國內外超聲檢測儀器測試與評價標準的比較與分析

潘強華，鄭 暉，張君嬌，鄭 陽，楊 齊

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

國內外超聲檢測儀器測試與評價標準的比較與分析

潘強華，鄭 暉，張君嬌，鄭 陽，楊 齊

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

針對國內外超聲檢測儀的測試和評價標準，從標準的適用范圍、測試條件、測試項目和測試方法等幾個方面進行了比較和分析，為使用者全面了解各標準有關超聲檢測儀性能方面的測試方法及差異，并根據測試目的、測試要求，選取適當檢測方法提供了參考和依據。

超聲檢測儀；對比分析；標準

在超聲檢測儀使用過程中，對缺陷大小和位置的判定與儀器本身的電氣性能有著密切關系。為保障超聲檢測儀檢測缺陷的準確性及可靠性，需要對超聲檢測儀進行性能測試與評價。

筆者主要針對國內外超聲檢測儀性能測試與評價的標準及規范，從超聲檢測儀器的檢測項目、檢測條件以及檢測方法等幾個方面進行了比較分析，并對各標準中一些規定的合理性進行了分析。為使用者全面了解各標準有關超聲儀器性能方面的測量方法及差異，并根據測試目的、測試要求，選取適當檢測方法提供了參考和依據。

1 相關標準

目前關于A型脈沖反射式超聲檢測儀的性能測試標準，在國際上較有影響力的有美國ASTM、國際標準化組織ISO和歐盟EN等標準，現行的國內大部分標準也主要參考國際相關標準作為編制依據[1]。國內外有關超聲檢測儀性能要求的標準主要有：① ASTM E 1324-2011StandardGuideforMeasuringSomeElectronicCharacteristicsofUltrasonicExaminationInstruments;② ISO 12710:2002Non-destructiveTesting-UltrasonicInspectionEvaluatingElectronicCharacteristicsofUltrasonicTestInstruments;③ ISO 18175:2004Non-destructiveTesting-EvaluatingPerformanceCharacteristicsofUltrasonicPulse-echoTestingSystemswithouttheUseofElectronicMeasurementInstruments; ④ EN 12668.1-2010Non-destructiveTestingCharacteriza-tionandVerificationofUltrasonicExaminationEquipmentPart1:Instruments;⑤ GB/T 27664.1-2011 《無損檢測 超聲檢測設備的性能與檢驗 第1部分：儀器》(等效于EN 12668.1:2000);⑥ JB/T 9214-2010 《A型脈沖反射式超聲檢測系統工作性能測試方法》;⑦ JB/T 10061-1999 《A型脈沖反射式超聲波檢測儀通用技術條件》;⑧ JJG+746-2004+ 《超聲檢測儀檢定規程》。

2 標準的適用范圍、測試條件、測試項目和測試方法的比較

2.1 標準的適用范圍

國內外超聲檢測儀測試與評價標準中有關超聲檢測儀的適用范圍見表1。

表1 國內外超聲檢測儀測試與評價標準的適用范圍

2.2 測試儀器具體要求

ASTM E 1324和EN 12668標準中列出了對超聲檢測儀電氣性能的測試項目，規定了超聲儀器、探頭各自獨立的測試方法，并明確了對該測試項目所采用的電子儀器及測試裝置。

針對超聲檢測儀電氣性能測試要求，我國現行的標準主要有GB/T 27664.1和JB/T 10061兩項標準。GB/T 27664.1主要參考EN 12668.1標準，內容幾乎一致，這里不再討論。而JB/T 10061規定的內容，相對而言，標準中涉及的許多性能項目的測試，實際上還是在被檢超聲儀器與探頭連接的狀況下進行測試。測試條件和測試方法還較落后，測試方法及測試裝置與國外標準也存在較大差別。

