国内外超声相控阵检测仪器性能测试评价标准比较与分析

张君娇，郑 晖，潘强华，朱雨虹，杨 齐

(中国特种设备检测研究院 国家质量监督检验检疫总局无损检测与评价重点实验室，北京 100029)

国内外超声相控阵检测仪器性能测试评价标准比较与分析

张君娇，郑 晖，潘强华，朱雨虹，杨 齐

(中国特种设备检测研究院 国家质量监督检验检疫总局无损检测与评价重点实验室，北京 100029)

随着超声相控阵检测技术的发展，近年来国内外超声相控阵检测仪器种类也不断增多。为了更好地理解相控阵仪器的各项性能，针对国内外现行的相控阵检测仪器的性能测试评价标准，从标准的适用范围、测试条件、测试项目和测试方法等方面进行了比较分析，为使用者根据测试要求有效选取测试标准和方法提供了参考和依据。

超声相控阵检测仪器；性能测试评价；标准；比较分析

超声相控阵检测技术具有多种声场合成及多种形式成像的特点，在检测中具有便捷高效、缺陷定性定量精度高、便于实现复杂结构检测的优势。近年来，超声相控阵检测技术在特种设备、核电、铁路系统以及航空航天等领域得到了广泛应用。超声相控阵检测仪器是相控阵检测技术实施的载体，是相控阵检测系统的核心设备，仪器的性能优劣直接影响着相控阵检测能力和缺陷评定的准确性。为保障相控阵检测的真实可靠，对超声相控阵检测仪器的性能测试和评价就极为重要。

随着超声相控阵检测技术的发展和检测仪器的推出，国内外有关机构相继开展了超声相控阵检测仪器性能测试标准的制定工作。目前国际标准化组织(ISO)、美国材料与试验协会(ASTM)均已发布了超声相控阵检测仪器性能测试的相关标准，我国近几年来结合国际标准也已制定了相控阵仪器性能的测试标准。为了对超声相控阵检测仪器的性能进行有效测试与评价，以保证相控阵检测技术在实际应用中的可靠性，需要对国内外相控阵仪器性能测试标准进行对比分析。

笔者概述了国内外超声相控阵检测仪器的发展现状，对国内外相控阵检测仪器性能测试的标准和规范进行了介绍和归纳，从标准的适用范围、测试条件、测试项目、测试方法等方面进行了比较分析，为仪器测试人员根据测试要求有效选取测试标准和方法提供了参考和依据。

1 超声相控阵检测仪发展概况

超声相控阵检测技术的研究始于20世纪60年代，最初被用于医学超声成像领域，但由于系统复杂、成本高昂等原因，其在工业领域中的应用受到限制。90年代后期，随着集成化数字电路的发展和微处理器成本的降低，小型化、数字化的超声相控阵检测系统开始应用于工业领域。加拿大RD/TECH公司于1997年发布的便携式相控阵检测设备Tomoscan FOCUS是工业超声相控阵设备发展的一个里程碑。近20 a来，国际上出现了大量相控阵检测仪器或系统，主要有：Olympus NDT公司推出的OmniScan MX2、OmniScan SX便携式相控阵检测仪；以色列Sonotron NDT公司制造的ISONIC 2009、ISONIC 2010便携式相控阵成像检测系统；法国M2M公司的Multi2000、Multi X系列相控阵检测系统以及新推出的GEKKO相控阵便携式检测仪；美国GE公司生产的Phasor 16/16 Weld和Phasor-XS相控阵检测系统；英国Sonatest公司推出的Sonatestveo相控阵超声波探伤仪；加拿大ZETEC公司制造的基于电脑的ZIRCON超声相控阵数据采集系统；日本KJTD公司推出的PAL3便携式超声相控阵检测系统和FlashFocus并行相控阵检测系统等。

国内相控阵检测技术的研究及仪器设备的研发起步较晚，于2001年开始在“西气东输”工程中运用相控阵检测技术，但使用的是R/D Tech公司的检测设备[1]。

近几年，国内主要超声检测仪制造厂商也相继推出了相应的相控阵检测仪器，主要有：汕头超声仪器研究所有限公司生产的CTS-602型超声相控阵检测仪和SUPOR系列超声成像检测仪；汕头超声电子股份有限公司生产的CTS-2108PA 型便携式相控阵超声检测仪；武汉中科创新技术股份有限公司生产的HSPA10型和HSPA20型便携式相控阵超声波检测仪；南通友联数码技术开发有限公司生产的PXUT-960相控阵超声探伤仪；广州多浦乐电子科技有限公司生产的Phascan系列超声相控阵检测仪等。

