一種基于33250A型信號源的數字超聲探傷儀水平線性誤差測試方法

陳沈理，何卓斌，楊德俊

（廣東省計量科學研究院，廣東廣州510405）

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一種基于33250A型信號源的數字超聲探傷儀水平線性誤差測試方法

陳沈理，何卓斌，楊德俊

（廣東省計量科學研究院，廣東廣州510405）

摘要：針對數字式超聲探傷儀水平線性誤差的準確測試，提出一種方法，即基于33250A型函數信號發生器，利用其函數信號發生器外部觸發延時輸出的功能模擬超聲探傷儀水平線性的距離，可以準確地測試數字式超聲探傷儀的水平線性誤差。通過實驗設計和實驗數據驗證，結果表明：該方法有效可行，可為超聲探傷儀的水平線性誤差測試提供參考。

關鍵詞：超聲探傷儀；掃描范圍；水平線性誤差；電信號

0　引言

隨著電子信息技術的發展，超聲波探傷儀由模擬向數字、小型和多功能發展，并廣泛應用于鍋爐、壓力容器、航天、航空、電力、石油、化工、軍工、汽車、機械制造、冶金等行業的材料和構件的非破壞性檢測，因此，其計量性能直接關系到檢測材料和產品的質量[1-2]。水平線性誤差是超聲探傷儀重要計量性能之一，水平線性表示缺陷位置的確定準確度，在焊縫探傷中尤其重要[3]。

JJG 746——2004《超聲探傷儀檢定規程》規定超聲探傷儀水平線性的要求是±2%，EN 12668——2001 Non -destructive testing -Characterization and verification of ultrasonic examination equipment-Part1:Instruments中對超聲儀器驗證的要求±1%[4]，而對數字超聲儀器驗證要求為±0.5%[5]。針對數字式超聲探傷儀水平線性誤差的測試，本文結合實驗室中常用的33250A型函數信號發生器，介紹一種采用外觸發延時輸出信號的函數信號發生器進行超聲探傷儀水平線性誤差測試的方法，并詳細說明函數信號發生器設定操作和數據處理分析過程。

1　工作原理及數學模型

超聲探傷儀探傷的主要方法是反射法，它是基于超聲波在通過不同聲阻抗組織界面時會發生較強反射的原理工作的。這個過程涉及超聲波的產生、接收、信號轉換和處理等，其中產生超聲波的方法是通過電路產生激勵電信號傳給具有壓電效應的晶體（如石英、硫酸鋰等），使其振動從而產生超聲波；而接受反射回來的超聲波時，這個壓電晶體又會受到反射回來的聲波壓力而產生電信號，并傳遞給信號處理器，從而實現探傷的目的[6]。

1.1工作原理

基于上述超聲探傷儀工作原理，以及依據JJG 746——2004對水平線性誤差測量方法的規定，對數字超聲探傷儀水平線性誤差的測試是通過電信號來實現的，也就是說通過電信號的延遲來模擬反射回來的超聲波信號。本文采用安捷倫33250A型函數信號發生器，并輔以適配器將數字超聲探傷儀發射出的負高壓尖脈沖（或方波）轉換成與33250A型函數信號發生器外觸發輸入匹配的TTL信號[7]。

1.2數學模型

水平線性是指超聲探傷儀熒光屏時間或距離軸上顯示的信號與輸入接收器（通過校正的時間發生器或來自已知平板的多次回波）成正比關系的程度。從水平線性的定義可以知道：水平線性誤差其實就是超聲探傷儀對縱向探傷深度的準確程度。考慮水平軸為距離軸時，深度就是距離（單位：mm），33250A型函數信號發生器通過延遲時間來實現模擬深度，數字超聲探傷儀屏幕顯示的深度是超聲波經過反射回來的單程距離，也就是超聲波真實經過的路程是屏幕顯示的兩倍，所以數字探傷儀顯示的距離與信號延遲時間的關系如下：

式中：L——數字探傷儀理論深度值，mm；

t——函數信號發生器的延時，μs；

ν——超聲探傷儀設定的超聲聲速，m/s。

依據JJG 746——2004《超聲探傷儀檢定規程》，超聲探傷儀水平線性誤差計算式為

式中：ΔL——水平線性誤差；

B——水平滿刻度數，mm；

水平刻度偏差a為

2　儀器設定操作

2.1超聲探傷儀的設定

由于超聲探傷儀發射端輸出的激勵電壓為負（或正）向高壓尖脈沖（或方波），如果設定的不好，很容易導致信號源被高壓脈沖擊壞，故對超聲探傷儀的設定尤為重要。

超聲探傷儀工作模式一般有單探頭模式和雙探頭模式兩種。單探頭模式是將接收與發射導通，即發射和接收為同一接口；而雙探頭模式是發射和接收分開，發射只發射激勵電信號，接收只接收轉換回來的電信號，兩接口相互獨立。基于測試水平線性誤差的原理和參考JJG 746——2004，測試時應當將超聲探傷儀設定為雙探頭模式[8]，即一發一收的“雙”工作狀態[9]。

