認識數字超聲探傷儀
數字式探傷儀(yi)與模擬(ni)式探傷儀(yi)*大的(de)不同在儀(yi)器控(kong)(kong)制(zhi)和顯示部(bu)分。模擬(ni)探傷儀(yi)的(de)控(kong)(kong)制(zhi)部(bu)分很(hen)簡單 ,只是(shi)給出固定頻率的(de)脈沖使儀器各部分同步(bu)工作;顯示(shi)部分類似模擬示(shi)波器 ,電路(lu)產生鋸齒波驅(qu)動(dong)示波管的水平(ping)偏(pian)轉板形(xing)成(cheng)時基(ji)線 ,視頻放大器放大超聲信號 ,加到(dao)示波管的(de)垂直偏轉板;兩者綜合作(zuo)用 ,將(jiang)超聲信號波(bo)形(xing)展示在示波(bo)管(guan)的熒(ying)光屏上。數字探傷儀則復雜得(de)多 ,它要(yao)經(jing)歷一個模擬/數字(zi)轉(zhuan)換和(he)隨后(hou)的(de)軟件處理過程。模擬探傷儀中(zhong)控(kong)制(zhi)和(he)顯示的(de)好壞 ,主要區別在水平線(xian)性(xing)、垂直線(xian)性(xing)、顯(xian)示(shi)(shi)亮(liang)度和外觀等方面(mian)。而(er)數字探傷儀中(zhong)控(kong)制和顯(xian)示(shi)(shi)的影響比較復(fu)雜 ,搞不好會導致漏檢、誤檢等嚴(yan)重(zhong)問(wen)題。這也正(zheng)是在(zai)此講述的(de)重(zhong)點(dian)。
2.1 常見參(can)數(shu)及其含義(yi)
2.1.1 靈敏度
探傷人(ren)員關注的(de)是探傷儀(yi)有足夠的(de)靈敏度(du)、分辨力和準確度(du);超(chao)聲波形應真(zhen)實 ,或(huo)至少達到在相(xiang)同探頭和探傷(shang)對象(xiang)條件下 ,各種探傷儀的(de)波(bo)形相(xiang)近。如何(he)檢測(ce)探傷儀是(shi)否(fou)達到了(le)這些要求卻并不容易。超聲探傷儀性能(neng)測(ce)試方法有使用電子儀器(qi) 簡稱方法A 和不(bu)使用電子(zi)儀器 簡稱方法B 兩大(da)類。前者需要專(zhuan)業(ye)的電子儀器 ,目的在于(yu)客觀(guan)評價產品的主(zhu)要(yao)性能指標;后者的(de)目的(de)則(ze)是簡(jian)要、粗(cu)略評(ping)價包括探(tan)傷儀(yi)和探(tan)頭兩個部分的(de)探(tan)傷系統(tong)的(de)綜合(he)品質。應該指出 ,后(hou)者(zhe)的主要使(shi)用者(zhe)是探(tan)傷人員。超聲(sheng)探(tan)傷儀生產者(zhe)應該 ,也必須采用方法A。在方法B 測試中 ,*被探傷人員看(kan)重的(de)參(can)數是靈敏度裕量 余量(liang) ,它也是商業競(jing)爭的主要標志項。在方法(fa)A測試中 ,與(yu)此相(xiang)關(guan)的參數包括(kuo)探傷儀發射部分的脈(mo)沖幅度、脈(mo)沖前沿上(shang)升(sheng) 或下降 時間、脈沖(chong)寬度和發(fa)射電路阻(zu)尼電阻(zu)值 ,探傷(shang)儀(yi)接收部分的*大增(zeng)益、頻率(lv)特性和噪(zao)聲等。同時 ,非常重(zhong)要的是 ,這個參數(shu)的高低還(huan)在很大程度上取決(jue)于超聲探頭的發射接收(shou)靈敏度及其頻率特(te)性。在驗收(shou)探傷儀時 ,通常都是采用(yong)廠家(jia)提(ti)供的 2.5MHz 探頭 ,這樣 ,看到的只是這臺(tai)探(tan)傷儀與這個探(tan)頭組合的靈敏度(du)。大家知道 ,探頭之間發(fa)射接收靈敏(min)度(du)相差 20dB 也是常有的事(shi) ,所以 ,這種(zhong)探傷儀的(de)靈敏度究(jiu)竟如何實際(ji)上(shang)并不知道(dao)。