷形狀及當(dāng)量信息。

3 關(guān)于超聲相控陣探傷儀的校準(zhǔn)現(xiàn)狀

超聲相控陣設(shè)備屬于復(fù)雜的無損檢測(cè)設(shè)備，其設(shè)備校準(zhǔn)有一定難度。目前國內(nèi)對(duì)于超聲相控陣探傷儀的校準(zhǔn)手段還比較落后，尚沒有一套對(duì)超聲相控陣設(shè)備整體校準(zhǔn)的成熟方法。針對(duì)主機(jī)部分有關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范可參考執(zhí)行，如JJG746-2004《超聲波探傷儀檢定規(guī)程》[1]、JJF1338-2012《相控陣超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范》[2]。其中JJG746-2004《超聲波探傷儀檢定規(guī)程》適用于相控陣超聲探傷儀A型顯示模式下的首次檢定、后續(xù)檢定、和使用中檢驗(yàn)，JJF1338-2012《相控陣超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范》適用于相控陣超聲探傷儀B型顯示模式下的校準(zhǔn)。這兩份規(guī)程未能覆蓋到超聲相控陣探傷儀C型顯示模式下的校準(zhǔn)，因此C型顯示模式下的校準(zhǔn)不能參考這兩份規(guī)程執(zhí)行。且兩份規(guī)程中均未對(duì)超聲相控陣探傷儀探頭的校準(zhǔn)作出明確要求，而相控陣探頭作為超聲相控陣探傷儀的重要組成部分必須進(jìn)行校準(zhǔn)。據(jù)了解，中國計(jì)量科學(xué)研究院是國內(nèi)唯一一家可對(duì)探頭部分做校準(zhǔn)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，但對(duì)于超聲相控陣探頭也只能進(jìn)行功能是否正常的功能性檢測(cè)，僅給出聲場(chǎng)特性圖，沒有具體技術(shù)指標(biāo)，無法對(duì)探頭本身的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。到目前為止，對(duì)于超聲相控陣探傷儀C型顯示模式下的整體計(jì)量特性或校準(zhǔn)，還沒有一個(gè)通用的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范可以借鑒使用。

綜上，針對(duì)超聲相控陣掃描儀C型顯示模式下的校準(zhǔn)沒有相關(guān)規(guī)程，據(jù)悉有關(guān)的檢定規(guī)程正在編制中。另外，主機(jī)與探頭分別進(jìn)行校準(zhǔn)的方式，無法評(píng)定相控陣探傷儀的整體性能指標(biāo)是否合格。

目前，國內(nèi)購買該類設(shè)備的單位有成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、上海飛機(jī)制造有限公司、上海船舶工業(yè)研究所等多家單位，所采用的校準(zhǔn)方式也各不相同。如成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院在設(shè)備驗(yàn)收時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)試塊僅對(duì)設(shè)備能檢測(cè)的最小缺陷尺寸進(jìn)行校準(zhǔn)；上海飛機(jī)制造有限公司參照J(rèn)JG746-2004《超聲波探傷儀檢定規(guī)程》對(duì)設(shè)備主機(jī)進(jìn)行檢定，整體性能參照公司內(nèi)部CPS8211D《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢驗(yàn)》的規(guī)定對(duì)最小缺陷尺寸（缺陷評(píng)價(jià)能力）進(jìn)行校準(zhǔn)。上海船舶工藝研究所則采用內(nèi)部自校，校準(zhǔn)人員應(yīng)具備無損檢測(cè)資質(zhì)。

由于超聲相控陣掃描儀探頭的校準(zhǔn)需要較為先進(jìn)的設(shè)備及手段，需要進(jìn)一步的研究，本文僅對(duì)超聲相控陣探傷儀C型顯示模式下的整體校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究。

