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超聲波探頭回波頻率測試方案
2013-05-02
長沙艾克塞普儀器設(shè)備有限公司ACCEXP針對目前鐵道部采用的國標(biāo)GB/T1.1-2009的標(biāo)準(zhǔn)，特設(shè)計出一套超生波探頭檢測方案。
超聲波探傷儀主要用于檢驗鍛件、鑄件、厚鋼板、薄板、線材、管材、焊縫、條棒等金屬材料的內(nèi)部缺陷和有關(guān)金屬材料件的厚度測定。超聲波探頭一般由壓電晶片、外殼、電纜線和接頭等部分組成。探頭作為超聲波振動和電振蕩之間的電聲轉(zhuǎn)換器，是相當(dāng)于超聲波探傷儀的感覺器官的重要部分。超聲波探傷中，超聲波的產(chǎn)生和接收過程是一種能量轉(zhuǎn)換過程，這種轉(zhuǎn)換是通過探頭來實現(xiàn)的，探頭的作用就是將電能轉(zhuǎn)換為超聲能（產(chǎn)生超聲波）和將超聲能轉(zhuǎn)換為電能（接收超聲波）。
為確保超聲探傷的檢驗質(zhì)量，避免由于超聲波探頭回波頻率的失準(zhǔn)引起超聲波探傷靈敏度指標(biāo)下降，降低錯漏檢所帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失，開展超聲波探頭回波頻率測試方法研究有重要意義。
1、測試內(nèi)容
超聲波探頭性能測試主要依據(jù)是HB/Z59-1997《超聲波檢驗》、JB/T10062-1999《超聲波探頭性能測試方法》和ASTME1065-99《關(guān)于評估超聲波檢查裝置（探頭）特性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)要求超聲波探頭外觀不應(yīng)有過度磨損和接頭損壞等影響探頭使用性能的現(xiàn)象;頻率范圍在1MHz~20MHz內(nèi)的超聲波探頭，其回波頻率與標(biāo)稱值的誤差應(yīng)在±10%以內(nèi)。
測試設(shè)備組成：
測試裝置由ACCEXP-590脈沖發(fā)生接收器、泰克數(shù)字示波器、超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)試塊、對比試塊和頻率自動分析軟件等組成。
2、測試環(huán)境及條件
溫度：（20±10）℃;相對濕度：45%~75%;
大氣壓強(qiáng)：（86~106）kPa;
工作電壓：AC（220
±10）V;（50±2）Hz。
測試場所周圍應(yīng)無高頻、電磁場干擾和機(jī)械振動的影響。探頭線采用與被測探頭相配套的探頭線。耦合劑采用甘油、水玻璃、水、變壓器油或機(jī)油等。
3、測試項目和方法
按圖1所示連接測試系統(tǒng)。
根據(jù)探頭的類型和頻率標(biāo)稱值，設(shè)置5900PR的操作參數(shù)。模式設(shè)置通常情況下選擇P/E模式;對于1MHz~20MHz的超聲波探頭，高通濾波器起始頻率通常選取1MHz，低通濾波器截止頻率通常選取被測探頭頻率標(biāo)稱值的2倍，脈沖重復(fù)頻率通常選取20kHz。
在試塊上加入適量的耦合劑，以輕微壓力把探頭置于試塊上，并使探頭在試塊上滑動，使反射脈沖波形峰值達(dá)到最大。同時調(diào)整示波器的垂直部分和水平部分，使反射脈沖波形清晰顯示，按下示波器的HOLD旋鈕，鎖住此最大反射脈沖波形。
在計算機(jī)的開始程序列項中選取WaveStarforOscilloscopes程序，它包含InstrumentManager和WaveStarforOscilloscope兩個子程序。
選中子程序InstrumentManager后，計算機(jī)將自動把示波器和計算機(jī)之間的接口連通，見圖2。選中子程序WaveStarforOscilloscope后，將進(jìn)入對示波器波形的操作程序，見圖3。在菜單File中選擇Newdatasheet選項，并選取YTSheet，按下OK鍵，將出現(xiàn)一個二維的坐標(biāo)圖。點(diǎn)擊Local圖標(biāo)左方的示波器連接符號，將顯示示波器連接成功的圖標(biāo)。在示波器選項中選取Data中的Waveforms項，將顯示出示波器CH1、CH2、Math1、Ref1和Ref2等通道的脈沖反射波形圖標(biāo)。選中CH1圖標(biāo)，將脈沖反射波形拖入到Y(jié)TSheet1窗口中的二維坐標(biāo)中，見圖4。打開菜單欄File中ExportDatesheet選項，選中CSV，把所選的脈沖反射波形圖代號存入到CSV文件中。
