关于相控阵超声探伤仪C型显示模式校准方法的研究

鲁冯杰

【摘 要】相控阵超声探伤仪的使用日益广泛，但其校准方法还有所欠缺，尤其是C型显示模式下的校准方法，目前国内还没有一套完整的方法及流程。有鉴于此，本文对相控阵超声探伤仪C型显示模式下的校准方法进行了研究，基本形成了一套完整的校准方法及思路。该方法针对不同材料及缺陷类型分为试块比对法及试块校准法，并给出了校准结果评价的具体方案，只有被校探伤仪同时满足这两种方法的误差要求，才可通过校准。

【关键词】相控阵超声探伤仪；C型显示模式；校准方法研究；试块比对法；试块校准法

中图分类号： TP274.53 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0011-004

Research on Calibration Method of Phased Array Ultrasonic Flaw Detector C-type Display Mode

LU Feng-jie

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】The phased array ultrasonic flaw detector is widely used， but its calibration method is still lacking， especially the calibration method under the C-type display mode.At present，there is no complete method and flow in China.In view of this，this paper studies the calibration method of phased array ultrasonic flaw detector in the C-mode display mode，and basically forms a complete set of calibration methods and ideas. The method is divided into test block alignment method and test block calibration method for different materials and defect types，and a specific plan for evaluating the calibration results is given.Only when the school flaw detector meets the error requirements of both methods can the calibration.

【Key words】Phased array ultrasonic flaw detector；C display mode；Calibration method study；Test block comparison method；Test block calibration method

1 相控阵超声探伤仪简介

相控阵超声技术已有近20多年的发展历史，初期主要应用于医疗领域，医学超声成像中。系统的复杂性及成本费用高等原因，使其在工业无损检测中的应用受到限制。但近年来，相控阵超声技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、纳米级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用。使得相控阵超声检测技术得以快速发展，逐渐流行于工业无损检测。特别是在航空航天领域，相控阵超声探伤仪在复合材料及金属材料探伤中运用广泛。

相控阵超声探伤仪一般由主机和探头（又称为换能器阵列）组成，探头一般是由若干压电阵元组成的阵列。相控阵超声探伤仪通过主机独立控制探头中的各个阵元，实现探头声速的相控发射和接收，在介质指定空间区域内实现超声波的偏转和聚焦。一款较先进的相控阵超声探伤仪如图1所示。图中探伤仪所用的探头为滚轮式探头，扫查速度快，覆盖范围广。

现代相控阵超声探伤仪的主要优点：

探头尺寸更小；

检测难以接近的部位；

检测速度快，检测灵活性更强；

可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测；

通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子扫描，对试件进行高速，全方位和多角度检测。

以上优点使得相控阵超声探伤仪相对于传统的涡流及超声设备在无损检测领域有着极其重要的地位。

图1 某型相控阵超声探伤仪

2 超声相控阵探伤仪的扫描和显示

一般常用的超声相控阵探伤仪的扫查显示模式分为以下几种：

A型显示：A扫，工业超声检测中应用最多，是目前相控陣超声探伤仪和脉冲发射式探伤仪最基本的显示方式：

荧光屏上纵坐标代表发射回波的幅度，横坐标代表发射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度和时间确定缺陷的大小和存在的位置。