综上，目前市场上国内外相控阵检测仪器种类繁多，性能指标各不相同。研究相控阵检测仪器性能测试评价的标准，合理选取适当的仪器性能测试方法，将有助于相控阵仪器制造商和用户根据实际需求测试仪器性能，并有益于相控阵检测仪器设备市场的规范。

2 国内外现有相控阵仪器性能测试的标准和规范

目前，国内外主要的相控阵超声检测仪性能测试的相关标准见表1，其代表性的标准主要有美国标准、欧盟及ISO标准、中国标准等。在国际上，ASTM于2006年最早制定出了相控阵检测仪器和系统性能评价标准，并修订更新至新版本ASTM E2491-2013StandardGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicsofPhased-ArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystems，该标准为相控阵检测系统组合性能的测试标准;美国标准中目前还没有关于相控阵仪器独立性能的测试和评价标准。欧洲及ISO标准中，EN ISO 18563-1-2015Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipment-Part1:Instruments规定了超声相控阵检测仪器自身的各项要求及部分性能的测试方法，EN ISO 18563-3-2015Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipment-Part3:CompleteSystems提出了对相控阵超声检测系统组合性能的测试方法和具体要求。

我国现行的关于相控阵超声仪器性能测试的标准主要是参照国际标准制定的，GB/T 29302《无损检测仪器相控阵超声检测系统的性能与检验》修改采用了美国标准ASTM E 2491-06，为超声相控阵仪器的系统组合性能测试标准。JB/T 11779-2014《无损检测仪器相控阵超声检测仪技术条件》部分采用了欧盟标准EN 12668-1：2010《超声检测设备的性能和验证 仪器》的相关内容，提出了相控阵检测仪的稳定性，发射器、接收器等的性能要求及测试方法。JJF 1338-2012《相控阵超声探伤仪校准规范》仅提出了相控阵超声仪器的计量特性参数及其测试方法。

表1 国内外主要的超声相控阵检测仪器性能测试标准

3 国内外相控阵超声仪器性能测试标准比较分析

3.1 适用范围

各标准适用的相控阵超声检测仪器类型见表2。

3.2 测试条件

EN ISO 18563-1、JB/T 11779标准给出了相控阵超声仪器自身性能指标及测试方法，并详细规定了测试使用的设备器材，是相控阵检测仪器性能测试评价的主要依据。其中，JB/T 11779标准根据我国相控阵仪器设备实际情况对测试使用的探头和试块作了进一步具体要求，见表3。ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338标准均采用相控阵超声仪器、探头与试块相连接的方式测试相控阵检测系统的使用性能，其测试条件根据测试指标要求各不相同。

表2 各标准适用的相控阵超声检测仪器类型

3.3 测试项目

JB/T 11779标准提出的相控阵超声仪器性能测试指标主要分为稳定性、发射器性能和接收器性能等部分，EN ISO 18563-1标准给出的这几部分性能参数更加全面，且在此之外还增加了显示性能和闸门性能的测试指标，能够较全面地反映相控阵超声检测仪器自身的性能优劣。JB/T 11779和EN ISO 18563-1两项标准的测试项目对比见表4。

ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338标准均用于测试和评价相控阵超声检测系统的组合性能，但各标准在使用目的和测试项目等方面有不同的侧重之处。ASTM E2491标准用于对相控阵超声检测系统进行定期的性能评价，以发现是否存在潜在的故障，不适用于校准和维护。该标准根据在超声检测中所起作用大小着重提出了声束轮廓、声束偏转范围、阵元有效性、聚焦能力、软件计算功能、楔块衰减补偿和接收器增益线性等7个测试项目。针对每个测试项目，该标准提出了建议的测试条件和方法，并没有设定验收标准。由于该标准测试时建议使用的试块未给出具体尺寸、材料等要求，且目前市场上未见相关成熟试块产品，使用该标准测试相控阵检测系统的性能尚存在一定困难。

