超声波仪器、探头性能指标及其测试方法.doc

超声波仪器、探头主要组合的性能测定

主要性能测试项目及其性能指标
仪器
灵敏度余量
垂直线性误差
动态范围
分辨力
水平线性误差
探测范围
通用仪器
≥46dB
≤6%
≥26 dB
≥26 dB
≤2%

数字仪器
≥60 dB

≥3.6m
探头
频率误差
相对灵敏度余量
分辨力
声轴偏斜角
折射角误差

直探头
≤15%
≥40dB
≥26 dB
≤1.5°

斜探头
≤15%
≥60dB
≥18 dB

≤4%

小角度探头
≤15%
≥50dB
≥16 dB

≤2°

不动车专用

≥75dB

一、超声波探伤仪主要性能测试方法
　1、电噪声电平（%）
仪器灵敏度置最大，发射置强，抑制置零或关，增益置最大，衰减器置“0”，深度粗调、深度微调置最大。读取时基线噪声平均值，用百分数表示。
2、灵敏度余量（dB）
　a)使用2.5MHz、Φ20直探头和CS－1－5或DB--PZ20—2型标准试块。
　b)连接探头并将仪器灵敏度置最大，发射置强，抑制置零或关，增益置最大。若此时仪器和探头的噪声电平(不含始脉冲处的多次声反射)高于满辐的10％，则调节衰减或增益，使噪音电平等于满辐度的10％记下此时衰减器的读数S0。

图1　直探头相对灵敏度(灵敏度余量)测量
　c)将探头置于试块端面上探测200mm处的i2平底孔，如图17所示。移动探头使中Φ2平底孔反射波辐最高，并用衰减器将它调至满辐度的50％，记下此时衰减器的微Sl，则该探头及仪器的探伤灵敏度余量S为：
S=S1--S0(dB)
3、垂直线性误差测量（%）
　(1)连接探头并在试块上探测任一反射波(一般声程大于50mm)作为参照波，如图2所示。调节探伤仪灵敏度，使参照波的辐度恰为垂直刻度的100％，且衰减器至少有30dB的余量。测试时允许使用探头压块。

图2　垂直线性误差测量
(2)用衰减器降低参照波的辐度，并依次记下每衰减2dB时参照波辐度的读数，直至衰减26dB以上。然后将反射波辐度实测值与表l中的理论值相比较，取最大正偏差d(+)与最大负偏差d(-)，则垂直线性误差△d用式(1)计算：

△d=｜d(+)｜+｜d(-)｜…………………(1)

(3)在工作频率范围内，改用不同频率的探头，重复(1)和(2)的测试。

表1
衰减量dB
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
波高理论值
100
79.4
63.1
50.1
39.8
31.6
25.1
20.0
15.8
12.5
10.0
7.9
6.3
5.0
实测值

4、动态范围的测量（dB）
(1)连接探头并在试块上探测任一反射波(一般声程大于50mm)作为参照波。
(2)调节衰减器降低参照波，并读取参照波辐度自垂直刻度的100％下降至刚能辨认之最小值(一般约为3～5％)时衰减器的调节量，此调节量则定为该探伤仪在给定频率下的动态范围。
(3)按(1)和(2)条方法，测试不同频率不同回波时的动态范围。

5、水平线性误差测量（%）
(1)连接探头，并根据被测探伤议中扫描范围档级将探头置于适当厚度的试块上，如DB――D1，DB—Pz20-2，CSK-1A试块等，如图3所示。再调节探伤仪使之显示多次无干扰底波。
(2)在不具有“扫描延迟”功能的探伤仪中，在分别将底波调到相同辐度的条件下，使第一次底波B1的前沿对准水平刻度“2”第五次底波B5的前沿对准水平刻度“10”，然后依次将每次底波调到上述相同辐度，分别读取第二、三四次底波前沿与水平刻度“4”、“6”、“8”的偏差Ln，如图4所示，然后取其最大偏差Lmax按式(2)计算水平线性误差ΔL：
式中：ΔL：水平线性误差，％；
B：水平全刻度读数。