B型显示：又称B扫。它以反射回波作为辉度调制信号，用亮点显示接受信号，在荧光屏上纵坐标表示波的传播时间，横坐标表示探头的水平位置，反映缺陷的水平延伸情况：

B扫能直观显示缺陷在纵截面上的二维特性，获得截面直观图。

C型显示：又称C扫。以反射回波作为辉度调制信号，用亮点或者暗点显示接受信号，缺陷回波在荧光屏上显示的亮点构成被检测对象中缺陷的平面投影图；

这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不能确定缺陷的深度；

一般A扫和C扫结合；

A扫显示深度信息；

C扫显示缺陷形状及当量信息。

3 关于超声相控阵探伤仪的校准现状

超声相控阵设备属于复杂的无损检测设备，其设备校准有一定难度。目前国内对于超声相控阵探伤仪的校准手段还比较落后，尚没有一套对超声相控阵设备整体校准的成熟方法。针对主机部分有关校准规范可参考执行，如JJG746-2004《超声波探伤仪检定规程》[1]、JJF1338-2012《相控阵超声探伤仪校准规范》[2]。其中JJG746-2004《超声波探伤仪检定规程》适用于相控阵超声探伤仪A型显示模式下的首次检定、后续检定、和使用中检验，JJF1338-2012《相控阵超声探伤仪校准规范》适用于相控阵超声探伤仪B型显示模式下的校准。这两份规程未能覆盖到超声相控阵探伤仪C型显示模式下的校准，因此C型显示模式下的校准不能参考这两份规程执行。且两份规程中均未对超声相控阵探伤仪探头的校准作出明确要求，而相控阵探头作为超声相控阵探伤仪的重要组成部分必须进行校准。据了解，中国计量科学研究院是国内唯一一家可对探头部分做校准的计量技术机构，但对于超声相控阵探头也只能进行功能是否正常的功能性检测，仅给出声场特性图，没有具体技术指标，无法对探头本身的性能进行评价。到目前为止，对于超声相控阵探伤仪C型显示模式下的整体计量特性或校准，还没有一个通用的检定规程或校准规范可以借鉴使用。

综上，针对超声相控阵扫描仪C型显示模式下的校准没有相关规程，据悉有关的检定规程正在编制中。另外，主机与探头分别进行校准的方式，无法评定相控阵探伤仪的整体性能指标是否合格。

目前，国内购买该类设备的单位有成都飞机设计研究院、上海飞机制造有限公司、上海船舶工业研究所等多家单位，所采用的校准方式也各不相同。如成都飞机设计研究院在设备验收时，采用标准试块仅对设备能检测的最小缺陷尺寸进行校准；上海飞机制造有限公司参照JJG746-2004《超声波探伤仪检定规程》对设备主机进行检定，整体性能参照公司内部CPS8211D《复合材料结构的超声检验》的规定对最小缺陷尺寸（缺陷评价能力）进行校准。上海船舶工艺研究所则采用内部自校，校准人员应具备无损检测资质。

由于超声相控阵扫描仪探头的校准需要较为先进的设备及手段，需要进一步的研究，本文仅对超声相控阵探伤仪C型显示模式下的整体校准方法进行研究。

4 关于超声相控阵探伤仪C型显示模式校准方法的研究

4.1 校准方法概述

本方法分为两个部分，分别为试块比对法和试块校准法。

试块比对法：标准试块是一个内有Φ3mm缺陷的复合材料试块，由于上级计量技术机构给出的校准值精度不高，因此采用多台同类设备比对的方式进行校准。即对于同一试块由两到三台同类相控阵探伤仪在C型显示模式下分别进行检测，得出缺陷尺寸的检测数据，再用被校相控阵探伤仪检测该试块得出数据，按JJF1117-2010《计量对比》[3]附录D中D2.1给出的方法进行计算得出参考值，对被校设备得出的数据与参考值对比，其误差不能超过±25%，此处的±25%出自我公司的一份工艺规范，这里这个误差值只是作为一个参考，日后上级计量机构有明确规定后可调整该值。采用此比对法能对测量设备无法溯源的情况下确保测量量值的准确、一致、可靠。

试块校准法：标准试块是一个表面有Φ2mm缺陷的平底铝制标准块，由于该试块可以通过万能工具显微镜等计量器具进行精密测量，测得精确的测量值，所以可将试块送至上级计量技术机构进行校准，以上级计量技术机构给出的校准值作为参考值，然后将参考值与被校相控阵探伤仪检测得出的数据进行比较，其误差不能超过±25%（同上述±25%误差值的选取说明）。用此方法进行校准可将量值溯源至国家基准。

当被校相控阵探伤仪所得的测量值同时满足试块比对法和试块校准法中的误差要求时方表示校准合格，反正不合格。

4.2 校准依据

a.JJF1117-2010 《计量对比》

b.CPS8211D 《复合材料结构的超声检验》

此处CPS8211D《复合材料结构的超声检验》为我公司内部规范，仅作为校准过程中的误差参考值，不同单位也可根据相关经验制定此误差参考值，待上级计量机构有明确规定后可调整该值。

