超声探伤仪原理、计量及测量不确定度研究

张顺良



超声探伤仪原理、计量及测量不确定度研究

张顺良

引言

超声探伤仪是一种重要的无损检测仪器。在厦门市的应用十分广泛，其性能的好坏，测量数据的准确与否直接影响着锅炉、起吊设备、船舶、飞机维修等的安全生产。因此为了保证安全生产，确保各零部件，结构件、原材料及产成品的质量对超声探伤仪进行正确的计量并对其测量结果进行正确的不确定度评定具有极重要的意义。

超声探伤仪的工作原理

超声探伤仪是运用反射及变频的原理来对材料进行检测的。当超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播就产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的一种技术手段称之为超声检测。当超声波在介质中传播时，在不同质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过射线而不能反射，从而来确定是否存在缺陷及缺陷的位置。

超声探伤仪的计量

1.检定/校准前的准备工作

（1）检定室内环境条件应符合JJG746-2004《超声探伤仪》检定规程的要求。使用前将检定装置频率、增益、时延、衰减器旋钮置适中位置，电源开关置“开”（电源开关在背板上），调节频率旋钮，可得0.5MHZ-15MHZ信号。

（2）将被检超声探伤仪工作方式置“双”（即一收一发状态），切忌置“单”；有的数字机是以探头的类型来选择工作方式，请选择“穿透”类型；如果只有双晶和单晶的选择，请选择双晶。在检定装置开机稳定后，将其输出端与被检超声探伤仪接收端，输入端与被检超声探伤仪发射端分别用测试线相连接。

（3）将被检超声探伤仪扫描量程置适中位置（250mm或50mm），抑制置“0”，调节检定装置的频率旋钮到规程规定的频率，并与检定装置的频率保持一致，将被检超声探伤仪的探头类型改为直探头，声速设定为“钢直声速”，声速设置为5900m/s。

2.检定/校准的步骤

（1）调节检定装置或被检超声探伤仪的衰减器及增益旋钮，使调制信号幅度为显示屏垂直满刻度数的80%，适当调节时延旋钮和被检仪器的脉冲位移和扫描微调旋钮，使第一次调制信号前沿对准显示屏的0刻度线，第六次调制信号前沿对准显示屏的10刻度线，依次读取第二至第五调制信号前沿与2、4、6、8刻度线在水平方向的偏差L（格数），取其绝对值最大的偏差αmax，根据规程要求进行水平线性的检测。

（2）用被检超声探伤仪衰减器衰减量与检定装置衰减器衰减量进行比较的方法，读取衰减量误差，读数精确到0.1dB，即超声探伤仪衰减量增加2dB（或xdB），检定装置衰减量减少2dB（或xdB），并用检定装置衰减器进行补偿，使调制信号回到垂直满刻度的80%处，其补偿量为被检超声探伤仪衰减器衰减量误差。

（3）选定某次调制信号，调节为显示屏垂直满刻度数的100%，同时，检定装置有30dB以上的衰减余量。依次记下检定装置每衰减2dB时，该调制信号幅度的百分数，直至衰减达26dB，然后将此实测值与规程中表2的理论值相比较，取最大正偏差与最大负偏差绝对值之和，作为垂直线性误差，以百分数表示。

（4）在（3）衰减达26dB后，继续衰减直到刚能辨认调制信号最小值（1%）时的衰减量加上26dB，即为被检超声探伤仪的动态范围。

（5）将被检超声探伤仪的灵敏度调至最大（释放所有衰减量，增益调至最大），取下测试连线（避免外界干扰），读取显示屏时基线上电噪声在垂直刻度上的平均幅度即为电噪声电平，以百分数表示。 在电噪声电平检测完毕后，用检定装置的衰减器和增益旋钮调节调制信号的幅度，使其为电噪声电平百分数的两倍。如果检定装置的衰减器和增益旋钮都不能将其调到位，这时可以借用被检超声探伤仪的衰减器进行调节。 将调制信号的幅度调节为电噪声电平百分数的两倍后，从被检超声探伤仪的输入端取下连线，将其接至示波器，用示波器测量此时调制信号的峰一峰值电压。按规程要求计算最大使用灵敏度。

（6）将直探头加适量的耦合剂适当地耦合在CS-1-5试块上，调节被检探伤仪衰减器使孔波辐度为垂直刻度的50%记下增益值A，除去探头，增加增益使噪声电平达10%，记下增益B，灵敏度余量=B-A。

（7）扫描范围的检定将直探头适当地耦合在标准试块上并调节被检超声探伤仪使显示在荧光屏上的多次底波中最后一次底波的幅度大于垂直刻度的50%，然后在水平刻度0～100的范围内读出底波的个数n，扫描范围L=nD。

（8）分辨率的检测是区分相邻而不连续缺陷的能力。检定时将直探头适当地耦合在CSK-1A试块上并轻微移动试块当80mm与90mm两处的回波波峰等高且调至80%，记下增益值A；稳住探头将80mm和90mm两处回波波谷调至垂直刻度的80%记下增益值B。分辨率=A-B。

3.检定/校准后的作业

（1）探伤仪使用完毕，应对仪器的外表进行清洁，然后放置于室内干燥通风处；

（2）探头连线切忌扭曲重压，在拔、插连线时应抓住插头根部；

（3检定完毕后需将检定装置及被检超声探伤仪调至起始状态。

4.检定/校准注意事项

（1）仪器关机后必须停5秒以上方可再次开机，不可反复开关；

（2）避免强力震动、冲击和强民磁场的干扰；

（3）不要长期置于高温、潮湿和有腐蚀气体的环境之中；

（4）按键操作不宜用过猛，不宜用沾有过多油污和泥水的手操作仪器键盘。

超声探伤仪的测量结果不确定度评定

按照JJG746-2004《超声探伤仪》检定规程的要求，对其水平线性、垂直线性、衰减误差、动态范围、噪声电平、最大使用灵敏性、探伤灵敏度余量、扫描范围及分辩力等各参数测量指标均有要求。现以衰减误差为例进行其测量结果不确定度评定。

1.数学模型

根椐规程，在忽略温度、湿度、磁场变化的影响条件下，利用经过检定合格的超声探伤仪检定装置直接测量被检超声探伤仪的衰减器误差，用被检超声仪与检定装置读数的差值，取其平均值作为衰减器衰减误差数学模型如下

2.方差与传播系数

3.标准不确定度分量及其评定

（1）超声探伤仪检定装置引入的不确定度分量

已知检定装置在 20dB处的最大允许误差为±（20×0.5%+0.02）=±0.12d.。 半宽度 α为0.12dB，在此区间为均匀分布，包含因子，则

（2）被检超声探伤仪示值重复性引入的不确定度分量

取一超声探伤仪在标准器衰减20.0dB条件下，显示如下结果，即mx等于下值：

表1 超声探伤仪在标准器衰减20.0dB条件下的mX

因此算术平均值为：

单次实验标准差为：

4.合成不确定度

5.扩展不确定度

超声探伤仪其它指标的示值结果的不确定度评定可按上述方法进行。

结束语

随着超声探伤仪使用的日益广泛，对其正确的计量和不确定度评定也越显重要，只有经检定合格的超声探伤仪才能保证工业生产的安全和顺利进行，本文提出了笔者从事超声探伤仪检定的经验，希望对同行人员能起到一定的参考和帮助。

（作者单位：厦门市计量检定测试院）