數字式超聲檢測儀射頻功能測試探頭組合頻率有關問題探討

梁楠 朱穩 楊育偉(西安特種設備檢驗檢測院，陜西 西安 710065)

0 引言

頻率是超聲波的一個重要參數，超聲場近場長度、半擴散角、規則反射體的回波聲壓等物理量的計算都與頻率有關。探頭的標稱頻率是根據駐波共振理論由公式計算得到的[1]，可知對于確定的壓電晶體材料而言，探頭晶片的某一厚度t即對應了該探頭晶片的某一固有頻率，但在工件中傳播的超聲波的頻率是超聲波檢測儀和探頭組合使用的組合頻率。為確保檢測質量，避免由于組合頻率偏差導致的檢測靈敏度下降，造成漏檢、錯檢，故在超聲檢測前進行超聲儀器-探頭組合頻率的測試是十分有必要的。《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》(NB/T 47013.3—2015)中規定以下情況時應進行組合頻率測定：①新購置的超聲檢測儀器和(或)探頭；②儀器和探頭在維修或更換主要部件后；③檢測人員有懷疑時。此外，NB/T 47013.3—2015還規定，每年至少對超聲儀器和探頭組合頻率進行一次校準并記錄，其偏差不得大于±10%，且規定按JB/T 10062回波頻率測試方法測試[2](以下稱標準測試方法)。可見，測試儀器探頭組合頻率是檢驗檢測機構或生產單位無損檢測人員應熟練掌握的技能并經常完成的工作，但JB/T 10062中測試方法須借助示波器，現場操作不方便。本文介紹了一種應用數字式超聲檢測儀射頻功能測試儀器探頭組合頻率的方法，該方法簡便、精確，無須借助示波器，現場可操作性強。

1 試驗

1.1 測試儀器

漢威HS616e數字超聲檢測儀、汕超SIUI CTS-9006PLUS、1#～5#直探頭、CSK-ⅠA試塊、Tektronx TBS1104數字示波器。

1.2 測試方法

1.2.1 JB/T 10062—1999規定的組合頻率測試方法(標準測試方法)

將探頭對準試塊底面，使第一次底波幅度最高，用示波器觀察底波的擴展波形。以峰值點為基準，讀取其前一個和其后二個共計三個周期的時間Δt，按公式即可計算得到組合頻率f[3]。

1.2.2 數字超聲檢測儀射頻功能測試儀器探頭組合頻率

分別使用HS616e和汕超CTS-9006PLUS數字超聲檢測儀的射頻功能測試儀器和探頭組合頻率，具體操作步驟如下：

(1)調節掃描速度。用所測直探頭在CSK-ⅠA試塊25mm底面上調節掃描速度。

(2)調整射頻波型。將所測直探頭在CSK-ⅠA試塊25mm底面上的一次底波自動增益至80%，將檢波方式選擇為射頻，將一次底波射頻信號調整至擴展波型并置于屏幕合適位置，按標準測試方法進行計算。

2 試驗結果

以上3種方法儀器和探頭組合頻率實測結果及其與標準測試方法的偏差見表1。

2.1 標準測試方法組合頻率測試值及其與標稱頻率偏差

我們認為，標準測試方法測試的組合頻率是準確值，從表1可見，2.5MHz探頭的組合頻率實測值與標稱頻率接近，偏差僅為0%～1.6%，滿足NB/T 47013.3—2015不得大于±10%的要求。所測5MHz探頭的組合頻率與標稱頻率的偏差為-16.6%～-21.0%，均遠大于標準的規定。可見市場上2.5MHz探頭的頻率較準確，5MHz探頭的頻率遠不能滿足要求，也說明對儀器探頭組合頻率進行定期測試是非常必要的，但標準測試方法操作過程需使用示波器，現場測試則有諸多不便。