在計算機(jī)的開始程序列選項中選取OriginPro7.0程序，并選中OriginPro7.0選項，然后打開菜單欄File中ImportASCII項，鍵入所存的CSV文件名并打開，脈沖反射波形的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)將自動存入到數(shù)據(jù)列表格中。同時打開與數(shù)據(jù)列表中相應(yīng)數(shù)據(jù)的波形曲線圖，見圖5。
通過調(diào)整曲線圖橫坐標(biāo)中的脈沖反射參數(shù)，得到曲線圖所示脈沖反射中較為理想的一個經(jīng)過放大的脈沖反射波形，見圖6。
打開菜單欄Analysis下拉式菜單，選中FFT選項，對圖6所示的脈沖反射波形進(jìn)行傅立葉變換。根據(jù)被測探頭的頻率標(biāo)稱值，在頻譜圖橫坐標(biāo)中選取相應(yīng)的頻率范圍值（這一范圍值通常為0MHz到被測探頭頻率標(biāo)稱值的2倍），這樣就得到了理想的脈沖反射頻譜圖。在脈沖反射頻譜圖上，把脈沖反射響應(yīng)曲線上的頻率峰值點(diǎn)下降6dB處（頻率響應(yīng)曲線的峰值點(diǎn)下降一半處）的fL和fH值定義為帶寬的低值和高值，兩者之間的算術(shù)平均值即為被測探頭的回波頻率，見圖7。
4、測試結(jié)果比對和誤差分析
為了驗證測試結(jié)果的正確性，采用本文中的裝置和方法對16個超聲波探頭回波頻率進(jìn)行測試，并與北京航空材料研究院無損檢測研究室探頭頻譜檢測結(jié)果進(jìn)行了比對，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，測試結(jié)果與航材院無損檢測研究室檢測結(jié)果具有很強(qiáng)的一致性，差值范圍在0.01MHz~0.13MHz之間。
本裝置的主要測量誤差來源為THS730A數(shù)字示波器測量準(zhǔn)確度：
垂直部分測量范圍：5mV/div~50V/div，測量準(zhǔn)確度：±2%。
水平部分測量范圍：2ns/div~0s/div，測量準(zhǔn)確度：±2%。
合成的頻率測量誤差為±3%。
比較本裝置的測量誤差和超聲波探頭回波頻率技術(shù)指標(biāo)（±10%），滿足<1/3的量傳比例關(guān)系。
超聲波探傷儀主要用于檢驗鍛件、鑄件、厚鋼板、薄板、線材、管材、焊縫、條棒等金屬材料的內(nèi)部缺陷和有關(guān)金屬材料件的厚度測定。超聲波探頭一般由壓電晶片、外殼、電纜線和接頭等部分組成。探頭作為超聲波振動和電振蕩之間的電聲轉(zhuǎn)換器，是相當(dāng)于超聲波探傷儀的感覺器官的重要部分。超聲波探傷中，超聲波的產(chǎn)生和接收過程是一種能量轉(zhuǎn)換過程，這種轉(zhuǎn)換是通過探頭來實現(xiàn)的，探頭的作用就是將電能轉(zhuǎn)換為超聲能（產(chǎn)生超聲波）和將超聲能轉(zhuǎn)換為電能（接收超聲波）。
為確保超聲探傷的檢驗質(zhì)量，避免由于超聲波探頭回波頻率的失準(zhǔn)引起超聲波探傷靈敏度指標(biāo)下降，降低錯漏檢所帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失，開展超聲波探頭回波頻率測試方法研究有重要意義。
1、測試內(nèi)容
超聲波探頭性能測試主要依據(jù)是HB/Z59-1997《超聲波檢驗》、JB/T10062-1999《超聲波探頭性能測試方法》和ASTME1065-99《關(guān)于評估超聲波檢查裝置（探頭）特性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)要求超聲波探頭外觀不應(yīng)有過度磨損和接頭損壞等影響探頭使用性能的現(xiàn)象;頻率范圍在1MHz~20MHz內(nèi)的超聲波探頭，其回波頻率與標(biāo)稱值的誤差應(yīng)在±10%以內(nèi)。
測試設(shè)備組成：
測試裝置由ACCEXP-590脈沖發(fā)生接收器、泰克數(shù)字示波器、超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)試塊、對比試塊和頻率自動分析軟件等組成。
2、測試環(huán)境及條件
溫度：（20±10）℃;相對濕度：45%~75%;
大氣壓強(qiáng)：（86~106）kPa;
工作電壓：AC（220
±10）V;（50±2）Hz。
