關(guān)于相控陣超聲探傷儀C型顯示模式校準(zhǔn)方法的研究

魯馮杰

【摘 要】相控陣超聲探傷儀的使用日益廣泛，但其校準(zhǔn)方法還有所欠缺，尤其是C型顯示模式下的校準(zhǔn)方法，目前國內(nèi)還沒有一套完整的方法及流程。有鑒于此，本文對相控陣超聲探傷儀C型顯示模式下的校準(zhǔn)方法進行了研究，基本形成了一套完整的校準(zhǔn)方法及思路。該方法針對不同材料及缺陷類型分為試塊比對法及試塊校準(zhǔn)法，并給出了校準(zhǔn)結(jié)果評價的具體方案，只有被校探傷儀同時滿足這兩種方法的誤差要求，才可通過校準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】相控陣超聲探傷儀；C型顯示模式；校準(zhǔn)方法研究；試塊比對法；試塊校準(zhǔn)法

中圖分類號： TP274.53 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 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 相控陣超聲探傷儀簡介

相控陣超聲技術(shù)已有近20多年的發(fā)展歷史，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)超聲成像中。系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本費用高等原因，使其在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用受到限制。但近年來，相控陣超聲技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來越引起人們的重視。由于壓電復(fù)合材料、納米級脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計算機模擬等多種高新技術(shù)在超聲相控陣成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用。使得相控陣超聲檢測技術(shù)得以快速發(fā)展，逐漸流行于工業(yè)無損檢測。特別是在航空航天領(lǐng)域，相控陣超聲探傷儀在復(fù)合材料及金屬材料探傷中運用廣泛。

相控陣超聲探傷儀一般由主機和探頭（又稱為換能器陣列）組成，探頭一般是由若干壓電陣元組成的陣列。相控陣超聲探傷儀通過主機獨立控制探頭中的各個陣元，實現(xiàn)探頭聲速的相控發(fā)射和接收，在介質(zhì)指定空間區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)超聲波的偏轉(zhuǎn)和聚焦。一款較先進的相控陣超聲探傷儀如圖1所示。圖中探傷儀所用的探頭為滾輪式探頭，掃查速度快，覆蓋范圍廣。

現(xiàn)代相控陣超聲探傷儀的主要優(yōu)點：

探頭尺寸更小；

檢測難以接近的部位；

檢測速度快，檢測靈活性更強；

可實現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測；

通過局部晶片單元組合對聲場控制，可實現(xiàn)高速電子掃描，對試件進行高速，全方位和多角度檢測。

以上優(yōu)點使得相控陣超聲探傷儀相對于傳統(tǒng)的渦流及超聲設(shè)備在無損檢測領(lǐng)域有著極其重要的地位。

圖1 某型相控陣超聲探傷儀

2 超聲相控陣探傷儀的掃描和顯示

一般常用的超聲相控陣探傷儀的掃查顯示模式分為以下幾種：

A型顯示：A掃，工業(yè)超聲檢測中應(yīng)用最多，是目前相控陣超聲探傷儀和脈沖發(fā)射式探傷儀最基本的顯示方式：

熒光屏上縱坐標(biāo)代表發(fā)射回波的幅度，橫坐標(biāo)代表發(fā)射回波的傳播時間，根據(jù)缺陷反射波的幅度和時間確定缺陷的大小和存在的位置。

B型顯示：又稱B掃。它以反射回波作為輝度調(diào)制信號，用亮點顯示接受信號，在熒光屏上縱坐標(biāo)表示波的傳播時間，橫坐標(biāo)表示探頭的水平位置，反映缺陷的水平延伸情況：