此(ci)外 ,在別(bie)的頻(pin)率時(shi) 如(ru)在儀器標(biao)稱(cheng) 10或(huo)15MHz上 靈敏度(du)如何也不得而知。作者就見到過這樣(yang)的探傷儀 ,它(ta)的標稱頻(pin)率范圍是(shi) 15MHz ,方法(fa)B 測試的靈敏度余量相(xiang)當高 ,但接上一個經驗證的10MHz探頭 ,超(chao)聲信號只(zhi)有約 6MHz ,且波(bo)形莫名其妙(miao)。由(you)此可見 ,方法 B 的(de)好(hao)處是簡便、直觀、易行 ,與通(tong)常較多遇到(dao)的使用條(tiao)件比較接近。但是 ,其局限性也很顯著。因(yin)此 ,有(you)必要要求儀器生(sheng)產者提供按方法A測(ce)試(shi)的探傷儀參數 ,即探傷儀發射部分的脈沖(chong)幅度、脈沖(chong)前沿(yan)上升(sheng) 或下降 時間、脈沖寬(kuan)度(du)和發射(she)電路(lu)阻(zu)(zu)尼(ni)電阻(zu)(zu)值等 再嚴(yan)格一些還可要求知(zhi)道發射脈沖(chong)的頻譜 ,以及探傷儀(yi)接收部分的增益、頻率特性、垂直線性和噪聲等
2.1.2 工作頻率(lv)
超聲探(tan)(tan)傷儀(yi)的(de)商(shang)品廣(guang)告和說明書經常(chang)表征某探(tan)(tan)傷儀(yi)的(de)工作頻率從某兆(zhao)赫到(dao)某兆(zhao)赫。與(yu)上述(shu)發射脈(mo)沖頻譜(pu)、接收電(dian)路的(de)頻率特性等概念相比 ,超(chao)聲探傷儀的(de)工作頻率是一個比(bi)較(jiao)模(mo)糊的(de)概(gai)念(nian) ,但它(ta)又的確經(jing)常(chang)被使用。既(ji)然沒有給出定(ding)義(yi) ,那么使用者就(jiu)有權從其字意來解釋(shi) ,那就(jiu)是“本探傷儀可以工作的頻率”。在超聲探傷的實(shi)踐中 ,工作頻(pin)率是以超聲(sheng)(sheng)探頭(tou)的中心頻(pin)率來表征(zheng)的。超聲(sheng)(sheng)探頭(tou)的相對頻(pin)帶寬度一般在 30 %～70 %,也不乏達到100 %的(de)(de)例子。如某探(tan)傷儀的(de)(de)工作頻率可達 10MHz ,按照相對帶寬70 %計算 ,則它的發射脈沖頻(pin)(pin)譜和接收(shou)電路(lu)頻(pin)(pin)率特性(xing)都必須達到 13.5MHz 如果嚴格按(an)- 3dB 計算 ,還需要更寬些 。但據作者接觸超聲(sheng)探傷儀的經驗(yan) ,生(sheng)產者未必這么(me)做(zuo)。因(yin)而 ,作為使(shi)用(yong)者 ,還是問個明白的好。此外 ,如果是數字(zi)化探傷(shang)儀(yi) ,頻率特性除與發射和(he)接收(shou)部分有關外 ,還取決于模數轉換和(he)隨(sui)后的信(xin)號處理方法。這些將(jiang)在下一節探(tan)討。
2.1.3 分辨力(li)
分辨(bian)力是探傷人員(yuan)非常關心的參數(shu) ,涉及分辨前后兩個缺(que)陷的能力。國內專業標準 方法B 也(ye)給出了測量方法。需提醒的是 ,在目前流行的通用(yong)探傷(shang)儀條(tiao)件下(xia) ,方法 B 測出的結果主要(yao)反映(ying)探頭性能。大(da)家知道(dao) ,分辨力主要取(qu)決于頻帶寬(kuan)度。通常用來(lai)測試的(de)探頭頻率為(wei) 2. 5MHz 左右 ,通用探(tan)傷(shang)儀的頻帶寬度(du)一般都應 >10MHz ,根本不成(cheng)問(wen)題。從(cong)儀器角度 ,重要的是阻塞時(shi)間 ,它在(zai)方法 A測試中有規(gui)定。專業廠都(dou)知道 ,一般不會出(chu)現問題。以(yi)下介紹需用電子(zi)儀器(qi)測(ce)量的探傷儀發射2接收通道參數。