各標準對測試儀器的具體要求見表2。

表2 各標準對測試儀器的具體要求

2.3 測試項目 ASTM E 1324、ISO12710標準的測試項目和測試方法基本相同，ASTM E 1324和ISO 12710標準都僅說明了測試方法，未對測試結果提出指標要求。該兩項標準規定的測試項目，詳見表3。

GB/T 27664.1(等效于EN 12668.1)的文本結構與技術內容基本一致，而國內超聲儀器標準JJG+746-2004的檢定要求與JB/T 10061的規定基本相同，以下對EN 12668.1與JJG+746-2004兩項標準的測試項目進行了比較，詳見表4。

表3 ASTM E 1324與ISO 12710標準規定的測試項目

表4 EN 12668.1與JJG+746-2004的測試參數比較

2.4 測試方法的比較

超聲檢測儀的測試標準/規范，重點是考慮儀器中對檢測和結果評定有影響的參數。其中必檢的特性指標主要有：發射部分的發射電壓、發射上升時間、發射脈沖重復頻率、發射脈沖寬度等；接收部分的串擾、動態范圍、頻帶等主要參數。發射部分性能參數是指儀器直接激勵探頭晶片所得到超聲檢測信號的度量，接收部分性能參數是指超聲檢測儀對接收測試信號的度量，其中ASTM 1324與EN 12668.1標準中規定的測試方法及測試項目相差不大。筆者主要對我國JB/T 10061與歐標EN 12668.1標準中的測試方法進行了比較和分析。

圖1 EN 12668.1規定的發射部分電氣性能參數測試

2.4.1 發射部分性能參數的測試

EN 12668.1規定的發射部分電氣性能參數測試方法(見圖1)，將超聲儀器置一發一收即雙探頭工作狀態(發射輸出插座連接一個50 Ω無感電阻)，用示波器測量發射脈沖電壓U50、脈沖上升時間tr、脈沖回響的寬度td和幅度▽r。并在各種不同發射脈沖強度或發射脈沖頻率、在最大及最小阻尼條件下，重復進行測試。

JB/T 10061-1999與 EN 12668.1的測量方法基本相同，但JB/T 10061-1999未規定脈沖回響的寬度td，也未規定尖脈沖、調諧脈沖的測試方法。而ASTM E 1324的測試方法與EN 12668.1的測試方法基本一致。

2.4.2 接收部分性能參數的測試

(1) 動態范圍

EN 12668.1中規定的動態范圍為儀器能顯示的最大信號電壓幅度與最小信號電壓幅度的比值，同時最大信號受放大器的飽和限制或屏幕顯示最大信號的最大衰減限制。而JB/T 10061-1999規定儀器讀取DB PZ20-2試塊平底孔信號波幅度,自垂直刻度100%下降至剛能辨認的最小值時衰減器的調節量，定為超聲檢測儀的動態范圍。

EN 12668.1規定的方法：采用圖2所示的測試設備，在每個頻帶的中心頻率處測定動態范圍。由該測試設備產生的10周正弦波測試信號，將超聲儀器的衰減器或增益控制器調至最小增益。增加輸入信號的幅度直至其出現飽和或顯示為全屏幕高度的100%為止。測量輸入電壓幅度Umax(注意標準衰減器的設置)。將超聲儀器的衰減器或增益控制器調至最大增益。如果設置增益時的噪聲電平高于屏幕高度的5%，應降低增益，直至噪聲電平為屏幕高度的5%為止。調節輸入信號的幅度，使其顯示在屏幕高度的100%，測量輸入電壓幅度Umin(注意標準衰減器的設置)。

圖2 EN 12668.1規定的通用測試設備

動態范圍為20lg(Umax/Umin),若Umin低于輸入等效噪聲Uein時，動態范圍應為20lg(Umax/Uein),標準規定可用動態范圍至少應為100 dB。