表1 1#～5#探頭組合頻率測試結果及偏差

2.2 數字超聲檢測儀射頻功能測試儀器探頭組合頻率

不同數字超聲檢測儀的射頻界面所提供的測試數據不同，如圖1。HS616e提供閘門A、B時間T1、T2和時間差Δt及顯示聲程SA顯和SB顯。汕超CTS-9006PLUS則僅提供閘門顯示聲程Sa顯及閘門a、b的顯示聲程差Sba顯。故使用不同類型的儀器進行測試時，其具體方法有所差別。

圖1 HS616e和CTS-9006PLUS射頻界面測試數據

以HS616e和CTS-9006PLUS為例，將時間顯示和聲程顯示的兩類儀器的組合頻率測試方法的測試結果及須注意的問題討論如下：

2.2.1 時間顯示的射頻功能組合頻率測試方法(HS616e)

HS616e射頻界面提供閘門A、B時間差Δt，直接按公式計算即可。上述中將儀器顯示的聲程稱之為顯示聲程，是為了與超聲波在工件中傳播的實際聲程區分。根據閘門A、B的時間T1、T2計算閘門A、B的實際聲程SA、SB，與顯示聲程對比可知，閘門A、B的顯示聲程與閘門A、B的實際半聲程相等，這就是超聲波檢測儀半程顯示設計所至，目的是為了缺陷定位方便，須注意的是，用HS616e顯示屏上的顯示聲程S計算所得的超聲波傳播時間T僅是超聲波實際傳播時間的1/2而非準確值。

2.2.2 聲程顯示射頻功能組合頻率測試方法(CTS-9006PLUS)

如前所述，因超聲檢測儀聲程顯示的半程顯示設置，CTS-9006PLUS所顯示的閘門a、b聲程差Sba顯實為實際聲程的一半，計算時間差Δt時應將顯示聲程差轉換為實際聲程差，再根據公式計算。

2.3 測試結果對比

應用射頻功能的兩種超聲檢測儀組合頻率測試值與標準測試方法的偏差結果見表1和圖2。

從表1和圖2可以看出，HS616e和CTS9006PLUS組合頻率測試值與標準測試方法測試值的最大偏差分別為1.60%和15.60%，CTS9006PLUS測試值與標準測試方法的偏差遠大于HS616e。

圖2 超聲檢測儀與標準方法組合頻率測試值及偏差

時間是超聲檢測儀定位測量的原始參數，其時基線性(即水平線性)的精度決定了時間測量的精度，與組合頻率測試結果的精度有直接關系。從儀器出廠參數可知，HS616e水平線性誤差為0.1%，CTS9006PLUS為0.5%，為前者的5.0倍，但后者組合頻率測試值與標準方法測試值的最大偏差卻是前者的9.75倍，原因在于HS616e射頻功能提供的是測量點的時間，可直接用于計算組合頻率，其計算結果僅包含時間測量值的偏差。而CTS9006PLUS射頻功能提供的是測量點的聲程，該聲程是儀器用其測量的時間和測試的工件聲速計算后取其半聲程顯示得到的，計算組合頻率時須進行逆向計算得到時間差，可見，其組合頻率測試結果包含了時間測量偏差、聲速測量偏差及多次計算帶來的偏差等，所以其組合頻率測試精度遠不如前者。

3 結語

(1)具備射頻功能的超聲檢測儀測試組合頻率不需使用示波器，與標準測試方法相比，精度高，操作方便，尤其適合現場測試。

(2)時間顯示的射頻功能超聲檢測儀測試組合頻率時只需記錄擴展波型兩測試點的時間差Δt，按標準測試方法計算組合頻率即可。

(3)聲程顯示的射頻功能超聲檢測儀測試組合頻率時須記錄聲速VL及擴展波型兩測試點顯示聲程差Sba顯。若不考慮顯示聲程與實際聲程的差異問題，則會導致計算結果錯誤。

由上述討論可知，時基線性精度高且射頻功能數據欄提供測試點時間的超聲檢測儀不僅操作過程、數據記錄、組合頻率計算方便，而且測試精度高，是我們測試儀器探頭組合頻率的首選。