国内外超声检测仪器测试与评价标准的比较与分析

潘强华，郑 晖，张君娇，郑 阳，杨 齐

(中国特种设备检测研究院 国家质量监督检验检疫总局无损检测与评价重点实验室，北京 100029)

国内外超声检测仪器测试与评价标准的比较与分析

潘强华，郑 晖，张君娇，郑 阳，杨 齐

(中国特种设备检测研究院 国家质量监督检验检疫总局无损检测与评价重点实验室，北京 100029)

针对国内外超声检测仪的测试和评价标准，从标准的适用范围、测试条件、测试项目和测试方法等几个方面进行了比较和分析，为使用者全面了解各标准有关超声检测仪性能方面的测试方法及差异，并根据测试目的、测试要求，选取适当检测方法提供了参考和依据。

超声检测仪；对比分析；标准

在超声检测仪使用过程中，对缺陷大小和位置的判定与仪器本身的电气性能有着密切关系。为保障超声检测仪检测缺陷的准确性及可靠性，需要对超声检测仪进行性能测试与评价。

笔者主要针对国内外超声检测仪性能测试与评价的标准及规范，从超声检测仪器的检测项目、检测条件以及检测方法等几个方面进行了比较分析，并对各标准中一些规定的合理性进行了分析。为使用者全面了解各标准有关超声仪器性能方面的测量方法及差异，并根据测试目的、测试要求，选取适当检测方法提供了参考和依据。

1 相关标准

目前关于A型脉冲反射式超声检测仪的性能测试标准，在国际上较有影响力的有美国ASTM、国际标准化组织ISO和欧盟EN等标准，现行的国内大部分标准也主要参考国际相关标准作为编制依据[1]。国内外有关超声检测仪性能要求的标准主要有：① ASTM E 1324-2011StandardGuideforMeasuringSomeElectronicCharacteristicsofUltrasonicExaminationInstruments;② ISO 12710:2002Non-destructiveTesting-UltrasonicInspectionEvaluatingElectronicCharacteristicsofUltrasonicTestInstruments;③ ISO 18175:2004Non-destructiveTesting-EvaluatingPerformanceCharacteristicsofUltrasonicPulse-echoTestingSystemswithouttheUseofElectronicMeasurementInstruments; ④ EN 12668.1-2010Non-destructiveTestingCharacteriza-tionandVerificationofUltrasonicExaminationEquipmentPart1:Instruments;⑤ GB/T 27664.1-2011 《无损检测 超声检测设备的性能与检验 第1部分：仪器》(等效于EN 12668.1:2000);⑥ JB/T 9214-2010 《A型脉冲反射式超声检测系统工作性能测试方法》;⑦ JB/T 10061-1999 《A型脉冲反射式超声波检测仪通用技术条件》;⑧ JJG+746-2004+ 《超声检测仪检定规程》。

2 标准的适用范围、测试条件、测试项目和测试方法的比较

2.1 标准的适用范围

国内外超声检测仪测试与评价标准中有关超声检测仪的适用范围见表1。

表1 国内外超声检测仪测试与评价标准的适用范围

2.2 测试仪器具体要求

ASTM E 1324和EN 12668标准中列出了对超声检测仪电气性能的测试项目，规定了超声仪器、探头各自独立的测试方法，并明确了对该测试项目所采用的电子仪器及测试装置。

针对超声检测仪电气性能测试要求，我国现行的标准主要有GB/T 27664.1和JB/T 10061两项标准。GB/T 27664.1主要参考EN 12668.1标准，内容几乎一致，这里不再讨论。而JB/T 10061规定的内容，相对而言，标准中涉及的许多性能项目的测试，实际上还是在被检超声仪器与探头连接的状况下进行测试。测试条件和测试方法还较落后，测试方法及测试装置与国外标准也存在较大差别。

各标准对测试仪器的具体要求见表2。

表2 各标准对测试仪器的具体要求

2.3 测试项目 ASTM E 1324、ISO12710标准的测试项目和测试方法基本相同，ASTM E 1324和ISO 12710标准都仅说明了测试方法，未对测试结果提出指标要求。该两项标准规定的测试项目，详见表3。

GB/T 27664.1(等效于EN 12668.1)的文本结构与技术内容基本一致，而国内超声仪器标准JJG+746-2004的检定要求与JB/T 10061的规定基本相同，以下对EN 12668.1与JJG+746-2004两项标准的测试项目进行了比较，详见表4。

表3 ASTM E 1324与ISO 12710标准规定的测试项目

表4 EN 12668.1与JJG+746-2004的测试参数比较

2.4 测试方法的比较

超声检测仪的测试标准/规范，重点是考虑仪器中对检测和结果评定有影响的参数。其中必检的特性指标主要有：发射部分的发射电压、发射上升时间、发射脉冲重复频率、发射脉冲宽度等；接收部分的串扰、动态范围、频带等主要参数。发射部分性能参数是指仪器直接激励探头晶片所得到超声检测信号的度量，接收部分性能参数是指超声检测仪对接收测试信号的度量，其中ASTM 1324与EN 12668.1标准中规定的测试方法及测试项目相差不大。笔者主要对我国JB/T 10061与欧标EN 12668.1标准中的测试方法进行了比较和分析。