JB/T 10061規定的方法：連接探頭并固定在試塊上，JB/T 10061動態范圍規定的測試方法如圖3所示。調節檢測儀，使熒光屏上顯示DBPZ20-2平底孔缺陷的回波波形，并將孔波幅度調至垂直刻度的100%，且衰減器至少有30 dB的衰減余量，調節衰減器，讀取孔波幅度自垂直刻度100%下降至剛能辨認的最小值時衰減器的調節量，定為檢測儀在該探頭所給定的工作頻率下的動態范圍，在工作頻率范圍內，改用不同頻率的探頭，重復進行測試。

圖3 JB/T 10061動態范圍規定的測試方法示意

(2) 幅度線性

EN 12668.1中規定的幅度線性為儀器屏幕上讀出信號的垂直刻度值與輸入信號幅度成正比的接近程度。而JB/T 10061-1999規定的垂直線性為采用儀器、探頭和DB PZ20-2試塊組合系統，以試塊平底孔回波幅度滿屏100%為參考信號，測量儀器每下降2 dB的理論刻度值與實測值的偏差，最后取最大正負偏差之和。

EN 12668.1規定的方法：采用外部標準衰減器改變參考輸入信號幅度和觀察超聲儀器屏幕上的信號高度的變化情況，在每個頻帶中心頻率上，重復測試超聲儀器屏幕的垂直線性。記錄開始測試時的增益設置。檢查全屏幕高度0～26 dB間的線性。

采用圖2所示的測試設備，外部標準衰減器調至2 dB，調節輸入信號和超聲儀器的增益，使輸入信號為全屏幕高度的80%。不改變超聲儀器的增益，按表5(垂直顯示線性的接收準則)給定的值調節外部標準衰減器，在每次設置時，測試超聲儀器屏幕上的信號幅度，并滿足表5中的要求。

表5 垂直顯示線性的接收準則

JB/T 10061規定的方法：超聲檢測儀連接探頭固定在DB-PZ20-2試塊上，使深200 mm，φ2 mm平底孔信號波幅度恰為垂直刻度的100%，且至少有30 dB的衰減余量，按照表6(JB/T 10061規定的垂直線性測試方法)調節衰減器，然后將孔波幅度實測值與表6的理論值相比較，取最大正偏差與最大負偏差之和為垂直線性誤差。

表6 JB/T 10061規定的垂直線性測試方法

(3) 電噪聲

EN 12668.1中規定的等效輸入噪聲為測量超聲儀器屏幕上的電噪聲電平，由輸入信號電平定義，在接收器輸入端測量；如果放大器沒有噪聲，則會產生相同的噪聲電平。而JB/T 10061中規定的電噪聲電平為超聲檢測儀的靈敏度和掃描范圍調至最大，儀器屏幕時基線上最大的電噪聲幅度。

JB/T 10061規定的方法：將檢測儀的靈敏度和掃描范圍調至最大，在避免外界干擾的條件下，讀取時基線上電噪聲平均幅度在垂直刻度上的百分數，檢測儀的工作頻率如取分檔形式，各檔級應分別測試。

(4) 衰減器精度

EN 12668.1以及JB/T 10061中規定的衰減器精度為將儀器的標準衰減器與匹配的外部標準衰減器進行比較，EN 12668.1規定的是微調連續20 dB和粗調連續60 dB衰減累計誤差，而JB/T 10061中規定的是連續12 dB衰減的累計誤差。

EN 12668.1規定的方法：采用一個參考信號，對超聲儀器的標準衰減器與匹配的外部標準衰減器進行比較。使用圖2所示的測試設備，在每個頻帶的中心頻率上進行比較。調節超聲儀器的標準衰減器至中間位置，調節信號發生器的參考信號，使在屏幕高度的80%顯示一個信號，外部標準衰減器設置為高于超聲儀器的增益10 dB。以適當的增量，通過降低超聲儀器的衰減量和調節外部標準衰減器，使該信號保持在一定的高度，檢查超聲儀器的衰減控制情況。按下面三個步驟檢查衰減器的增益：第一步，在1 dB范圍內，以最小的增量檢查增益；第二步，以不小于1 dB的增量，在整個范圍內檢查細調增益；第三，以不同的增量，在整個范圍內，檢查粗調增益。記錄這兩個衰減器大于驗收準則規定時的差值，該差值即為超聲儀器衰減器的誤差。在每次選擇頻率設置時，應符合下述條件：① 在任一連續20 dB范圍內或整個范圍內(選取兩者中較小的)，衰減器在細調增益時的累積誤差不能超過±1 dB；② 在任一連續60 dB范圍內或整個范圍內(選取兩者中較小的)，衰減器在粗調增益時的累積誤差不能超過±2 dB。