該部分(fen)主(zhu)要參數是脈(mo)沖形狀(zhuang),脈沖上(shang)升 或下降時間 T 、寬(kuan)度 T 和幅度 發射(she)電(dian)壓 及脈沖頻譜。人們關注(zhu)發射電(dian)壓是可以理解的。只要在(zai)線(xian)性(xing)范圍(wei)內 ,這(zhe)個電壓(ya)越高 ,探傷儀(yi)靈敏度越高。要提醒的是 ,過(guo)高(gao)的(de)發(fa)射電壓可(ke)能會損壞(huai)高(gao)頻(pin)探頭。作者就(jiu)有過(guo)15MHz探頭被擊穿的經歷。因(yin)而 ,一些(xie)超(chao)聲(sheng)探傷儀的(de)(de)發射(she)電壓可調是(shi)有道理的(de)(de)
2.3 接收部分(fen)
接收(shou)部分的(de)主(zhu)要參數有(you)增益、頻率特性、線性、噪(zao)聲(sheng)、動(dong)態(tai)特性和阻塞時間等。如(ru)有(you)濾(lv)波器的(de)話 ,還應提供其參數。
2.3.1 增益
增(zeng)益(yi)是接收部分的(de)主要參(can)數(shu)之一。它表(biao)征(zheng)放大微弱超聲信號的(de)能力 ,直(zhi)接與(yu)探傷儀的綜合靈敏度有關 ,所(suo)以是廠家競相標(biao)榜的(de)主要指標(biao)之(zhi)一。經常(chang)見到的(de)增益數值是110dB 左右。在模擬探(tan)傷(shang)儀中 ,超聲脈(mo)沖信(xin)號*終要(yao)送到示(shi)波管垂(chui)(chui)直(zhi)偏(pian)轉板去顯示(shi)。驅動示(shi)波管垂(chui)(chui)直(zhi)偏(pian)轉板到滿屏的信(xin)號幅度要(yao)數十伏。在放大器的輸入端 ,各種(zhong)電子噪(zao)聲通常達(da)10μV 左(zuo)右。所以(yi) ,超(chao)聲信號(hao)如果低于數十微μ伏 ,信噪(zao)比將會很低。所(suo)以 , < 10μ V 的信號(hao)通常沒有實際意義。把數(shu)十微伏的信號(hao)放大到數(shu)十伏所要求(qiu)的探傷儀(yi)增益就是(shi) 120dB。所以(yi) ,在(zai)模擬探傷儀中 ,110～120 dB 的(de)增益(yi)是必要的(de)。久(jiu)而久(jiu)之 ,大家認為(wei)超聲探傷儀(yi)的(de)增益非110～120dB 不可。而在數字化探傷儀(yi)中 ,放大器的輸出信號要送給模數轉換器。現代模數轉換器需要的輸入電壓(ya)只(zhi)要1V甚至(zhi)更(geng)小。因(yin)而 ,從數十微伏放大到 1V ,有80dB 左右的增益(yi)也就夠了。這(zhe)一狀況可能使探傷儀(yi)的生產者感(gan)到為難 ,而(er)使用戶誤認為數字化儀器的靈敏度比模擬儀器低。為此 ,想出(chu)了(le)一些(xie)“曲線”表達方(fang)式 ,如增益范圍 110dB 或(huo)衰(shuai)減器 110dB 等(deng)。一(yi)方面這種表述是實事**的 ,它指(zhi)的(de)是可(ke)調節的(de)增益范圍 ,例如從 - 30～80dB ,確實(shi)是(shi) 110dB;另(ling)一(yi)方面 ,也(ye)可(ke)使(shi)人(ren)認為(wei)其(qi)增益與(yu)模擬儀器一樣。確實夠難為(wei)人(ren)的。可(ke)以(yi)使(shi)探傷(shang)人(ren)員放心的是 ,數字化儀器的靈敏度一點不比模擬儀器低 ,可放心使用。
2.3.2 帶(dai)寬 頻率特性(xing)