图3　水平线性误差测量

图4　水平线性误差测量
　(3)在具有“扫描延迟”功能的探伤仪中，按(2)条的方法，将底波以前沿对准水平刻度“0”，底波B6前沿对准水平刻度“l0”，然后读取第二至第五次底波中之最大偏差值Lmax，再按式(3)计算水平线性误差△L

(4)在探伤仪扫描范围的各档级，至少应测试一种扫描速度下的水平线性差。
　6、分辨力的测量（dB）
使用2.5MHz、Φ20直探头
a)仪器抑制置零或关，其它旋钮置适当位置，连接探头并置于CSK-IA标准试块上，探测声程分别为85mm和91mm反射面的反射波(如图9所示)，移动探头使两波等高；

图9　直探头分辨力的测量
b)改变灵敏度使两次波辐同时达到满辐度的100％，然后测量波谷高度h，则该探头的分辨力R用下式计算：
R=20lg(100／h)
若h=0或两波能完全分开，则取R>30dB。

二、 超声探头的测试方法
1、探头回波频率及频率误差测量
　(1)直探头回波频率的测试
a)连接被测探头并置于l号标准试块25mm厚度处，使第一次底波最高。
b)用示波器在探伤仪的接收输入端观察底波B1的扩展波形，如图8，在此波形中，以峰值点P为基准，读出在其前一周期、后两个周期共计三个周期的时间T3，根据fe=3／T3计算回波频率fe，再按下式计算回波频率误差：
口fe=(fe-f0)／f0×100％………………(7)
式中：fe回波频率误差，％；f0――探头的标称频率。

图8 探头回波频率测量
(2)斜探头回波频率的测量
仪器连接及调节度与直探头相同，将探头置于1号试块上探测R100圆弧面的最高回波。其余步骤与直探头相同。
2、分辨力(纵向)测量
　(1)直探头分辨力的测量
a)仪器抑制置零或关，其它旋钮置适当位置，连接探头并置于CSK-IA标准试块上，探测声程分别为85mm和91mm反射面的反射波(如图9所示)，移动探头使两波等高；

图9　直探头分辨力的测量
b)改变灵敏度使两次波辐同时达到满辐度的100％，然后测量波谷高度h，则该探头的分辨力R用下式计算：
R=20lg(100／h)…………………………(8)
　(1)若h=0或两波能完全分开，则取R>30dB。
　(2)斜探头分辨力的测量
a)如图10所示，探头置于CSK一1A试块的K值测量位置，耦合良好，探测试块上A(Φ50)、B(Φ44)两孔的反射波，移动探头使两波等高；
b)调节衰减器和增益，使A、B西波波辐同时达到满辐度的100％，然后测量波谷高度h，
则该探头的分辨力R用式(8)计算；
c)若h=0或两波能完全分开，则取R>30dB。

图10　斜探头分辨力的测量
　(3)小角度探头分辨力的测量
将探头置于K<1.5的位置，其余测试步骤同斜探头分辨力的测量。
3、直探头声轴偏斜角的测量
　(1)在DB---H1试块上选取深度约为2倍被测探头近场长度的横通孔。
　(2)标出探头的参考方向，将探头几何中心轴对准横通孔中心轴，然后使探头沿x方向在试块中心线上移动，测出到孔波最高点时探头的移动距离D、，其中孔波辐度最高点在+x方向时加上(+)号，在-x方向时加上(-)号，如图1l。

图11　直探头声轴偏斜角的测量
(3)继续沿x方向移动探头，分别测出孔波辐度最高点至孔波辐度下降6dB时探头的移动距离W+x和w-x。
(4)使探头沿y方向对准试块中心线移动，按上两条的方法测出Dy、W+y和W-y。
(6)Dx、Dy。表示了声轴的偏移，W+x、W-x、W+y和Wy表示了声束宽度，读数精确到1mm。按下式计算声轴的偏斜角θ：

