一種基于33250A型信號(hào)源的數(shù)字超聲探傷儀水平線性誤差測(cè)試方法

陳沈理，何卓斌，楊德俊

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東廣州510405）

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一種基于33250A型信號(hào)源的數(shù)字超聲探傷儀水平線性誤差測(cè)試方法

陳沈理，何卓斌，楊德俊

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東廣州510405）

摘要：針對(duì)數(shù)字式超聲探傷儀水平線性誤差的準(zhǔn)確測(cè)試，提出一種方法，即基于33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，利用其函數(shù)信號(hào)發(fā)生器外部觸發(fā)延時(shí)輸出的功能模擬超聲探傷儀水平線性的距離，可以準(zhǔn)確地測(cè)試數(shù)字式超聲探傷儀的水平線性誤差。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法有效可行，可為超聲探傷儀的水平線性誤差測(cè)試提供參考。

關(guān)鍵詞：超聲探傷儀；掃描范圍；水平線性誤差；電信號(hào)

0　引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，超聲波探傷儀由模擬向數(shù)字、小型和多功能發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于鍋爐、壓力容器、航天、航空、電力、石油、化工、軍工、汽車、機(jī)械制造、冶金等行業(yè)的材料和構(gòu)件的非破壞性檢測(cè)，因此，其計(jì)量性能直接關(guān)系到檢測(cè)材料和產(chǎn)品的質(zhì)量[1-2]。水平線性誤差是超聲探傷儀重要計(jì)量性能之一，水平線性表示缺陷位置的確定準(zhǔn)確度，在焊縫探傷中尤其重要[3]。

JJG 746——2004《超聲探傷儀檢定規(guī)程》規(guī)定超聲探傷儀水平線性的要求是±2%，EN 12668——2001 Non -destructive testing -Characterization and verification of ultrasonic examination equipment-Part1:Instruments中對(duì)超聲儀器驗(yàn)證的要求±1%[4]，而對(duì)數(shù)字超聲儀器驗(yàn)證要求為±0.5%[5]。針對(duì)數(shù)字式超聲探傷儀水平線性誤差的測(cè)試，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中常用的33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，介紹一種采用外觸發(fā)延時(shí)輸出信號(hào)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行超聲探傷儀水平線性誤差測(cè)試的方法，并詳細(xì)說(shuō)明函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)定操作和數(shù)據(jù)處理分析過程。

1　工作原理及數(shù)學(xué)模型

超聲探傷儀探傷的主要方法是反射法，它是基于超聲波在通過不同聲阻抗組織界面時(shí)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)反射的原理工作的。這個(gè)過程涉及超聲波的產(chǎn)生、接收、信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理等，其中產(chǎn)生超聲波的方法是通過電路產(chǎn)生激勵(lì)電信號(hào)傳給具有壓電效應(yīng)的晶體（如石英、硫酸鋰等），使其振動(dòng)從而產(chǎn)生超聲波；而接受反射回來(lái)的超聲波時(shí)，這個(gè)壓電晶體又會(huì)受到反射回來(lái)的聲波壓力而產(chǎn)生電信號(hào)，并傳遞給信號(hào)處理器，從而實(shí)現(xiàn)探傷的目的[6]。

1.1工作原理

基于上述超聲探傷儀工作原理，以及依據(jù)JJG 746——2004對(duì)水平線性誤差測(cè)量方法的規(guī)定，對(duì)數(shù)字超聲探傷儀水平線性誤差的測(cè)試是通過電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)通過電信號(hào)的延遲來(lái)模擬反射回來(lái)的超聲波信號(hào)。本文采用安捷倫33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，并輔以適配器將數(shù)字超聲探傷儀發(fā)射出的負(fù)高壓尖脈沖（或方波）轉(zhuǎn)換成與33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器外觸發(fā)輸入匹配的TTL信號(hào)[7]。

1.2數(shù)學(xué)模型

水平線性是指超聲探傷儀熒光屏?xí)r間或距離軸上顯示的信號(hào)與輸入接收器（通過校正的時(shí)間發(fā)生器或來(lái)自已知平板的多次回波）成正比關(guān)系的程度。從水平線性的定義可以知道：水平線性誤差其實(shí)就是超聲探傷儀對(duì)縱向探傷深度的準(zhǔn)確程度。考慮水平軸為距離軸時(shí)，深度就是距離（單位：mm），33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器通過延遲時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬深度，數(shù)字超聲探傷儀屏幕顯示的深度是超聲波經(jīng)過反射回來(lái)的單程距離，也就是超聲波真實(shí)經(jīng)過的路程是屏幕顯示的兩倍，所以數(shù)字探傷儀顯示的距離與信號(hào)延遲時(shí)間的關(guān)系如下：

式中：L——數(shù)字探傷儀理論深度值，mm；

t——函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的延時(shí)，μs；

ν——超聲探傷儀設(shè)定的超聲聲速，m/s。

依據(jù)JJG 746——2004《超聲探傷儀檢定規(guī)程》，超聲探傷儀水平線性誤差計(jì)算式為

式中：ΔL——水平線性誤差；

B——水平滿刻度數(shù)，mm；

水平刻度偏差a為

2　儀器設(shè)定操作

2.1超聲探傷儀的設(shè)定

由于超聲探傷儀發(fā)射端輸出的激勵(lì)電壓為負(fù)（或正）向高壓尖脈沖（或方波），如果設(shè)定的不好，很容易導(dǎo)致信號(hào)源被高壓脈沖擊壞，故對(duì)超聲探傷儀的設(shè)定尤為重要。