2.233250A型函數信號發生器的設定

在測試數字超聲探傷儀的水平線性誤差中，33250A型函數信號發生器作為模擬水平線性深度的標準器，對其的設定是整個測試的關鍵。應用到的功能是外觸發延時輸出，即通過外部TTL電平觸發后，設定延時時間，輸出已設定頻率、幅值和波數的脈沖正弦波信號。

首先需要設定的是頻率和幅值，頻率主要根據數字超聲探傷儀探頭頻率或者接收頻率帶寬來設定，本文設為2.5 MHz；幅值根據數字超聲探傷儀屏幕顯示幅度大小來確定，一般控制在屏幕垂直滿刻度的80%。其次是外觸發延時功能的設定，對于33250A型函數信號發生器，從“Burst”進入該功能設定，觸發源選擇“外部”，觸發類型選擇“上升沿”[9]，波數依據JJG 746——2004規定一般設定為10個（或者＞10個），延時是根據具體測試要求來設定，這個延時相對應的就是數字超聲探傷儀的水平線性。

3　實驗設計和測試實例

3.1實驗設計

JJG 746——2004中規定水平線性誤差需在掃描范圍各擋上進行評估，對于數字式超聲探傷儀來說，掃描范圍連續可調，所以本次實驗針對數字式超聲探傷儀可選擇低、中、高3個掃描范圍進行，分別是0～250mm，0～1000mm，0～3500mm。

數字式超聲探傷儀的位移就是其零位。首先需要調好零位，將33250A型函數信號發生器的延時設為0，此時回波前沿應該調整至屏幕的零位，即0mm位置。

數字式超聲探傷儀屏幕中20%，40%，60%，80%，100%回波前沿位置的延時與掃描范圍有關，探傷儀的聲速設定為5920m/s，根據式（1）可以推算出延時時間如表1所示。

表1　位置點的延時時間　μs

3.2實驗數據

為驗證上述測試方法，實驗選用OLYMPUS的EPOCH 600型數字超聲探傷儀進行測試。首先，通過探傷儀的閘門功能調整零位，本次實驗數據的零位是0.764μs；然后按表1的掃描范圍進行數據記錄，所有的位置點示值均由探傷儀的閘門自動讀取回波前沿位置的功能實現，具體數據如表2所示。

表2　探傷儀回波前沿示值　mm

根據式（2）、式（3）計算表2中各位置點數據的水平線性誤差，結果如表3所示。

由表中數據可以看出，該探傷儀的水平線性誤差為0.03%。

3.3實驗數據驗證

表3　探傷儀水平線性誤差　%

表4　探傷儀水平線性誤差

由表3和表4的數據可以驗證本文提出的數字探傷儀水平線性誤差測試方法的正確性。

4　結束語

本文介紹了一種基于33250A型函數信號發生器的測試數字超聲探傷儀水平線性誤差的方法，此方法通過實現脈沖信號的延時時間計算理論回波前沿的位置，準確地確定數字探傷儀回波前沿的水平位置，從而實現數字探傷儀水平線性誤差的測試。經過實驗數據的分析和比較，驗證了此方法測試數字探傷儀的水平線性誤差正確性和可行性。

參考文獻

[1]丁兵，黃燕琳，金磊.超聲檢測系統的檢定和期間核查[J].造船技術，2014（4）：44-49.

[2]袁淑芳.超聲波探傷儀檢定方法探討[J].計量技術，2005 （1）：36-37.

[3]馬春，劉輝.無損檢測儀器檢定和校準方法[J].計量與檢測技術，2008（1）：70-71.

[4]夏紀真.超聲波探傷儀器的性能評定——中國和歐洲標準的比較[J].無損探傷，2006，30（5）：27-30.

[5] Non-destructive testing-Characterization and verification of ultrasonic examination equipment -Part1:Instruments：EN 12668-1——2010[S]. 2010.

[6]李克偉.無損探傷儀檢定方法研究及檢定裝置的研制[D].上海：上海交通大學，2007.

[7]陳洪程.超聲探傷儀的檢定[J].標準、質保與檢測，2003，43 （1）：43-45.

[8]超聲探傷儀檢定規程：JJG 746——2004[S].北京：中國計量出版社，2004.

[9] A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件：ZB Y230——1984[S]. 1984.

（編輯：劉楊）

Horizontal linear error test method for digital ultrasonic flaw detector based on 33250A signal generator

CHEN Shenli，HE Zhuobin，YANG Dejun
（Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

Abstract:A 33250A function signal generator is used to test accurate horizontal linear error of digital ultrasonic flaw detectors. First，the delay output triggered by the function signal generator is applied to simulate the horizontal linearity distance of the detector. Then，the horizontal linear error could be accurately tested according to the formula that distance is the product of time and speed. Eventually，this method is proved feasible through experimental design and data.

Keywords:ultrasonic flaw detector；scanning range；horizontal linear error；electrical signal

作者簡介：陳沈理（1984-），男，廣東廣州市人，工程師，主要從事聲學、振動等方面設備儀器的計量工作。

收稿日期：2015-07-17；收到修改稿日期：2015-08-07

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.009

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0038-03