B掃能直觀顯示缺陷在縱截面上的二維特性，獲得截面直觀圖。

C型顯示：又稱C掃。以反射回波作為輝度調(diào)制信號，用亮點或者暗點顯示接受信號，缺陷回波在熒光屏上顯示的亮點構(gòu)成被檢測對象中缺陷的平面投影圖；

這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能確定缺陷的深度；

一般A掃和C掃結(jié)合；

A掃顯示深度信息；

C掃顯示缺陷形狀及當(dāng)量信息。

3 關(guān)于超聲相控陣探傷儀的校準(zhǔn)現(xiàn)狀

超聲相控陣設(shè)備屬于復(fù)雜的無損檢測設(shè)備，其設(shè)備校準(zhǔn)有一定難度。目前國內(nèi)對于超聲相控陣探傷儀的校準(zhǔn)手段還比較落后，尚沒有一套對超聲相控陣設(shè)備整體校準(zhǔn)的成熟方法。針對主機部分有關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范可參考執(zhí)行，如JJG746-2004《超聲波探傷儀檢定規(guī)程》[1]、JJF1338-2012《相控陣超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范》[2]。其中JJG746-2004《超聲波探傷儀檢定規(guī)程》適用于相控陣超聲探傷儀A型顯示模式下的首次檢定、后續(xù)檢定、和使用中檢驗，JJF1338-2012《相控陣超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范》適用于相控陣超聲探傷儀B型顯示模式下的校準(zhǔn)。這兩份規(guī)程未能覆蓋到超聲相控陣探傷儀C型顯示模式下的校準(zhǔn)，因此C型顯示模式下的校準(zhǔn)不能參考這兩份規(guī)程執(zhí)行。且兩份規(guī)程中均未對超聲相控陣探傷儀探頭的校準(zhǔn)作出明確要求，而相控陣探頭作為超聲相控陣探傷儀的重要組成部分必須進行校準(zhǔn)。據(jù)了解，中國計量科學(xué)研究院是國內(nèi)唯一一家可對探頭部分做校準(zhǔn)的計量技術(shù)機構(gòu)，但對于超聲相控陣探頭也只能進行功能是否正常的功能性檢測，僅給出聲場特性圖，沒有具體技術(shù)指標(biāo)，無法對探頭本身的性能進行評價。到目前為止，對于超聲相控陣探傷儀C型顯示模式下的整體計量特性或校準(zhǔn)，還沒有一個通用的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范可以借鑒使用。

綜上，針對超聲相控陣掃描儀C型顯示模式下的校準(zhǔn)沒有相關(guān)規(guī)程，據(jù)悉有關(guān)的檢定規(guī)程正在編制中。另外，主機與探頭分別進行校準(zhǔn)的方式，無法評定相控陣探傷儀的整體性能指標(biāo)是否合格。

目前，國內(nèi)購買該類設(shè)備的單位有成都飛機設(shè)計研究院、上海飛機制造有限公司、上海船舶工業(yè)研究所等多家單位，所采用的校準(zhǔn)方式也各不相同。如成都飛機設(shè)計研究院在設(shè)備驗收時，采用標(biāo)準(zhǔn)試塊僅對設(shè)備能檢測的最小缺陷尺寸進行校準(zhǔn)；上海飛機制造有限公司參照J(rèn)JG746-2004《超聲波探傷儀檢定規(guī)程》對設(shè)備主機進行檢定，整體性能參照公司內(nèi)部CPS8211D《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢驗》的規(guī)定對最小缺陷尺寸（缺陷評價能力）進行校準(zhǔn)。上海船舶工藝研究所則采用內(nèi)部自校，校準(zhǔn)人員應(yīng)具備無損檢測資質(zhì)。

由于超聲相控陣掃描儀探頭的校準(zhǔn)需要較為先進的設(shè)備及手段，需要進一步的研究，本文僅對超聲相控陣探傷儀C型顯示模式下的整體校準(zhǔn)方法進行研究。