4 關(guān)于超聲相控陣探傷儀C型顯示模式校準(zhǔn)方法的研究

4.1 校準(zhǔn)方法概述

本方法分為兩個(gè)部分，分別為試塊比對(duì)法和試塊校準(zhǔn)法。

試塊比對(duì)法：標(biāo)準(zhǔn)試塊是一個(gè)內(nèi)有Φ3mm缺陷的復(fù)合材料試塊，由于上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)給出的校準(zhǔn)值精度不高，因此采用多臺(tái)同類設(shè)備比對(duì)的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。即對(duì)于同一試塊由兩到三臺(tái)同類相控陣探傷儀在C型顯示模式下分別進(jìn)行檢測(cè)，得出缺陷尺寸的檢測(cè)數(shù)據(jù)，再用被校相控陣探傷儀檢測(cè)該試塊得出數(shù)據(jù)，按JJF1117-2010《計(jì)量對(duì)比》[3]附錄D中D2.1給出的方法進(jìn)行計(jì)算得出參考值，對(duì)被校設(shè)備得出的數(shù)據(jù)與參考值對(duì)比，其誤差不能超過±25%，此處的±25%出自我公司的一份工藝規(guī)范，這里這個(gè)誤差值只是作為一個(gè)參考，日后上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)有明確規(guī)定后可調(diào)整該值。采用此比對(duì)法能對(duì)測(cè)量設(shè)備無法溯源的情況下確保測(cè)量量值的準(zhǔn)確、一致、可靠。

試塊校準(zhǔn)法：標(biāo)準(zhǔn)試塊是一個(gè)表面有Φ2mm缺陷的平底鋁制標(biāo)準(zhǔn)塊，由于該試塊可以通過萬能工具顯微鏡等計(jì)量器具進(jìn)行精密測(cè)量，測(cè)得精確的測(cè)量值，所以可將試塊送至上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，以上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)給出的校準(zhǔn)值作為參考值，然后將參考值與被校相控陣探傷儀檢測(cè)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其誤差不能超過±25%（同上述±25%誤差值的選取說明）。用此方法進(jìn)行校準(zhǔn)可將量值溯源至國家基準(zhǔn)。

當(dāng)被校相控陣探傷儀所得的測(cè)量值同時(shí)滿足試塊比對(duì)法和試塊校準(zhǔn)法中的誤差要求時(shí)方表示校準(zhǔn)合格，反正不合格。

4.2 校準(zhǔn)依據(jù)

a.JJF1117-2010 《計(jì)量對(duì)比》

b.CPS8211D 《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢驗(yàn)》

此處CPS8211D《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢驗(yàn)》為我公司內(nèi)部規(guī)范，僅作為校準(zhǔn)過程中的誤差參考值，不同單位也可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)制定此誤差參考值，待上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)有明確規(guī)定后可調(diào)整該值。

4.3 校準(zhǔn)方法

4.3.1 試塊比對(duì)法

1）選取兩到三臺(tái)同類型超聲相控陣探傷儀在C顯示模式下對(duì)由供應(yīng)商提供的缺陷大小Φ3mm的復(fù)合材料試塊的缺陷尺寸進(jìn)行檢測(cè)，得出檢測(cè)數(shù)據(jù)Di（i=2，3）；

2）用被校相控陣探傷儀在C型顯示模式下對(duì)1.中所述試塊的缺陷尺寸進(jìn)行檢測(cè)，得到檢測(cè)數(shù)據(jù)D0；

3）用Di和D0參照J(rèn)JF1117-2010《計(jì)量對(duì)比》附錄中D2.1的算術(shù)平均法進(jìn)行計(jì)算得出參考值Y；

4）D0與Y比較，其誤差不能超過D0的±25%。

4.3.2 試塊校準(zhǔn)法

1）把供應(yīng)商提供的表面有Φ2mm缺陷的平底空鋁制標(biāo)準(zhǔn)塊送至上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，以上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)給出的校準(zhǔn)值作為參考值A(chǔ)；

2）用被校相控陣探傷儀在C型顯示模式對(duì)1.中試塊的缺陷尺寸進(jìn)行檢測(cè)，得出檢測(cè)數(shù)據(jù)A0；

3）A0與A比較其差值不能超過A0的±25%。

4.3.3 校準(zhǔn)結(jié)果評(píng)價(jià)