表3 各标准对测试仪器的具体要求

EN ISO 18563-3标准主要用于用户在现场使用相控阵仪器系统检测前进行的验证，该标准提出的系统组合性能包含了阵元通道、声束特性和成像检查等方面的多项指标，并给出了测试方法和验收标准。EN ISO 18563-3标准根据相控阵仪器系统是否首次使用规定了两组测试要求，为用户检测前进行仪器验证提供了较清晰的操作指导。

JJF 1338标准用于相控阵超声仪器的校准，属于国家计量技术规范。该标准提出了相控阵超声探伤仪的7个计量特性参数及其指标要求，分别是扇扫成像横向分辨力、扇扫成像纵向分辨力、短缺陷分辨力、成像横向几何尺寸测量误差、成像纵向几何尺寸测量误差、扇扫角度分辨力，并且详细规定了校准专用试块的尺寸、材料、参考反射体等要求，对各项参数简要说明了校准方法，但对测试用探头并没有明确规定。JJF 1338标准主要针对相控阵仪器的成像能力及精度提出测试要求，不能全面反映相控阵测试系统的组合性能，使用者可根据实际需求选择测试指标。

3.4 测试方法

国内外现行的相控阵超声检测仪器测试标准中，ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338标准都需使用仪器、探头和试块测试检测系统的组合性能，不能反映仪器自身的性能。

关于相控阵超声检测仪器自身的特性，欧洲标准EN ISO 18563-1和我国标准JB/T 11779均给出了具体的性能指标、测试方法及验收标准等。发射器性能和接收器性能是体现超声类仪器性能优劣的重要部分，反映了仪器发射脉冲的质量和接收信号的能力。EN ISO 18563-1标准给出的性能指标较JB/T 11779标准更全面，下面对两个标准中相同性能指标的测试方法进行比较分析。

3.4.1 发射器部分性能参数的测试

JB/T 11779标准规定的发射器部分性能参数测试方法，是将相控阵检测仪设置成一发一收状态(调整聚焦法则，设置一次激发一个阵元组成的电子扫描，通道n发射，通道n+1接收，n开始定义为1)，在发射输出端并联一个50 Ω的无感电阻，用示波器依次测量各发射通道的发射脉冲电压U50、脉冲上升时间tr、发射脉冲宽度td和脉冲反冲的幅度Ur，JB/T 11779标准规定的发射脉冲参数如图1所示，并要求在不同发射脉冲强度和(或)发射脉冲频率、最大及最小阻尼条件下重复测试。

表4 标准EN ISO 18563-1和JB/T 11779的 测试参数

图1 JB/T 11779标准规定的发射脉冲参数

欧洲标准EN ISO 18563-1与我国标准JB/T 11779规定的测量方法相同，但对发射脉冲宽度的定义不同，将发射脉冲幅度50%处的宽度视为脉冲宽度，而JB/T 11779规定的脉冲宽度沿用了EN 12668.1的定义，为发射脉冲幅度10%处的宽度。此外，两个标准对双极方波脉冲上升时间的定义也有所不同，EN ISO 18563-1标准规定的发射脉冲参数如图2所示。EN ISO 18563-1标准未规定对脉冲反冲幅度的测试，且各项参数测试仅要求在发射脉冲强度、脉冲宽度和脉冲重复频率设置为中间值时测试。因此，在测试发射脉冲参数时，使用者应注意选用标准的测试方法和验收要求。

图2 EN ISO 18563-1标准规定的发射脉冲参数

3.4.2 接收器部分性能参数的测试

(1) 通道间串扰

EN ISO 18563-1规定的通道间串扰反映了接收器通道接收信号对其他通道产生的影响。而JB/T 11779规定的相邻通道串扰隔离度为发射脉冲过程中，从发射器输出端传输至相邻通道输入端的能量值。

① EN ISO 18563-1规定的方法

EN ISO 18563-1规定的方法是：设置相控阵仪器所有发射通道关闭，在50 Ω负载条件下测试，激活1通道，其他通道处于关闭状态，调节通道增益G1为最低并增加10 dB，使用外部信号发生器产生5 MHz的连续正弦波输入1通道，调节输入信号和仪器增益，使1通道的信号幅度达到满屏高度的60%。关闭1通道，激活i通道(仪器其他通道)，调节通道增益Gi，使该通道的信号幅度达到满屏高度的60%。则Gi-G1即为第i通道与第1通道间的串扰。各通道与1通道间串扰值中的最小值即为相控阵仪器的通道间串扰。