超聲探傷儀工作模式一般有單探頭模式和雙探頭模式兩種。單探頭模式是將接收與發(fā)射導(dǎo)通，即發(fā)射和接收為同一接口；而雙探頭模式是發(fā)射和接收分開，發(fā)射只發(fā)射激勵(lì)電信號(hào)，接收只接收轉(zhuǎn)換回來(lái)的電信號(hào)，兩接口相互獨(dú)立?；跍y(cè)試水平線性誤差的原理和參考JJG 746——2004，測(cè)試時(shí)應(yīng)當(dāng)將超聲探傷儀設(shè)定為雙探頭模式[8]，即一發(fā)一收的“雙”工作狀態(tài)[9]。

2.233250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)定

在測(cè)試數(shù)字超聲探傷儀的水平線性誤差中，33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為模擬水平線性深度的標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)其的設(shè)定是整個(gè)測(cè)試的關(guān)鍵。應(yīng)用到的功能是外觸發(fā)延時(shí)輸出，即通過外部TTL電平觸發(fā)后，設(shè)定延時(shí)時(shí)間，輸出已設(shè)定頻率、幅值和波數(shù)的脈沖正弦波信號(hào)。

首先需要設(shè)定的是頻率和幅值，頻率主要根據(jù)數(shù)字超聲探傷儀探頭頻率或者接收頻率帶寬來(lái)設(shè)定，本文設(shè)為2.5 MHz；幅值根據(jù)數(shù)字超聲探傷儀屏幕顯示幅度大小來(lái)確定，一般控制在屏幕垂直滿刻度的80%。其次是外觸發(fā)延時(shí)功能的設(shè)定，對(duì)于33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，從“Burst”進(jìn)入該功能設(shè)定，觸發(fā)源選擇“外部”，觸發(fā)類型選擇“上升沿”[9]，波數(shù)依據(jù)JJG 746——2004規(guī)定一般設(shè)定為10個(gè)（或者＞10個(gè)），延時(shí)是根據(jù)具體測(cè)試要求來(lái)設(shè)定，這個(gè)延時(shí)相對(duì)應(yīng)的就是數(shù)字超聲探傷儀的水平線性。

3　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試實(shí)例

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

JJG 746——2004中規(guī)定水平線性誤差需在掃描范圍各擋上進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于數(shù)字式超聲探傷儀來(lái)說(shuō)，掃描范圍連續(xù)可調(diào)，所以本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)數(shù)字式超聲探傷儀可選擇低、中、高3個(gè)掃描范圍進(jìn)行，分別是0～250mm，0～1000mm，0～3500mm。

數(shù)字式超聲探傷儀的位移就是其零位。首先需要調(diào)好零位，將33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的延時(shí)設(shè)為0，此時(shí)回波前沿應(yīng)該調(diào)整至屏幕的零位，即0mm位置。

數(shù)字式超聲探傷儀屏幕中20%，40%，60%，80%，100%回波前沿位置的延時(shí)與掃描范圍有關(guān)，探傷儀的聲速設(shè)定為5920m/s，根據(jù)式（1）可以推算出延時(shí)時(shí)間如表1所示。

表1　位置點(diǎn)的延時(shí)時(shí)間　μs

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證上述測(cè)試方法，實(shí)驗(yàn)選用OLYMPUS的EPOCH 600型數(shù)字超聲探傷儀進(jìn)行測(cè)試。首先，通過探傷儀的閘門功能調(diào)整零位，本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的零位是0.764μs；然后按表1的掃描范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，所有的位置點(diǎn)示值均由探傷儀的閘門自動(dòng)讀取回波前沿位置的功能實(shí)現(xiàn)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　探傷儀回波前沿示值　mm

根據(jù)式（2）、式（3）計(jì)算表2中各位置點(diǎn)數(shù)據(jù)的水平線性誤差，結(jié)果如表3所示。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，該探傷儀的水平線性誤差為0.03%。

3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

表3　探傷儀水平線性誤差　%

表4　探傷儀水平線性誤差

由表3和表4的數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證本文提出的數(shù)字探傷儀水平線性誤差測(cè)試方法的正確性。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于33250A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的測(cè)試數(shù)字超聲探傷儀水平線性誤差的方法，此方法通過實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的延時(shí)時(shí)間計(jì)算理論回波前沿的位置，準(zhǔn)確地確定數(shù)字探傷儀回波前沿的水平位置，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字探傷儀水平線性誤差的測(cè)試。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和比較，驗(yàn)證了此方法測(cè)試數(shù)字探傷儀的水平線性誤差正確性和可行性。

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（編輯：劉楊）

Horizontal linear error test method for digital ultrasonic flaw detector based on 33250A signal generator

CHEN Shenli，HE Zhuobin，YANG Dejun
（Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

Abstract:A 33250A function signal generator is used to test accurate horizontal linear error of digital ultrasonic flaw detectors. First，the delay output triggered by the function signal generator is applied to simulate the horizontal linearity distance of the detector. Then，the horizontal linear error could be accurately tested according to the formula that distance is the product of time and speed. Eventually，this method is proved feasible through experimental design and data.

Keywords:ultrasonic flaw detector；scanning range；horizontal linear error；electrical signal

作者簡(jiǎn)介：陳沈理（1984-），男，廣東廣州市人，工程師，主要從事聲學(xué)、振動(dòng)等方面設(shè)備儀器的計(jì)量工作。

收稿日期：2015-07-17；收到修改稿日期：2015-08-07

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.009

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）01-0038-03