當(dāng)被校相控陣探傷儀同時(shí)滿足方法4.3.1中的第4條和4.3.2中的第3條時(shí)，對(duì)于最小缺陷尺寸的校準(zhǔn)合格，滿足校準(zhǔn)要求，反之則不合格。

5 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析

5.1 試塊比對(duì)法數(shù)據(jù)分析

本次校準(zhǔn)采用的是一塊碳纖維的復(fù)合材料試塊，規(guī)格為300mm*200mm*3mm，試塊內(nèi)部預(yù)埋了兩個(gè)Φ3mm左右的缺陷，試塊實(shí)物圖如圖2所示。

本次校準(zhǔn)采用另兩家單位的三臺(tái)不同型號(hào)的超聲相控陣設(shè)備來進(jìn)行測(cè)量上述試塊，再與我處被校探傷儀所測(cè)的值進(jìn)行對(duì)比。檢測(cè)部位及探頭走向示意圖如圖3所示。

本次要校準(zhǔn)的超聲相控陣探傷儀型號(hào)為OLYMPUS TomoScan FOCUS LT，使用該探傷儀在C型顯示模式下對(duì)上述試塊進(jìn)行測(cè)量，所得測(cè)量值為左側(cè)1孔Φ2.5mm，右側(cè)2孔Φ3.5mm。按4.3.1節(jié)中第3條所述的方法，求得參考值Y。

左側(cè)1孔參考值Y1=（3.55+2.6+2.8+2.5）/4=2.86

右側(cè)2孔參考值Y2=（3.66+3.1+3.2+3.5）/4=3.37

誤差判別：對(duì)于左側(cè)1孔，被校探傷儀所測(cè)的相對(duì)誤差為1-2.86/2.5=-14%

對(duì)于右側(cè)2孔，被校探傷儀所測(cè)的相對(duì)誤差為1-3.37/3.5=4%

被校探傷儀所測(cè)兩個(gè)孔的相對(duì)誤差均在±25%以內(nèi)。

5.2 試塊校準(zhǔn)法數(shù)據(jù)分析

試塊校準(zhǔn)法相對(duì)簡單，采用的是一塊平底鋁制試塊，表面有一個(gè)Φ2mm的缺陷，這種形式簡單，上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)可以使用萬能工具顯微鏡進(jìn)行精密測(cè)量，本次共測(cè)得4個(gè)受校點(diǎn)的值及測(cè)量平均值，如表2所示。

使用被校超聲相控陣探傷儀在C掃描形式下對(duì)該鋁塊進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)3個(gè)受校點(diǎn)的值及平均值，如表3所示。

誤差判別：被校探傷儀與上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)的測(cè)量值的誤差為1-2.023/2.2=8%。

被校探傷儀所測(cè)孔的相對(duì)誤差在±25%以內(nèi)。

5.3 校準(zhǔn)結(jié)果

被校相控陣探傷儀在兩種方法下的缺陷測(cè)量值誤差同時(shí)滿足方法4.3.1中的第4條和4.3.2中的第3條，對(duì)于最小缺陷尺寸的測(cè)量誤差均在±25%以內(nèi)，滿足校準(zhǔn)要求。

6 總結(jié)與展望

本文對(duì)超聲相控陣在C型顯示模式下的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，初步形成了一套完整的校準(zhǔn)方法及思路。該校準(zhǔn)方法分為試塊比對(duì)法和試塊校準(zhǔn)法，所選取的缺陷分別為復(fù)合材料內(nèi)部缺陷及金屬材料外部缺陷，材料及缺陷類型組合有一定的代表性，同時(shí)給出了校準(zhǔn)結(jié)果評(píng)價(jià)的具體方案。由于經(jīng)費(fèi)及時(shí)間有限，該方法中所采用的材料及缺陷形式可能未能包括到各種典型的材料及缺陷形式，另外對(duì)于誤差精度的選取仍有待進(jìn)一步研究。

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