數字超聲探傷儀的分辨率與分辨力

趙亮

摘 要：數字超聲波探傷儀顯示器分辨率與采樣頻率直接決定了超聲波檢測儀掃描基線一屏顯示的最小范圍，并間接影響了每一像素點代表的毫米數即掃描基線的精度；而其分辨力是指能夠對一定大小的兩個相鄰反射體提供可分離指示時兩者的最小距離。

關鍵詞：分辨率；采樣頻率；掃描基線；分辨力

中圖分類號：TG115.28 文獻標志碼：A

1 存在問題

針對國內一些生產數字超聲波探傷儀的廠家，對有關數字超聲波儀器有關概念的模糊不清，如某型號數字超聲波探傷儀使用說明書中的突出特點1、2，就存在著——

分辨率與分辨力概念模糊不清；

“測量分辨率0.1mm”與其工作頻率0.5MHz～20MHz不對應。

2 對超聲波探傷儀有關概念問題的認識

2.1 對數字超聲波探傷儀顯示器分辨率的認識

顯示器的分辨率是指顯示器所能顯示的像素點數的多少。一塊顯示器的畫面是由若干橫向與縱向間隔相同的點線有序排列組成的，如一列橫向點線的點數是640點，一列縱向點線的點數是480點，這塊顯示器的“分辨率”就是640×480（共307200個點）。由于屏幕上的點、線和畫都是由點組成的，顯示器可顯示的點數越多，畫面就越精細、越清晰，響應速率就越快。

2.2 對數字超聲波探傷儀分辨力的認識

超聲檢測系統的分辨力是指能夠對一定大小的兩個相鄰反射體提供可分離指示時兩者的最小距離。由于超聲脈沖自身有一定寬度，在深度方向上分辨兩個相鄰信號的能力有一個最小限度（最小距離），稱為縱向分辨力。在工件的入射面和底面附近，可分辨的缺陷和相鄰界面的距離，稱為入射面分辨力和底面分辨力，又稱上表面分辨力和下表面分辨力。實際檢測時，入射面分辨力和底面分辨力與所用的檢測靈敏度有關，檢測靈敏度高時，界面脈沖或始波寬度會增大，使得分辨力變差。探頭平移時，分辨兩個相鄰反射體的能力稱為橫向分辨力。

3 對數字超聲波探傷有關問題的分析理解

3.1 對數字式超聲波探傷儀分辨率與采樣頻率的分析理解

3.1.1 對數字式超聲波探傷儀分辨率的理解

數字超聲波探傷儀顯示器分辨率是指顯示器所能顯示的像素點數的多少。

針對大多數數字超聲探傷儀可知，其顯示器分辨率是640.0×480.0，即掃描列數為640.0列，行數為480.0行（大多數數字超聲探傷儀顯示器分辨率都是640.0×480.0）。每一列上有480.0個像素點，每一行上有640.0個像素點，整個屏幕是由640.0×480.0個像素點組成的點陣，這個點陣數就是顯示器的分辨率。

顯示器下方帶有刻度的水平線段稱作掃描基線，掃描基線相當于尺的功能，檢測時依據缺陷反射回波在基線上出現的位置，確定缺陷在工件中的位置。

掃描基線形成尺的過程：就是利用檢測儀的軟件功能，將掃描基線與數字超聲探傷儀顯示器某一行像素點重合，將部分像素點作為掃描基線上的刻度，每一像素點代表一定的mm數，使掃描基線間接起到尺的作用。

