一种基于33250A型信号源的数字超声探伤仪水平线性误差测试方法

陈沈理，何卓斌，杨德俊

（广东省计量科学研究院，广东广州510405）



一种基于33250A型信号源的数字超声探伤仪水平线性误差测试方法

陈沈理，何卓斌，杨德俊

（广东省计量科学研究院，广东广州510405）

摘要：针对数字式超声探伤仪水平线性误差的准确测试，提出一种方法，即基于33250A型函数信号发生器，利用其函数信号发生器外部触发延时输出的功能模拟超声探伤仪水平线性的距离，可以准确地测试数字式超声探伤仪的水平线性误差。通过实验设计和实验数据验证，结果表明：该方法有效可行，可为超声探伤仪的水平线性误差测试提供参考。

关键词：超声探伤仪；扫描范围；水平线性误差；电信号

0　引言

随着电子信息技术的发展，超声波探伤仪由模拟向数字、小型和多功能发展，并广泛应用于锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、军工、汽车、机械制造、冶金等行业的材料和构件的非破坏性检测，因此，其计量性能直接关系到检测材料和产品的质量[1-2]。水平线性误差是超声探伤仪重要计量性能之一，水平线性表示缺陷位置的确定准确度，在焊缝探伤中尤其重要[3]。

JJG 746——2004《超声探伤仪检定规程》规定超声探伤仪水平线性的要求是±2%，EN 12668——2001 Non -destructive testing -Characterization and verification of ultrasonic examination equipment-Part1:Instruments中对超声仪器验证的要求±1%[4]，而对数字超声仪器验证要求为±0.5%[5]。针对数字式超声探伤仪水平线性误差的测试，本文结合实验室中常用的33250A型函数信号发生器，介绍一种采用外触发延时输出信号的函数信号发生器进行超声探伤仪水平线性误差测试的方法，并详细说明函数信号发生器设定操作和数据处理分析过程。

1　工作原理及数学模型

超声探伤仪探伤的主要方法是反射法，它是基于超声波在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的。这个过程涉及超声波的产生、接收、信号转换和处理等，其中产生超声波的方法是通过电路产生激励电信号传给具有压电效应的晶体（如石英、硫酸锂等），使其振动从而产生超声波；而接受反射回来的超声波时，这个压电晶体又会受到反射回来的声波压力而产生电信号，并传递给信号处理器，从而实现探伤的目的[6]。

1.1工作原理

基于上述超声探伤仪工作原理，以及依据JJG 746——2004对水平线性误差测量方法的规定，对数字超声探伤仪水平线性误差的测试是通过电信号来实现的，也就是说通过电信号的延迟来模拟反射回来的超声波信号。本文采用安捷伦33250A型函数信号发生器，并辅以适配器将数字超声探伤仪发射出的负高压尖脉冲（或方波）转换成与33250A型函数信号发生器外触发输入匹配的TTL信号[7]。

1.2数学模型

水平线性是指超声探伤仪荧光屏时间或距离轴上显示的信号与输入接收器（通过校正的时间发生器或来自已知平板的多次回波）成正比关系的程度。从水平线性的定义可以知道：水平线性误差其实就是超声探伤仪对纵向探伤深度的准确程度。考虑水平轴为距离轴时，深度就是距离（单位：mm），33250A型函数信号发生器通过延迟时间来实现模拟深度，数字超声探伤仪屏幕显示的深度是超声波经过反射回来的单程距离，也就是超声波真实经过的路程是屏幕显示的两倍，所以数字探伤仪显示的距离与信号延迟时间的关系如下：

式中：L——数字探伤仪理论深度值，mm；

t——函数信号发生器的延时，μs；

ν——超声探伤仪设定的超声声速，m/s。

依据JJG 746——2004《超声探伤仪检定规程》，超声探伤仪水平线性误差计算式为

式中：ΔL——水平线性误差；

B——水平满刻度数，mm；

水平刻度偏差a为

2　仪器设定操作

2.1超声探伤仪的设定

由于超声探伤仪发射端输出的激励电压为负（或正）向高压尖脉冲（或方波），如果设定的不好，很容易导致信号源被高压脉冲击坏，故对超声探伤仪的设定尤为重要。

超声探伤仪工作模式一般有单探头模式和双探头模式两种。单探头模式是将接收与发射导通，即发射和接收为同一接口；而双探头模式是发射和接收分开，发射只发射激励电信号，接收只接收转换回来的电信号，两接口相互独立。基于测试水平线性误差的原理和参考JJG 746——2004，测试时应当将超声探伤仪设定为双探头模式[8]，即一发一收的“双”工作状态[9]。