4.3 校准方法

4.3.1 试块比对法

1）选取两到三台同类型超声相控阵探伤仪在C显示模式下对由供应商提供的缺陷大小Φ3mm的复合材料试块的缺陷尺寸进行检测，得出检测数据Di（i=2，3）；

2）用被校相控阵探伤仪在C型显示模式下对1.中所述试块的缺陷尺寸进行检测，得到检测数据D0；

3）用Di和D0参照JJF1117-2010《计量对比》附录中D2.1的算术平均法进行计算得出参考值Y；

4）D0与Y比较，其误差不能超过D0的±25%。

4.3.2 试块校准法

1）把供应商提供的表面有Φ2mm缺陷的平底空铝制标准块送至上級计量技术机构进行校准，以上级计量技术机构给出的校准值作为参考值A；

2）用被校相控阵探伤仪在C型显示模式对1.中试块的缺陷尺寸进行检测，得出检测数据A0；

3）A0与A比较其差值不能超过A0的±25%。

4.3.3 校准结果评价

当被校相控阵探伤仪同时满足方法4.3.1中的第4条和4.3.2中的第3条时，对于最小缺陷尺寸的校准合格，满足校准要求，反之则不合格。

5 校准数据分析

5.1 试块比对法数据分析

本次校准采用的是一块碳纤维的复合材料试块，规格为300mm*200mm*3mm，试块内部预埋了两个Φ3mm左右的缺陷，试块实物图如图2所示。

本次校准采用另两家单位的三台不同型号的超声相控阵设备来进行测量上述试块，再与我处被校探伤仪所测的值进行对比。检测部位及探头走向示意图如图3所示。

本次要校准的超声相控阵探伤仪型号为OLYMPUS TomoScan FOCUS LT，使用该探伤仪在C型显示模式下对上述试块进行测量，所得测量值为左侧1孔Φ2.5mm，右侧2孔Φ3.5mm。按4.3.1节中第3条所述的方法，求得参考值Y。

左侧1孔参考值Y1=（3.55+2.6+2.8+2.5）/4=2.86

右侧2孔参考值Y2=（3.66+3.1+3.2+3.5）/4=3.37

誤差判别：对于左侧1孔，被校探伤仪所测的相对误差为1-2.86/2.5=-14%

对于右侧2孔，被校探伤仪所测的相对误差为1-3.37/3.5=4%

被校探伤仪所测两个孔的相对误差均在±25%以内。

5.2 试块校准法数据分析

试块校准法相对简单，采用的是一块平底铝制试块，表面有一个Φ2mm的缺陷，这种形式简单，上级计量技术机构可以使用万能工具显微镜进行精密测量，本次共测得4个受校点的值及测量平均值，如表2所示。

使用被校超声相控阵探伤仪在C扫描形式下对该铝块进行测量，所测3个受校点的值及平均值，如表3所示。

误差判别：被校探伤仪与上级计量机构的测量值的误差为1-2.023/2.2=8%。

被校探伤仪所测孔的相对误差在±25%以内。

5.3 校准结果

被校相控阵探伤仪在两种方法下的缺陷测量值误差同时满足方法4.3.1中的第4条和4.3.2中的第3条，对于最小缺陷尺寸的测量误差均在±25%以内，满足校准要求。

6 总结与展望

本文对超声相控阵在C型显示模式下的校准方法进行了研究，初步形成了一套完整的校准方法及思路。该校准方法分为试块比对法和试块校准法，所选取的缺陷分别为复合材料内部缺陷及金属材料外部缺陷，材料及缺陷类型组合有一定的代表性，同时给出了校准结果评价的具体方案。由于经费及时间有限，该方法中所采用的材料及缺陷形式可能未能包括到各种典型的材料及缺陷形式，另外对于误差精度的选取仍有待进一步研究。

【参考文献】

[1]边文萍，朱岩.超声波探伤仪检定规程[S].中国计量科学研究院，2005.

[2]杨平，边文萍，朱岩，王超.相控阵超声探伤仪校准规范[S].中国计量科学研究院，北京邹展麓城科技有限公司，2012.

[3]王池，原遵东，林延东.计量对比[S].中国计量科学研究院，2010.