3.1.2 數字式超聲波探傷儀分辨率的作用

根據3.1.1分析可知：

（1）顯示器分辨率直接決定了超聲波檢測儀掃描基線一屏顯示的最小范圍，并間接影響了每一像素點代表的毫米數即掃描基線的精度。

（2）在滿足采樣速度的前提下，應盡量采用較低的采樣頻率，以便達到降低整機功耗的目的。盡量采用高分辨率的顯示器，以便滿足掃描基線的精度與探頭掃查速度要求。

3.2 對數字式超聲波探傷儀分辨力的分析理解

3.2.1 超聲波分辨力的概念與決定因素

超聲波檢測將分辯相鄰兩個缺陷間隔距離的能力稱作分辨力。超聲波的分辨力是由波長l決定，波長l=C/f，f=頻率、C=聲速。

3.2.2 對數字式超聲波探傷儀分辨力存在問題的提出

由數字超聲波探傷儀使用說明書當中的突出特點1、2可知數字超聲探傷儀，說其“測量分辨率0.1mm，工作頻率0.5MHz～20MHz”，表述的是否正確？若不準確，其“測量分辨率0.1mm，工作頻率0.5MHz～20MHz”改為“分辨力為0.1mm，工作頻率0.5MHz～20MHz”，是否就可以實現？如能實現所用探頭頻率是多少MHz？

3.2.3 對數字式超聲波探傷儀分辨力存在問題的分析理解

超聲波的頻率由探頭中壓電晶體的厚度決定，如果橫波聲速為3240.0m/s，壓電晶體的厚度、超聲頻率、超聲波的波長、分辨力之間的關系如下：

當晶體厚度為0.82mm、頻率為2.5MHz時，其超聲波的波長約為1.3mm，其分辨力為2.2mm；當晶體厚度為0.2mm、頻率為10.0MHz時，其超聲波的波長約為0.33mm，其分辨力為0.55mm；當晶體厚度為0.05mm、頻率為40.0MHz時，其超聲波的波長約為0.09mm，其分辨力為0.15mm；當晶體厚度為0.0125mm、頻率為160.0MHz時，其超聲波的波長約為0.02mm，其分辨力為0.033mm；當晶體厚度為0.0062mm、頻率為320.0MHz時，其超聲波的波長約為0.01mm，其分辨力為0.016mm。

（1）通過以上數據不難看出，如果分辨力是0.1mm（介于表中的0.068mm～0.15mm），則波長l=0.041mm～0.09mm，若要求超聲頻率為40.0MHz～80.0MHz，可是他們的儀器通頻帶范圍卻是0.5MHz～20MHz，也就是說頻率在40.0MHz～80.0MHz的超聲信號在數字超聲波儀器中都不能夠被接收與放大的，更不要談160.0MHz、320.0MHz的超聲頻率了。

（2）壓電晶體的材質，類似于我們所用的碗之類的一種陶瓷，想一想，若是將某一種陶瓷材料的厚度做到0.025mm～0.05mm的厚度范圍，誰可以做到？

（3）眾所周知，CSK-IA試塊中的φ40.0mm與φ44.0mm的兩個有機玻璃孔圓弧面的用途，就是用來驗證超聲波檢測儀與橫波斜探頭分辨力的，經測試其φ40.0mm與φ44.0mm這兩個圓弧面反射回波間隔為4.0mm，想想看如果間隔0.1mm時這兩個反射回波還能分辨得出來嗎？

（4）超聲檢測標準規定，相鄰的兩個缺陷，如果其中較小者的指示長度小于間隔距離，則按一個缺陷算。那么還有必要分辨出間隔0.1mm的兩個缺陷嗎？現實探傷遇到這種情況難道不按一個缺陷處理嗎？

結論

我們對這款數字超聲波儀器進行分析，認清了數字超聲波儀器的分辨率與分辨力的相關概念與正確認識；了解了顯示器分辨率直接決定的是超聲波檢測儀掃描基線一屏顯示的最小范圍，并可間接影響每一像素點代表的毫米數即掃描基線的精度；明確了分辨力與工作頻率之間的對應關系；更重要的是，通過對數字超聲波儀器的探討分析，我們對其有了正確認識，在今后的工作當中，既避免了對某些概念性東西的混淆，也避免了不必要的失誤。

參考文獻

[1]NB/T 47013.1—2015.承壓設備無損檢測第1部分：通用要求[S].

[2]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[3]NB/T 47013.3—2015.承壓設備無損檢測第3部分：超聲檢測[S].