JB/T 10061規定的方法：將被測檢測儀置一收一發，即“雙”的工作狀態;JB/T 10061中衰減器精度規定的測試方法見圖4，調節檢測儀和標準衰減器，使在熒光屏上顯示的脈沖調制高頻信號的幅度為垂直刻度的60%～80%，然后采用比較法，從標準衰減器讀出檢測儀(衰減器)的衰減誤差。在檢測儀的各種規定的工作頻率范圍內，改用不同的頻率，重復以上測試。在每次選擇頻率設置時，應符合下述條件：在檢測儀規定的工作頻率范圍內，衰減器每12 dB的工作誤差不超過±1 dB。

圖4 JB/T 10061中衰減器精度規定的測試方法示意

3 結語

(1) 通過對上述標準的比較和分析，得知標準適用的評價對象不同， ASTM E 1324主要用于標稱頻率范圍在100 kHz～25 MHz的脈沖反射式檢測儀，僅限于本標準所述的各電子學部分的組合，不是評定超聲系統特性。EN 12668.1規定了A型脈沖式模擬和數字式超聲檢測儀電性能的檢驗方法和驗收標準，適用于手動式、工作在0.5 MHz～15 MHz中心頻率范圍內的單探頭或雙探頭的超聲檢測儀，部分檢驗方法和驗收標準適用于自動檢測系統中的超聲檢測儀，不適用于連續波工作的超聲檢測儀和超聲測厚儀。而JB/T 10061只適用于一般接觸式超聲直探頭或斜探頭系統，僅適用于手工檢測，不適用于自動化超聲檢測。

(2) 在性能參數和測試方法方面，各標準定義不同，方法也有差異。現行的EN 12668.1和ASTM E 1324標準的測試參數遠多于國內鑒定規程，而且歐盟標準還增加了帶閘門的超聲儀器的附加測試參數，測試方法較科學。而JB/T 10061中規定的測試項目及測試方法已不滿足數字式超聲檢測儀的要求，建議細化。

(3) EN 12668.1標準對性能參數都給定了測試方法及允許范圍;而國內JB/T 10061標準只有部分參數給定了允許范圍;ISO以及ASTM E 1324標準對于超聲檢測儀各測試參數未給出具體允許范圍，僅說明了測試方法，允許范圍由各采用國制造商規定或商榷。

[1] 夏紀真. 超聲波探傷儀器的性能評定——中國和歐盟標準的比較[J]. 無損探傷, 2006, 30(5): 27-31.

Comparison and Analysis of Home and Abroad Standards on Testing and Evaluation of Ultrasonic Testing Instrument

PAN Qiang-hua, ZHENG Hui, ZHANG Jun-jiao, ZHENG Yang，YANG Qi

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

In this paper, standards on evaluating characteristics of ultrasonic testing instrument were compared. The different contents described in measuring procedures and methods were analyzed and some opinions were put forward. The result can be used by users as good references of choosing appropriate methods according to different intentions and requirements.

Ultrasonic testing instrument; Comparative analysis; Standard

2016-08-31

國家質檢總局科技計劃資助項目(2015QK252);國家質檢總局科技計劃資助項目(2015QK257)

潘強華(1984-)，男，工程師，主要從事無損檢測技術研究工作。

潘強華，E-mail: pqh123@163.com。

10.11973/wsjc201703002

TB51+7;TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0005-05