图1 EN 12668.1规定的发射部分电气性能参数测试

2.4.1 发射部分性能参数的测试

EN 12668.1规定的发射部分电气性能参数测试方法(见图1)，将超声仪器置一发一收即双探头工作状态(发射输出插座连接一个50 Ω无感电阻)，用示波器测量发射脉冲电压U50、脉冲上升时间tr、脉冲回响的宽度td和幅度▽r。并在各种不同发射脉冲强度或发射脉冲频率、在最大及最小阻尼条件下，重复进行测试。

JB/T 10061-1999与 EN 12668.1的测量方法基本相同，但JB/T 10061-1999未规定脉冲回响的宽度td，也未规定尖脉冲、调谐脉冲的测试方法。而ASTM E 1324的测试方法与EN 12668.1的测试方法基本一致。

2.4.2 接收部分性能参数的测试

(1) 动态范围

EN 12668.1中规定的动态范围为仪器能显示的最大信号电压幅度与最小信号电压幅度的比值，同时最大信号受放大器的饱和限制或屏幕显示最大信号的最大衰减限制。而JB/T 10061-1999规定仪器读取DB PZ20-2试块平底孔信号波幅度,自垂直刻度100%下降至刚能辨认的最小值时衰减器的调节量，定为超声检测仪的动态范围。

EN 12668.1规定的方法：采用图2所示的测试设备，在每个频带的中心频率处测定动态范围。由该测试设备产生的10周正弦波测试信号，将超声仪器的衰减器或增益控制器调至最小增益。增加输入信号的幅度直至其出现饱和或显示为全屏幕高度的100%为止。测量输入电压幅度Umax(注意标准衰减器的设置)。将超声仪器的衰减器或增益控制器调至最大增益。如果设置增益时的噪声电平高于屏幕高度的5%，应降低增益，直至噪声电平为屏幕高度的5%为止。调节输入信号的幅度，使其显示在屏幕高度的100%，测量输入电压幅度Umin(注意标准衰减器的设置)。

图2 EN 12668.1规定的通用测试设备

动态范围为20lg(Umax/Umin),若Umin低于输入等效噪声Uein时，动态范围应为20lg(Umax/Uein),标准规定可用动态范围至少应为100 dB。

JB/T 10061规定的方法：连接探头并固定在试块上，JB/T 10061动态范围规定的测试方法如图3所示。调节检测仪，使荧光屏上显示DBPZ20-2平底孔缺陷的回波波形，并将孔波幅度调至垂直刻度的100%，且衰减器至少有30 dB的衰减余量，调节衰减器，读取孔波幅度自垂直刻度100%下降至刚能辨认的最小值时衰减器的调节量，定为检测仪在该探头所给定的工作频率下的动态范围，在工作频率范围内，改用不同频率的探头，重复进行测试。

图3 JB/T 10061动态范围规定的测试方法示意

(2) 幅度线性

EN 12668.1中规定的幅度线性为仪器屏幕上读出信号的垂直刻度值与输入信号幅度成正比的接近程度。而JB/T 10061-1999规定的垂直线性为采用仪器、探头和DB PZ20-2试块组合系统，以试块平底孔回波幅度满屏100%为参考信号，测量仪器每下降2 dB的理论刻度值与实测值的偏差，最后取最大正负偏差之和。

EN 12668.1规定的方法：采用外部标准衰减器改变参考输入信号幅度和观察超声仪器屏幕上的信号高度的变化情况，在每个频带中心频率上，重复测试超声仪器屏幕的垂直线性。记录开始测试时的增益设置。检查全屏幕高度0～26 dB间的线性。

采用图2所示的测试设备，外部标准衰减器调至2 dB，调节输入信号和超声仪器的增益，使输入信号为全屏幕高度的80%。不改变超声仪器的增益，按表5(垂直显示线性的接收准则)给定的值调节外部标准衰减器，在每次设置时，测试超声仪器屏幕上的信号幅度，并满足表5中的要求。

表5 垂直显示线性的接收准则

JB/T 10061规定的方法：超声检测仪连接探头固定在DB-PZ20-2试块上，使深200 mm，φ2 mm平底孔信号波幅度恰为垂直刻度的100%，且至少有30 dB的衰减余量，按照表6(JB/T 10061规定的垂直线性测试方法)调节衰减器，然后将孔波幅度实测值与表6的理论值相比较，取最大正偏差与最大负偏差之和为垂直线性误差。

表6 JB/T 10061规定的垂直线性测试方法

(3) 电噪声

EN 12668.1中规定的等效输入噪声为测量超声仪器屏幕上的电噪声电平，由输入信号电平定义，在接收器输入端测量；如果放大器没有噪声，则会产生相同的噪声电平。而JB/T 10061中规定的电噪声电平为超声检测仪的灵敏度和扫描范围调至最大，仪器屏幕时基线上最大的电噪声幅度。

