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備有限公司ACCEXP針對目前鐵道部采用的國標GB/T1.1-2009的標準，特設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部缺陷和有關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換器，是相當于超聲波探傷儀的感覺器官的重要部分。超聲波探傷中，超聲波的產生和接收過程是一種能量轉換過程，這種轉換是通過探頭來實現的，探頭的作用就是將電能轉換為超聲能（產生超聲波）和將超聲能轉換為電能（接收超聲波）。
為確保超聲探傷的檢驗質量，避免由于超聲波探頭回波頻率的失準引起超聲波探傷靈敏度指標下降，降低錯漏檢所帶來的巨大經濟損失，開展超聲波探頭回波頻率測試方法研究有重要意義。
1、測試內容
超聲波探頭性能測試主要依據是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《關于評估超聲波檢查裝置（探頭）特性參數的標準導則》等標準。標準要求超聲波探頭外觀不應有過度磨損和接頭損壞等影響探頭使用性能的現象;頻率范圍在1MHz~20MHz內的超聲波探頭，其回波頻率與標稱值的誤差應在±10%以內。
測試設備組成：
測試裝置由ACCEXP-590脈沖發生接收器、泰克數字示波器、超聲波探傷標準試塊、對比試塊和頻率自動分析軟件等組成。
2、測試環境及條件
溫度：（20±10）℃;相對濕度：45%~75%;
大氣壓強：（86~106）kPa;
工作電壓：AC（220
±10）V;（50±2）Hz。
測試場所周圍應無高頻、電磁場干擾和機械振動的影響。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、變壓器油或機油等。
3、測試項目和方法
按圖1所示連接測試系統。
根據探頭的類型和頻率標稱值，設置5900PR的操作參數。模式設置通常情況下選擇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稱值的2倍，脈沖重復頻率通常選取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到最大。同時調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，計算機將自動把示波器和計算機之間的接口連通，見圖2。選中子程序WaveStarforOscilloscope后，將進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，將出現一個二維的坐標圖。點擊Local圖標左方的示波器連接符號，將顯示示波器連接成功的圖標。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。選中CH1圖標，將脈沖反射波形拖入到YTSheet1窗口中的二維坐標中，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數據參數將自動存入到數據列表格中。同時打開與數據列表中相應數據的波形曲線圖，見圖5。
通過調整曲線圖橫坐標中的脈沖反射參數，得到曲線圖所示脈沖反射中較為理想的一個經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行傅立葉變換。根據被測探頭的頻率標稱值，在頻譜圖橫坐標中選取相應的頻率范圍值（這一范圍值通常為0MHz到被測探頭頻率標稱值的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，把脈沖反射響應曲線上的頻率峰值點下降6dB處（頻率響應曲線的峰值點下降一半處）的fL和fH值定義為帶寬的低值和高值，兩者之間的算術平均值即為被測探頭的回波頻率，見圖7。
4、測試結果比對和誤差分析
為了驗證測試結果的正確性，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果進行了比對，結果見表1。可以看出，測試結果與航材院無損檢測研究室檢測結果具有很強的一致性，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數字示波器測量準確度：
垂直部分測量范圍：5mV/div~50V/div，測量準確度：±2%。
水平部分測量范圍：2ns/div~0s/div，測量準確度：±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指標（±10%），滿足<1/3的量傳比例關系。
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部缺陷和有關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換器，是相當于超聲波探傷儀的感覺器官的重要部分。超聲波探傷中，超聲波的產生和接收過程是一種能量轉換過程，這種轉換是通過探頭來實現的，探頭的作用就是將電能轉換為超聲能（產生超聲波）和將超聲能轉換為電能（接收超聲波）。
為確保超聲探傷的檢驗質量，避免由于超聲波探頭回波頻率的失準引起超聲波探傷靈敏度指標下降，降低錯漏檢所帶來的巨大經濟損失，開展超聲波探頭回波頻率測試方法研究有重要意義。
1、測試內容
超聲波探頭性能測試主要依據是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《關于評估超聲波檢查裝置（探頭）特性參數的標準導則》等標準。標準要求超聲波探頭外觀不應有過度磨損和接頭損壞等影響探頭使用性能的現象;頻率范圍在1MHz~20MHz內的超聲波探頭，其回波頻率與標稱值的誤差應在±10%以內。
測試設備組成：
測試裝置由ACCEXP-590脈沖發生接收器、泰克數字示波器、超聲波探傷標準試塊、對比試塊和頻率自動分析軟件等組成。
2、測試環境及條件
溫度：（20±10）℃;相對濕度：45%~75%;
大氣壓強：（86~106）kPa;
工作電壓：AC（220
±10）V;（50±2）Hz。
測試場所周圍應無高頻、電磁場干擾和機械振動的影響。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、變壓器油或機油等。
3、測試項目和方法
按圖1所示連接測試系統。
根據探頭的類型和頻率標稱值，設置5900PR的操作參數。模式設置通常情況下選擇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稱值的2倍，脈沖重復頻率通常選取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到最大。同時調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，計算機將自動把示波器和計算機之間的接口連通，見圖2。選中子程序WaveStarforOscilloscope后，將進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，將出現一個二維的坐標圖。點擊Local圖標左方的示波器連接符號，將顯示示波器連接成功的圖標。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。選中CH1圖標，將脈沖反射波形拖入到YTSheet1窗口中的二維坐標中，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數據參數將自動存入到數據列表格中。同時打開與數據列表中相應數據的波形曲線圖，見圖5。
通過調整曲線圖橫坐標中的脈沖反射參數，得到曲線圖所示脈沖反射中較為理想的一個經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行傅立葉變換。根據被測探頭的頻率標稱值，在頻譜圖橫坐標中選取相應的頻率范圍值（這一范圍值通常為0MHz到被測探頭頻率標稱值的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，把脈沖反射響應曲線上的頻率峰值點下降6dB處（頻率響應曲線的峰值點下降一半處）的fL和fH值定義為帶寬的低值和高值，兩者之間的算術平均值即為被測探頭的回波頻率，見圖7。
4、測試結果比對和誤差分析
為了驗證測試結果的正確性，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果進行了比對，結果見表1。可以看出，測試結果與航材院無損檢測研究室檢測結果具有很強的一致性，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數字示波器測量準確度：
垂直部分測量范圍：5mV/div~50V/div，測量準確度：±2%。
水平部分測量范圍：2ns/div~0s/div，測量準確度：±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指標（±10%），滿足<1/3的量傳比例關系。
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