② JB/T 11779规定的方法

JB/T 11779规定的方法是:将发射器和接收器端(调整聚焦法则，设置一次激发一个阵元组成的电子扫描，通道n为发射端，则通道n+1为接收端，n开始定义为1)并联一个50 Ω的无感电阻，相控阵检测仪设置一次激发一个阵元的聚焦法则，用示波器测量第n通道发射脉冲输出端U50和相邻第n+1接收通道的峰-峰电压UE。这两个电压之比的对数即为发射信号串扰隔离度(单位为dB)。

(1)

(2) 通道一致性

EN ISO 18563-1规定相控阵仪器各通道显示相同幅度信号所需的外部输入参考信号幅值的差异为通道增益变化，反映了相控阵仪器自身的通道一致性。而JB/T 11779标准以相控阵探头各阵元在试块上的回波幅度为标准，测试仪器接收通道的增益变化作为通道一致性，这种测试方法的对象是相控阵测试系统，测试结果主要体现了相控阵探头阵元间的差异。

① EN ISO 18563-1规定的方法

EN ISO 18563-1规定的方法是，设置相控阵仪器所有发射通道关闭，仅测试通道激活，在50 Ω负载条件下测试。EN ISO 18563-1规定的通用测试设备如图3所示，终端匹配器仅用于匹配相控阵超声仪器与测量设备的阻抗，采用该测试设备，产生频率与相控阵仪器宽带的中心频率相同的正弦信号，输入1通道，调节信号发生器使1通道的信号幅度达到满屏高度的80%，测试输入信号的幅度A1。以同样的方法依次测试各通道的输入信号幅度，找出最大值Amax和最小值Amin，按下式计算得出通道增益的变化。

(2)

图3 EN ISO 18563-1规定的通用测试设备

② JB/T 11779规定的方法

JB/T 11779规定的方法是，连接相控阵探头到相控阵检测仪，移除任何探头延迟线和折射楔块，将探头耦合到相控阵校准25 mm厚试块平面上。设置一次激发一个阵元组成的电子扫描，沿着阵列中所有阵元一次一个阵元步进(需确保每个聚焦法则中使用发射器-接收器数字为1，或者，如果通道可选的话，每个阵元使用的通道应一致)。设置发射器参数，优化探头阵列标称频率的响应，对探头中每个阵元来说，需要调节接收器增益，使试块底面的脉冲回波或水程回波达到80%显示幅度。记录各通道的接收器增益，接收器增益绝对误差(所有检测通道增益平均值和当前通道测量值之差)即为通道一致性的体现。

(3) 幅值线性

EN ISO 18563-1中规定的幅值线性为以外部标准信号为输入, 判定相控阵仪器各通道的显示信号幅度与输入信号幅度成正比的接近程度，而JB/T 11779规定的幅度控制线性是相控阵检测仪屏幕上读出的单个发射-接收通道在25 mm厚试块底面的回波信号垂直刻度值与输入信号幅度成正比的接近程度。

① EN ISO 18563-1规定的方法

EN ISO 18563-1规定的方法是使用外部衰减器改变输入信号的幅度，来观察相控阵仪器屏幕上信号的高度变化情况。设置相控阵仪器所有发射通道关闭，仅测试通道激活，在50 Ω负载条件下测试，采用图3所示的测试设备，产生频率与相控阵仪器宽带的中心频率相同的正弦信号输入1通道，外部衰减器调至2 dB，调节信号发生器使1通道的信号幅度达到满屏高度的80%。表5为标准EN ISO 18563-1垂直线性的允许范围，不改变相控阵仪器的增益，按表5给定的值调节外部衰减器，测试相控阵仪器屏幕上的信号幅度是否满足表5中的要求，并以此方法依次测试相控阵仪器所有发射器通道。