4 關(guān)于超聲相控陣探傷儀C型顯示模式校準(zhǔn)方法的研究

4.1 校準(zhǔn)方法概述

本方法分為兩個部分，分別為試塊比對法和試塊校準(zhǔn)法。

試塊比對法：標(biāo)準(zhǔn)試塊是一個內(nèi)有Φ3mm缺陷的復(fù)合材料試塊，由于上級計量技術(shù)機構(gòu)給出的校準(zhǔn)值精度不高，因此采用多臺同類設(shè)備比對的方式進行校準(zhǔn)。即對于同一試塊由兩到三臺同類相控陣探傷儀在C型顯示模式下分別進行檢測，得出缺陷尺寸的檢測數(shù)據(jù)，再用被校相控陣探傷儀檢測該試塊得出數(shù)據(jù)，按JJF1117-2010《計量對比》[3]附錄D中D2.1給出的方法進行計算得出參考值，對被校設(shè)備得出的數(shù)據(jù)與參考值對比，其誤差不能超過±25%，此處的±25%出自我公司的一份工藝規(guī)范，這里這個誤差值只是作為一個參考，日后上級計量機構(gòu)有明確規(guī)定后可調(diào)整該值。采用此比對法能對測量設(shè)備無法溯源的情況下確保測量量值的準(zhǔn)確、一致、可靠。

試塊校準(zhǔn)法：標(biāo)準(zhǔn)試塊是一個表面有Φ2mm缺陷的平底鋁制標(biāo)準(zhǔn)塊，由于該試塊可以通過萬能工具顯微鏡等計量器具進行精密測量，測得精確的測量值，所以可將試塊送至上級計量技術(shù)機構(gòu)進行校準(zhǔn)，以上級計量技術(shù)機構(gòu)給出的校準(zhǔn)值作為參考值，然后將參考值與被校相控陣探傷儀檢測得出的數(shù)據(jù)進行比較，其誤差不能超過±25%（同上述±25%誤差值的選取說明）。用此方法進行校準(zhǔn)可將量值溯源至國家基準(zhǔn)。

當(dāng)被校相控陣探傷儀所得的測量值同時滿足試塊比對法和試塊校準(zhǔn)法中的誤差要求時方表示校準(zhǔn)合格，反正不合格。

4.2 校準(zhǔn)依據(jù)

a.JJF1117-2010 《計量對比》

b.CPS8211D 《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢驗》

此處CPS8211D《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢驗》為我公司內(nèi)部規(guī)范，僅作為校準(zhǔn)過程中的誤差參考值，不同單位也可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗制定此誤差參考值，待上級計量機構(gòu)有明確規(guī)定后可調(diào)整該值。

4.3 校準(zhǔn)方法

4.3.1 試塊比對法

1）選取兩到三臺同類型超聲相控陣探傷儀在C顯示模式下對由供應(yīng)商提供的缺陷大小Φ3mm的復(fù)合材料試塊的缺陷尺寸進行檢測，得出檢測數(shù)據(jù)Di（i=2，3）；

2）用被校相控陣探傷儀在C型顯示模式下對1.中所述試塊的缺陷尺寸進行檢測，得到檢測數(shù)據(jù)D0；

3）用Di和D0參照J(rèn)JF1117-2010《計量對比》附錄中D2.1的算術(shù)平均法進行計算得出參考值Y；

4）D0與Y比較，其誤差不能超過D0的±25%。

4.3.2 試塊校準(zhǔn)法

1）把供應(yīng)商提供的表面有Φ2mm缺陷的平底空鋁制標(biāo)準(zhǔn)塊送至上級計量技術(shù)機構(gòu)進行校準(zhǔn)，以上級計量技術(shù)機構(gòu)給出的校準(zhǔn)值作為參考值A(chǔ)；

2）用被校相控陣探傷儀在C型顯示模式對1.中試塊的缺陷尺寸進行檢測，得出檢測數(shù)據(jù)A0；

3）A0與A比較其差值不能超過A0的±25%。

4.3.3 校準(zhǔn)結(jié)果評價

當(dāng)被校相控陣探傷儀同時滿足方法4.3.1中的第4條和4.3.2中的第3條時，對于最小缺陷尺寸的校準(zhǔn)合格，滿足校準(zhǔn)要求，反之則不合格。