測試場所周圍應(yīng)無高頻、電磁場干擾和機(jī)械振動的影響。探頭線采用與被測探頭相配套的探頭線。耦合劑采用甘油、水玻璃、水、變壓器油或機(jī)油等。
3、測試項目和方法
按圖1所示連接測試系統(tǒng)。
根據(jù)探頭的類型和頻率標(biāo)稱值，設(shè)置5900PR的操作參數(shù)。模式設(shè)置通常情況下選擇P/E模式;對于1MHz~20MHz的超聲波探頭，高通濾波器起始頻率通常選取1MHz，低通濾波器截止頻率通常選取被測探頭頻率標(biāo)稱值的2倍，脈沖重復(fù)頻率通常選取20kHz。
在試塊上加入適量的耦合劑，以輕微壓力把探頭置于試塊上，并使探頭在試塊上滑動，使反射脈沖波形峰值達(dá)到最大。同時調(diào)整示波器的垂直部分和水平部分，使反射脈沖波形清晰顯示，按下示波器的HOLD旋鈕，鎖住此最大反射脈沖波形。
在計算機(jī)的開始程序列項中選取WaveStarforOscilloscopes程序，它包含InstrumentManager和WaveStarforOscilloscope兩個子程序。
選中子程序InstrumentManager后，計算機(jī)將自動把示波器和計算機(jī)之間的接口連通，見圖2。選中子程序WaveStarforOscilloscope后，將進(jìn)入對示波器波形的操作程序，見圖3。在菜單File中選擇Newdatasheet選項，并選取YTSheet，按下OK鍵，將出現(xiàn)一個二維的坐標(biāo)圖。點(diǎn)擊Local圖標(biāo)左方的示波器連接符號，將顯示示波器連接成功的圖標(biāo)。在示波器選項中選取Data中的Waveforms項，將顯示出示波器CH1、CH2、Math1、Ref1和Ref2等通道的脈沖反射波形圖標(biāo)。選中CH1圖標(biāo)，將脈沖反射波形拖入到Y(jié)TSheet1窗口中的二維坐標(biāo)中，見圖4。打開菜單欄File中ExportDatesheet選項，選中CSV，把所選的脈沖反射波形圖代號存入到CSV文件中。
在計算機(jī)的開始程序列選項中選取OriginPro7.0程序，并選中OriginPro7.0選項，然后打開菜單欄File中ImportASCII項，鍵入所存的CSV文件名并打開，脈沖反射波形的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)將自動存入到數(shù)據(jù)列表格中。同時打開與數(shù)據(jù)列表中相應(yīng)數(shù)據(jù)的波形曲線圖，見圖5。
通過調(diào)整曲線圖橫坐標(biāo)中的脈沖反射參數(shù)，得到曲線圖所示脈沖反射中較為理想的一個經(jīng)過放大的脈沖反射波形，見圖6。
打開菜單欄Analysis下拉式菜單，選中FFT選項，對圖6所示的脈沖反射波形進(jìn)行傅立葉變換。根據(jù)被測探頭的頻率標(biāo)稱值，在頻譜圖橫坐標(biāo)中選取相應(yīng)的頻率范圍值（這一范圍值通常為0MHz到被測探頭頻率標(biāo)稱值的2倍），這樣就得到了理想的脈沖反射頻譜圖。在脈沖反射頻譜圖上，把脈沖反射響應(yīng)曲線上的頻率峰值點(diǎn)下降6dB處（頻率響應(yīng)曲線的峰值點(diǎn)下降一半處）的fL和fH值定義為帶寬的低值和高值，兩者之間的算術(shù)平均值即為被測探頭的回波頻率，見圖7。
4、測試結(jié)果比對和誤差分析
為了驗證測試結(jié)果的正確性，采用本文中的裝置和方法對16個超聲波探頭回波頻率進(jìn)行測試，并與北京航空材料研究院無損檢測研究室探頭頻譜檢測結(jié)果進(jìn)行了比對，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，測試結(jié)果與航材院無損檢測研究室檢測結(jié)果具有很強(qiáng)的一致性，差值范圍在0.01MHz~0.13MHz之間。
本裝置的主要測量誤差來源為THS730A數(shù)字示波器測量準(zhǔn)確度：
垂直部分測量范圍：5mV/div~50V/div，測量準(zhǔn)確度：±2%。
水平部分測量范圍：2ns/div~0s/div，測量準(zhǔn)確度：±2%。
合成的頻率測量誤差為±3%。
比較本裝置的測量誤差和超聲波探頭回波頻率技術(shù)指標(biāo)（±10%），滿足<1/3的量傳比例關(guān)系。
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