表5 标准EN ISO 18563-1垂直线性的允许范围

② JB/T 11779规定的方法

JB/T 11779规定的方法是对相控阵检测仪每个发射器-接收器组件进行检测，以确定相控阵检测仪放大能力的线性。将相控阵探头连接到相控阵检测仪上，使用这种探头，配置相控阵检测仪为电子光栅扫描。每个聚焦法则由一个晶片组成，扫描从1号晶片开始，直到相控阵检测仪发射器数量对应的晶片号结束。将探头耦合到厚度为25 mm 相控阵校准试块上，获得每个聚焦法则的脉冲底面回波响应，也可使用液浸法进行测试。

选择相控阵检测仪的发射-接收通道1，采用A扫描显示，监测所选定靶体的回波响应。调节增益，使该回波信号为全屏高度的40%。以步进1，2，4，6 dB提高接收器的增益。在每个步进增加后再取消所增加的增益，确保信号返回40%的显示高度。以显示高度的百分比记录实际信号高度。标准JB/T 11779幅度线性的允许范围如表6所示，调节回波信号为100%显示高度，降低6 dB增益，记录信号实际高度(显示高度的百分比)，测试信号高度是否满足表6中的要求。其他发射器-接收器通道重复上述的步骤。

表6 标准JB/T 11779幅度线性的允许范围

4 结语

(1) 国内外现有相控阵仪器性能测试的标准和规范主要包括美国标准、欧洲及ISO标准、中国标准等体系。其中，美国ASTM标准最早发布，主要提出了相控阵仪器组合性能的测试指标及方法。欧洲EN ISO标准在相控阵仪器自身和组合性能方面均给出了详细的要求。我国标准主要参考了美国标准和欧洲标准，选用并修改了部分性能指标及测试方法等内容。

(2) 在标准的适用范围方面，ASTM E2491、GB/T 29302、EN ISO 18563-3标准适用于测试和评价相控阵超声检测仪器的组合性能。EN ISO 18563-1标准采用外接电子设备的方式测试频率范围在0.5 MHz～10 MHz范围内的相控阵超声检测仪器的电气性能。JB/T 11779标准适用于检测频率在0.2 MHz～25 MHz范围内的相控阵检测仪的性能测试，而JJF 1338标准用于对相控阵超声检测仪器的校准。

(3) 在测试项目和测试方法方面，各标准根据其用途给出了不同的性能参数及测试方法。ASTM E2491、EN ISO 18563-3和JJF 1338标准均用于测试和评价相控阵超声检测系统的组合性能，其中EN ISO 18563-3标准提出了阵元通道、声束特性和成像检查等方面共十余项性能指标，并给出了各项指标的测试方法及验收标准，可操作性最强。

EN ISO 18563-1和JB/T 11779标准给出了相控阵检测仪器自身的性能指标及测试方法，相对于 参照常规超声检测仪性能测试标准EN12668.1而制定的JB/T 11779标准，EN ISO 18563-1标准在稳定性、发射器性能、接收器性能、显示性能和闸门性能5个方面给出了全面体现相控阵检测仪器性能的测试指标、方法及验收要求。在对通道一致性、幅值线性等性能指标的测试方法上，EN ISO 18563-1标准采用外部电子设备产生标准信号进行测试的方法，更适于评价相控阵仪器自身的性能优劣。

[1] 韩相勇.长输管线对接环焊缝自动相控阵超声波检测技术[J].无损检测，2006，28(5)：237-241.

Comparison and Analysis of Domestic and Foreign Standards on CharacteristicsEvaluation of Ultrasonic Phased Array Testing Instruments

ZHANG Junjiao,ZHENG Hui, PAN Qianghua, ZHU Yuhong, YANG Qi

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

The types of phased array ultrasonic testing instruments are growing in recent years with the development of the phased array inspection technology. In order to better understand the performance of the phased array instrument, the performance test and evaluation standards of phased array testing instrument for domestic and foreign were compared and analyzed from the standard applicable scope, test conditions, test items and test methods. The results can provide the reference and basis for users to select the standards and testing methods according to the testing requirements.

ultrasonic phased array testing instrument; characteristic testing and evaluation; standard; comparison and analysis

2016-10-19

国家质检总局科技计划资助项目(2015QK252，2015QK257)

张君娇(1987-)，女，工程师，主要从事无损检测与评价工作

张君娇，zhangjj1000@163.com

10.11973/wsjc201705003

TB51+7；TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0010-07