4、斜探头、小角度入射点的测定
(1)横波斜探头
　连接被测探头并置于CSK一1A型标准或CSK—I型标准试块上探测试块R100圆弧面，如图12所示。前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，使R100圆弧面的回波辐度达到最高，则此时R100圆心刻线所对应的探头侧棱上的点的即为探头的入射点。读数精确到0.5mm。

图12　入射点的测定
(2)小角度纵波探头
调整仪器各旋钮使屏幕显示正常，将被测探头置于TZS—R试块的R面上(图13)探测试块A面下棱角，前后移动探头，并注意保持探头声束与试块侧面平行，使A面下棱角回波达到最高，记下此时探头前沿至试块前端以端)的距离为然后用二次反射被探测A面上棱角，同样前后移动探头，使A面上棱角回波达到最高，记下此时探头前沿至试块前端(A端)的距离XZ，则探头前沿至入射点的距离为：
a=x2—2xl
5　斜探头折射角的测量
测试设备：a)探伤仪； b)l号标准试块；C)刻度尺。
测试步骤
将探头置于1号标准试块上，当K≤1.5时，探头放在如图10(a)位置，观察Φ50mm孔的回波；1.5<K≤2.5时，探头放在如图10(b)位置，观察Φ50mm孔的回波；当K>2.5时，则观察图10(c)的Φ1.5mm横通孔的回波。前后移动探头，直到孔的回波最高时固定下来，然后在试块上读出按3.2.5测得的入射点相对应的角度刻度β，β即为被测探头折射角，读数精确到0.5º。

图10
按下式计算K值：
K=tgβ
式中：β－折射角，（°）；
(2)小角度纵波探头K值和β角的测定
　在小角度探头的K值和β角测定之前，应首先测定探头的前沿距离a，然后再按图15和图16所示方法，在TZS—R试块的c面或B面进行测试，当找到端面(A面)上棱角的最大反射波高时，则探头的K值和w角用下式计算：
　当探头入射角在6º～8º时(如图15)
k=：(X+a)／200…………………………(11)
β=arctg k
当探头入射角在9º～11º时(如图16)
k=(X+a)／80；…………………………(12)
p=arctg k

图15　　　　　　　　　　　　　　　　图16

小角度探头人射角α和折射角β对应关系如表3(斜块声速取2730m／s)。
表3
入射角α
5°
6°
7°
8°
9°
10°
11°
12°
折射角β
10.86°
13.06°
15.27°
17.5°
21.76°
22.04°
24.35°
26.7°

6　相对灵敏度
　(1)直探头(等同于探伤灵敏度余量)
　a)使用2.5MHz、Φ20直探头和CS－1－5或DB--PZ20—2型标准试块。
　b)连接探头并将仪器灵敏度置最大，即发射置强，抑制置零或关，增益置最大。若此时仪器和探头的噪声电平(不含始脉冲处的多次声反射)高于满辐的10％，则调节衰减或增益，使噪音电平等于满辐度的10％记下此时衰减器的读数S0。

图17　直探头相对灵敏度(灵敏度余量)测量
　c)将探头置于试块端面上探测200mm处的Φ2平底孔，如图17所示。移动探头使中Φ2平底孔反射波辐最高，并用衰减器将它调至满辐度的50％，记下此时衰减器的微Sl，则该探头及仪器的探伤灵敏度余量S为：
S=S1--S0(dB)………………………………………(13)
　(2)斜探头相对灵敏度测试
连接好被测试斜探头并按直探头的方法测量噪声电平S0，然后将探头并置于CSK-1A标准试块上探测R100圆弧面(如图18)，耦合良好并保持声束方向与试块侧面平行，前后移动探头，使R100圆弧面的一次回波辐度最高，将其衰减至满辐度的50％，此时衰减器的读数为S2。则斜探头的相对灵敏度S为：
S=S2-S0(dB)…………………………………………(14)