JB/T 10061规定的方法：将检测仪的灵敏度和扫描范围调至最大，在避免外界干扰的条件下，读取时基线上电噪声平均幅度在垂直刻度上的百分数，检测仪的工作频率如取分档形式，各档级应分别测试。

(4) 衰减器精度

EN 12668.1以及JB/T 10061中规定的衰减器精度为将仪器的标准衰减器与匹配的外部标准衰减器进行比较，EN 12668.1规定的是微调连续20 dB和粗调连续60 dB衰减累计误差，而JB/T 10061中规定的是连续12 dB衰减的累计误差。

EN 12668.1规定的方法：采用一个参考信号，对超声仪器的标准衰减器与匹配的外部标准衰减器进行比较。使用图2所示的测试设备，在每个频带的中心频率上进行比较。调节超声仪器的标准衰减器至中间位置，调节信号发生器的参考信号，使在屏幕高度的80%显示一个信号，外部标准衰减器设置为高于超声仪器的增益10 dB。以适当的增量，通过降低超声仪器的衰减量和调节外部标准衰减器，使该信号保持在一定的高度，检查超声仪器的衰减控制情况。按下面三个步骤检查衰减器的增益：第一步，在1 dB范围内，以最小的增量检查增益；第二步，以不小于1 dB的增量，在整个范围内检查细调增益；第三，以不同的增量，在整个范围内，检查粗调增益。记录这两个衰减器大于验收准则规定时的差值，该差值即为超声仪器衰减器的误差。在每次选择频率设置时，应符合下述条件：① 在任一连续20 dB范围内或整个范围内(选取两者中较小的)，衰减器在细调增益时的累积误差不能超过±1 dB；② 在任一连续60 dB范围内或整个范围内(选取两者中较小的)，衰减器在粗调增益时的累积误差不能超过±2 dB。

JB/T 10061规定的方法：将被测检测仪置一收一发，即“双”的工作状态;JB/T 10061中衰减器精度规定的测试方法见图4，调节检测仪和标准衰减器，使在荧光屏上显示的脉冲调制高频信号的幅度为垂直刻度的60%～80%，然后采用比较法，从标准衰减器读出检测仪(衰减器)的衰减误差。在检测仪的各种规定的工作频率范围内，改用不同的频率，重复以上测试。在每次选择频率设置时，应符合下述条件：在检测仪规定的工作频率范围内，衰减器每12 dB的工作误差不超过±1 dB。

图4 JB/T 10061中衰减器精度规定的测试方法示意

3 结语

(1) 通过对上述标准的比较和分析，得知标准适用的评价对象不同， ASTM E 1324主要用于标称频率范围在100 kHz～25 MHz的脉冲反射式检测仪，仅限于本标准所述的各电子学部分的组合，不是评定超声系统特性。EN 12668.1规定了A型脉冲式模拟和数字式超声检测仪电性能的检验方法和验收标准，适用于手动式、工作在0.5 MHz～15 MHz中心频率范围内的单探头或双探头的超声检测仪，部分检验方法和验收标准适用于自动检测系统中的超声检测仪，不适用于连续波工作的超声检测仪和超声测厚仪。而JB/T 10061只适用于一般接触式超声直探头或斜探头系统，仅适用于手工检测，不适用于自动化超声检测。

(2) 在性能参数和测试方法方面，各标准定义不同，方法也有差异。现行的EN 12668.1和ASTM E 1324标准的测试参数远多于国内鉴定规程，而且欧盟标准还增加了带闸门的超声仪器的附加测试参数，测试方法较科学。而JB/T 10061中规定的测试项目及测试方法已不满足数字式超声检测仪的要求，建议细化。

(3) EN 12668.1标准对性能参数都给定了测试方法及允许范围;而国内JB/T 10061标准只有部分参数给定了允许范围;ISO以及ASTM E 1324标准对于超声检测仪各测试参数未给出具体允许范围，仅说明了测试方法，允许范围由各采用国制造商规定或商榷。

[1] 夏纪真. 超声波探伤仪器的性能评定——中国和欧盟标准的比较[J]. 无损探伤, 2006, 30(5): 27-31.

Comparison and Analysis of Home and Abroad Standards on Testing and Evaluation of Ultrasonic Testing Instrument

PAN Qiang-hua, ZHENG Hui, ZHANG Jun-jiao, ZHENG Yang，YANG Qi

(Key Laboratory of Nondestructive Testing and Evaluation of AQSIQ，China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

In this paper, standards on evaluating characteristics of ultrasonic testing instrument were compared. The different contents described in measuring procedures and methods were analyzed and some opinions were put forward. The result can be used by users as good references of choosing appropriate methods according to different intentions and requirements.

Ultrasonic testing instrument; Comparative analysis; Standard

2016-08-31

国家质检总局科技计划资助项目(2015QK252);国家质检总局科技计划资助项目(2015QK257)

潘强华(1984-)，男，工程师，主要从事无损检测技术研究工作。

潘强华，E-mail: pqh123@163.com。

10.11973/wsjc201703002

TB51+7;TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0005-05