2.233250A型函数信号发生器的设定

在测试数字超声探伤仪的水平线性误差中，33250A型函数信号发生器作为模拟水平线性深度的标准器，对其的设定是整个测试的关键。应用到的功能是外触发延时输出，即通过外部TTL电平触发后，设定延时时间，输出已设定频率、幅值和波数的脉冲正弦波信号。

首先需要设定的是频率和幅值，频率主要根据数字超声探伤仪探头频率或者接收频率带宽来设定，本文设为2.5 MHz；幅值根据数字超声探伤仪屏幕显示幅度大小来确定，一般控制在屏幕垂直满刻度的80%。其次是外触发延时功能的设定，对于33250A型函数信号发生器，从“Burst”进入该功能设定，触发源选择“外部”，触发类型选择“上升沿”[9]，波数依据JJG 746——2004规定一般设定为10个（或者＞10个），延时是根据具体测试要求来设定，这个延时相对应的就是数字超声探伤仪的水平线性。

3　实验设计和测试实例

3.1实验设计

JJG 746——2004中规定水平线性误差需在扫描范围各挡上进行评估，对于数字式超声探伤仪来说，扫描范围连续可调，所以本次实验针对数字式超声探伤仪可选择低、中、高3个扫描范围进行，分别是0～250mm，0～1000mm，0～3500mm。

数字式超声探伤仪的位移就是其零位。首先需要调好零位，将33250A型函数信号发生器的延时设为0，此时回波前沿应该调整至屏幕的零位，即0mm位置。

数字式超声探伤仪屏幕中20%，40%，60%，80%，100%回波前沿位置的延时与扫描范围有关，探伤仪的声速设定为5920m/s，根据式（1）可以推算出延时时间如表1所示。

表1　位置点的延时时间　μs

3.2实验数据

为验证上述测试方法，实验选用OLYMPUS的EPOCH 600型数字超声探伤仪进行测试。首先，通过探伤仪的闸门功能调整零位，本次实验数据的零位是0.764μs；然后按表1的扫描范围进行数据记录，所有的位置点示值均由探伤仪的闸门自动读取回波前沿位置的功能实现，具体数据如表2所示。

表2　探伤仪回波前沿示值　mm

根据式（2）、式（3）计算表2中各位置点数据的水平线性误差，结果如表3所示。

由表中数据可以看出，该探伤仪的水平线性误差为0.03%。

3.3实验数据验证

表3　探伤仪水平线性误差　%

表4　探伤仪水平线性误差

由表3和表4的数据可以验证本文提出的数字探伤仪水平线性误差测试方法的正确性。

4　结束语

本文介绍了一种基于33250A型函数信号发生器的测试数字超声探伤仪水平线性误差的方法，此方法通过实现脉冲信号的延时时间计算理论回波前沿的位置，准确地确定数字探伤仪回波前沿的水平位置，从而实现数字探伤仪水平线性误差的测试。经过实验数据的分析和比较，验证了此方法测试数字探伤仪的水平线性误差正确性和可行性。

参考文献

[1]丁兵，黄燕琳，金磊.超声检测系统的检定和期间核查[J].造船技术，2014（4）：44-49.

[2]袁淑芳.超声波探伤仪检定方法探讨[J].计量技术，2005 （1）：36-37.

[3]马春，刘辉.无损检测仪器检定和校准方法[J].计量与检测技术，2008（1）：70-71.

[4]夏纪真.超声波探伤仪器的性能评定——中国和欧洲标准的比较[J].无损探伤，2006，30（5）：27-30.

[5] Non-destructive testing-Characterization and verification of ultrasonic examination equipment -Part1:Instruments：EN 12668-1——2010[S]. 2010.

[6]李克伟.无损探伤仪检定方法研究及检定装置的研制[D].上海：上海交通大学，2007.

[7]陈洪程.超声探伤仪的检定[J].标准、质保与检测，2003，43 （1）：43-45.

[8]超声探伤仪检定规程：JJG 746——2004[S].北京：中国计量出版社，2004.

[9] A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件：ZB Y230——1984[S]. 1984.

（编辑：刘杨）

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

作者简介：陈沈理（1984-），男，广东广州市人，工程师，主要从事声学、振动等方面设备仪器的计量工作。

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

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）01-0038-03