图18　斜探头相对灵敏度测量
　(3)小角度纵波探头
测量方法同横波探头的情况，只不过基准反射面由CSK-1A试块上的R100圆弧面改为DB-H2试块上Φ3×80横孔，如图19所示。前后移动探头使孔波达到最高，并用衰减器将其调至满刻度的50％，记下此时衰减器的读数S3，则S3-S0。的差值即为被测探头的相对灵敏度。测量时注意保持探头侧面与试块侧面平行。

图19　小角度探头相对灵敏度测量
7　空载始波宽度测量
　(1)直探头空载始波宽度
a)探头置1号(或CSK-1A)试块高100mm的探测面上，使底波B1；和B2的前沿分别对准水平刻度的5和10，即水平刻度全长代表钢中纵波声程200mm。
b)探头移置DB-PZ20-2、试块或CS-1-5试块上，仪器的调整度置灵敏度余量测试状态，将探头置于空气中，擦去探头表面油层，水平刻度的“0”点至始波后沿与垂直刻20％线的交点所对应的水平距离Wo即为空载始波宽度(用钢中纵波的距离表示)，如图20所示。
　(2)斜探头空载始波宽度
　 a)连接直探头并将其置于1号(或CSK-1A)标准试块高91mm的探测上，调节“扫描”和“移位”旋钮，使底波B1、B2的前沿分别对准水平刻度的5和10，并使第二次底波辐度为垂直刻度的50％～80％。此时水平刻度线全长代表钢中横波声程100mm。
也可用被测斜探头直接探测CSK-1A试块上R50和R100圆弧面，调节仪器“扫描”和“移位”旋钮，使两波的前沿分别对准水平刻度的5和10，水平刻度线全长代表钢中横波声程100mm。
　b)换上待测斜探头，仪器调整度置斜探头相对灵敏度测试状态，在声束方向与试块侧面保持平行的条件下前后移动探头，使1号(或CSK－1A)试块R100圆弧面的第一次回波最高，调节衰减器使回波辐度为垂直刻度的50％，然后调节水平旋钮，使回波前沿对准刻度“10”。
　c)将探头置于空气中，擦去探头表面油层，使仪器增益40dB，则水平刻度的“0”点至始波后沿与垂直刻度20％线交点所对应的水平距离Wo，即为该探头空载始波宽度，用钢中横波传播距离表示。
(3)小角度探头始波宽度
a)调节水平刻度全长为钢中纵波200mm(调节方法与直探头同)。
b)仪器的调整度置小角度探头相对灵敏度测试状态，并按表4调节中3×80横孔的最高回波至水平刻度的计算值位置。将探头置于空气中，擦去探头表面油层，使仪器增益30dB，则水平刻度的“0”点至始波后沿与垂直刻度20％线交点所对应的水平距离Wo，即为该探头空载始波宽度，用钢中纵波的传播距离表示。
c)因调整量小，测量时可将Φ3×80孔波的前沿一律对准水平刻度4．1格。

表4
小角度探头的角度
5
6
7
8
9
10
Φ3x80最高孔波声程
81.0
81.5
82.0
82.7
83.4
84.3
Φ3x80最高孔波位置
4.05
4.08
4.10
4.14
4.17
4.22
注：Φ3×80最高孔波位置系指水平刻度大格数。
8、斜探头声轴偏斜角测量
将被探头置于1号试块厚度为25mm的表面上。若探头的K值≤l时，测试时用试块上端面，如图23．a所示；若探头的K值>l，则测试时用试块的下端面，如图23．b上所示。前后移动和左右移动探头，使所测端面回波辐度最高，然后用量角器测量探头侧面与试块侧面法线的夹角θ。即为被测探头的声轴偏斜角，读数精确到0.5º。

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