5 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析

5.1 試塊比對法數(shù)據(jù)分析

本次校準(zhǔn)采用的是一塊碳纖維的復(fù)合材料試塊，規(guī)格為300mm*200mm*3mm，試塊內(nèi)部預(yù)埋了兩個Φ3mm左右的缺陷，試塊實物圖如圖2所示。

本次校準(zhǔn)采用另兩家單位的三臺不同型號的超聲相控陣設(shè)備來進行測量上述試塊，再與我處被校探傷儀所測的值進行對比。檢測部位及探頭走向示意圖如圖3所示。

本次要校準(zhǔn)的超聲相控陣探傷儀型號為OLYMPUS TomoScan FOCUS LT，使用該探傷儀在C型顯示模式下對上述試塊進行測量，所得測量值為左側(cè)1孔Φ2.5mm，右側(cè)2孔Φ3.5mm。按4.3.1節(jié)中第3條所述的方法，求得參考值Y。

左側(cè)1孔參考值Y1=（3.55+2.6+2.8+2.5）/4=2.86

右側(cè)2孔參考值Y2=（3.66+3.1+3.2+3.5）/4=3.37

誤差判別：對于左側(cè)1孔，被校探傷儀所測的相對誤差為1-2.86/2.5=-14%

對于右側(cè)2孔，被校探傷儀所測的相對誤差為1-3.37/3.5=4%

被校探傷儀所測兩個孔的相對誤差均在±25%以內(nèi)。

5.2 試塊校準(zhǔn)法數(shù)據(jù)分析

試塊校準(zhǔn)法相對簡單，采用的是一塊平底鋁制試塊，表面有一個Φ2mm的缺陷，這種形式簡單，上級計量技術(shù)機構(gòu)可以使用萬能工具顯微鏡進行精密測量，本次共測得4個受校點的值及測量平均值，如表2所示。

使用被校超聲相控陣探傷儀在C掃描形式下對該鋁塊進行測量，所測3個受校點的值及平均值，如表3所示。

誤差判別：被校探傷儀與上級計量機構(gòu)的測量值的誤差為1-2.023/2.2=8%。

被校探傷儀所測孔的相對誤差在±25%以內(nèi)。

5.3 校準(zhǔn)結(jié)果

被校相控陣探傷儀在兩種方法下的缺陷測量值誤差同時滿足方法4.3.1中的第4條和4.3.2中的第3條，對于最小缺陷尺寸的測量誤差均在±25%以內(nèi)，滿足校準(zhǔn)要求。

6 總結(jié)與展望

本文對超聲相控陣在C型顯示模式下的校準(zhǔn)方法進行了研究，初步形成了一套完整的校準(zhǔn)方法及思路。該校準(zhǔn)方法分為試塊比對法和試塊校準(zhǔn)法，所選取的缺陷分別為復(fù)合材料內(nèi)部缺陷及金屬材料外部缺陷，材料及缺陷類型組合有一定的代表性，同時給出了校準(zhǔn)結(jié)果評價的具體方案。由于經(jīng)費及時間有限，該方法中所采用的材料及缺陷形式可能未能包括到各種典型的材料及缺陷形式，另外對于誤差精度的選取仍有待進一步研究。

【參考文獻】

[1]邊文萍，朱巖.超聲波探傷儀檢定規(guī)程[S].中國計量科學(xué)研究院，2005.

[2]楊平，邊文萍，朱巖，王超.相控陣超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范[S].中國計量科學(xué)研究院，北京鄒展麓城科技有限公司，2012.

[3]王池，原遵東，林延?xùn)|.計量對比[S].中國計量科學(xué)研究院，2010.