接收(shou)通道的(de)頻率特性(xing)是一個(ge)非常重要(yao)的(de)參數 ,它(ta)指接收通(tong)道(dao)輸(shu)出信號(hao)與輸(shu)入信號(hao)相比 ,在(zai)幅度和相位方面隨頻率(lv) f 的(de)變化規律。現在的(de)通用(yong)超聲(sheng)探(tan)傷儀大多(duo)使(shi)用(yong)的(de)是寬帶放大器 ,如在(zai)其工作頻率范圍內有很好的幅(fu)度和相(xiang)位特性的話 ,它可(ke)適應相應范(fan)圍(wei)內不(bu)同(tong)頻(pin)率探頭的需要 ,輸(shu)出高保真(zhen)的(de)波形。
2.3.3 動態(tai)范圍
動態范圍 線性范圍 也是一個重(zhong)要參數 ,受到廣泛重視。需指出(chu)的是 ,一(yi)切事物(wu)都有自己的“度”。對動態范圍的要求也應適可而(er)止 ,過(guo)大的動態范圍并沒有實際(ji)意(yi)義。在熒光屏(ping)上 ,*大幅度是 100 %,*小是(shi)多少 ? 通(tong)常說 10 %或 5 %。大家知道(dao) ,能用眼睛(jing)分(fen)辨的幅度差別 ≯1 %。如果*小(xiao)定在(zai) 10 %,則 1 %的**誤差 ,在 10 %幅度時 ,相對誤差是10 %,即近(jin)1 dB;在讀(du)出(chu) 5 %幅(fu)度(du)時 ,1 %相對 5 %是(shi)20 %,即近 2dB。所以(yi)都盡量在 80 %或 50 %等(deng)較大幅度處讀(du)數。在數字化(hua)儀器中 ,讀數由模數轉(zhuan)換(huan)器完成 ,其讀數(shu)原理(li)與眼睛相似。不同的(de)是 ,模(mo)數(shu)轉換器可(ke)有較高(gao)的(de)分辨力。這取決于(yu)它的(de)字(zi)長 ,絕(jue)大(da)多數探傷(shang)儀(yi)的(de)模數轉換器是8 位的 ,其(qi)分(fen)辨力大約為1 %。由此(ci)可(ke)見 ,如果把讀數限制在 10 %或 5 %處 ,則26 dB 的動(dong)態 線性 范(fan)(fan)圍(wei)足夠(gou)了。追求更(geng)大的動態范(fan)(fan)圍(wei)并無實際意義(yi)。通常*關心的垂(chui)直線(xian)性就屬于動態范(fan)(fan)圍(wei) 線性范(fan)圍 的部分表(biao)現形(xing)式(shi) ,通常不會有什么問題。
2.3.4 噪聲
噪聲也是*重要參(can)數(shu)之一(yi)。它是在輸(shu)入端短路條(tiao)件(jian)下(xia)把增益開到*大 ,測量輸出(chu)端的噪聲(sheng) ,再除以(yi)增(zeng)益 ,從而換算到(dao)輸入端的噪聲電壓來計算的。如(ru)果噪聲高 ,則增益大就失去了意義。例(li)如 ,一個放大器(qi)噪聲為100 μV ,增益(yi)為 80dB ,則在(zai)放大器“開(kai)足(zu)馬力(li)”增益設置到80dB 時 ,輸出端噪聲將達(da)100μ V×10 000 = 1V ,顯示器上將全是噪聲 ,放大器的 80dB增(zeng)益毫無意義。如果(guo)希望(wang)噪聲(sheng)控制(zhi)在 5 %以下(xia) ,則噪聲必(bi)須 < 5μV。在(zai)實(shi)際使用條件(jian)下 ,放大器輸(shu)入端(duan)還(huan)有電纜和探頭 ,它們像天線一樣(yang) ,還要(yao)把周圍環境噪聲 電(dian)器用具(ju)的放電(dian)及無線電(dian)廣播(bo)等(deng) 接收進(jin)來 ,這些噪聲(sheng)通常可(ke)達數十(shi)微伏(fu)。因而(er) ,實際(ji)上很難能把增益開到*大。也(ye)就是說(shuo) ,探(tan)傷儀(yi)的靈(ling)敏度太高并(bing)沒有(you)實(shi)際(ji)使用(yong)價值。從2.1 節(jie)提(ti)到的(de)方(fang)法(fa) B 測得的靈敏度(du)余(yu)量可見(jian) ,由于(yu)與這么多探傷儀(yi)參數有關(guan) ,且關系相當復雜 ,因(yin)此靈敏(min)度余量測量有(you)很大局限(xian)