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认识数字超声探伤仪

数字式探伤仪与模拟式探伤仪最大的不同在仪器控制和显示部分。模拟探伤仪的控制部分很简单 ,只是给出固定频率的脉冲使仪器各部分同步工作;显示部分类似模拟示波器 ,电路产生锯齿波驱动示波管的水平偏转板形成时基线 ,视频放大器放大超声信号 ,加到示波管的垂直偏转板;两者综合作用

超声波探伤仪 ,将超声信号波形展示在示波管的荧光屏上。数字探伤仪则复杂得多 ,它要经历一个模拟/数字转换和随后的软件处理过程。模拟探伤仪中控制和显示的好坏 ,主要区别在水平线性、垂直线性、显示亮度和外观等方面。而数字探伤仪中控制和显示的影响比较复杂 ,搞不好会导致漏检、误检等严重问题。这也正是在此讲述的重点。

2.1  常见参数及其含义

2.1.1  灵敏度

探伤人员关注的是探伤仪有足够的灵敏度、分辨力和准确度;超声波形应真实 ,或至少达到在相同探头和探伤对象条件下 ,各种探伤仪的波形相近。如何检测探伤仪是否达到了这些要求却并不容易。超声探伤仪性能测试方法有使用电子仪器 简称方法A 和不使用电子仪器 简称方法B 两大类。前者需要专业的电子仪器 ,目的在于客观评价产品的主要性能指标;后者的目的则是简要、粗略评价包括探伤仪和探头两个部分的探伤系统的综合品质。应该指出 ,后者的主要使用者是探伤人员。超声探伤仪生产者应该 ,也必须采用方法A。在方法B 测试中 ,最被探伤人员看重的参数是灵敏度裕量 余量 ,它也是商业竞争的主要标志项。在方法A测试中 ,与此相关的参数包括探伤仪发射部分的脉冲幅度、脉冲前沿上升 或下降 时间、脉冲宽度和发射电路阻尼电阻值 ,探伤仪接收部分的最大增益、频率特性和噪声等。同时 ,非常重要的是 ,这个参数的高低还在很大程度上取决于超声探头的发射接收灵敏度及其频率特性。在验收探伤仪时 ,通常都是采用厂家提供的 2.5MHz 探头 ,这样 ,看到的只是这台探伤仪与这个探头组合的灵敏度。大家知道 ,探头之间发射接收灵敏度相差 20dB 也是常有的事 ,所以 ,这种探伤仪的灵敏度究竟如何实际上并不知道。此外 ,在别的频率时 如在仪器标称 10或15MHz上 灵敏度如何也不得而知。作者就见到过这样的探伤仪 ,它的标称频率范围是 15MHz ,方法B 测试的灵敏度余量相当高 ,但接上一个经验证的10MHz探头 ,超声信号只有约 6MHz ,且波形莫名其妙。由此可见 ,方法 B 的好处是简便、直观、易行 ,与通常较多遇到的使用条件比较接近。但是 ,其局限性也很显著。因此 ,有必要要求仪器生产者提供按方法A测试的探伤仪参数 ,即探伤仪发射部分的脉冲幅度、脉冲前沿上升 或下降 时间、脉冲宽度和发射电路阻尼电阻值等 再严格一些还可要求知道发射脉冲的频谱 ,以及探伤仪接收部分的增益、频率特性、垂直线性和噪声等

2.1.2  工作频率

超声探伤仪的商品广告和说明书经常表征某探伤仪的工作频率从某兆赫到某兆赫。与上述发射脉冲频谱、接收电路的频率特性等概念相比 ,超声探伤仪的工作频率是一个比较模糊的概念 ,但它又的确经常被使用。既然没有给出定义 ,那么使用者就有权从其字意来解释 ,那就是“本探伤仪可以工作的频率”。在超声探伤的实践中 ,工作频率是以超声探头的中心频率来表征的。超声探头的相对频带宽度一般在 30 %~70 %,也不乏达到100 %的例子。如某探伤仪的工作频率可达 10MHz ,按照相对带宽70 %计算 ,则它的发射脉冲频谱和接收电路频率特性都必须达到 13.5MHz 如果严格按- 3dB 计算 ,还需要更宽些 。但据作者接触超声探伤仪的经验 ,生产者未必这么做。因而 ,作为使用者 ,还是问个明白的好。此外 ,如果是数字化探伤仪 ,频率特性除与发射和接收部分有关外 ,还取决于模数转换和随后的信号处理方法。这些将在下一节探讨。

2.1.3  分辨力

分辨力是探伤人员非常关心的参数 ,涉及分辨前后两个缺陷的能力。国内专业标准 方法B 也给出了测量方法。需提醒的是 ,在目前流行的通用探伤仪条件下 ,方法 B 测出的结果主要反映探头性能。大家知道 ,分辨力主要取决于频带宽度。通常用来测试的探头频率为 2. 5MHz 左右 ,通用探伤仪的频带宽度一般都应 >10MHz ,根本不成问题。从仪器角度 ,重要的是阻塞时间 ,它在方法 A测试中有规定。专业厂都知道 ,一般不会出现问题。以下介绍需用电子仪器测量的探伤仪发射2接收通道参数。

该部分主要参数是脉冲形状,脉冲上升 或下降时间 T 、宽度 T 和幅度 发射电压 及脉冲频谱。人们关注发射电压是可以理解的。只要在线性范围内 ,这个电压越高 ,探伤仪灵敏度越高。要提醒的是 ,过高的发射电压可能会损坏高频探头。作者就有过15MHz探头被击穿的经历。因而 ,一些超声探伤仪的发射电压可调是有道理的

2.3  接收部分

接收部分的主要参数有增益、频率特性、线性、噪声、动态特性和阻塞时间等。如有滤波器的话 ,还应提供其参数。

2.3.1  增益

增益是接收部分的主要参数之一。它表征放大微弱超声信号的能力 ,直接与探伤仪的综合灵敏度有关 ,所以是厂家竞相标榜的主要指标之一。经常见到的增益数值是110dB 左右。在模拟探伤仪中 ,超声脉冲信号最终要送到示波管垂直偏转板去显示。驱动示波管垂直偏转板到满屏的信号幅度要数十伏。在放大器的输入端 ,各种电子噪声通常达10μV 左右。所以 ,超声信号如果低于数十微μ伏 ,信噪比将会很低。所以 , < 10μ V 的信号通常没有实际意义。把数十微伏的信号放大到数十伏所要求的探伤仪增益就是 120dB。所以 ,在模拟探伤仪中 ,110~120 dB 的增益是必要的。久而久之 ,大家认为超声探伤仪的增益非110~120dB 不可。而在数字化探伤仪中 ,放大器的输出信号要送给模数转换器。现代模数转换器需要的输入电压只要1V甚至更小。因而 ,从数十微伏放大到 1V ,有80dB 左右的增益也就够了。这一状况可能使探伤仪的生产者感到为难 ,而使用户误认为数字化仪器的灵敏度比模拟仪器低。为此 ,想出了一些“曲线”表达方式 ,如增益范围 110dB 或衰减器 110dB 等。一方面这种表述是实事求是的 ,它指的是可调节的增益范围 ,例如从 - 30~80dB ,确实是 110dB;另一方面 ,也可使人认为其增益与模拟仪器一样。确实够难为人的。可以使探伤人员放心的是 ,数字化仪器的灵敏度一点不比模拟仪器低 ,可放心使用。

2.3.2  带宽 频率特性

接收通道的频率特性是一个非常重要的参数 ,它指接收通道输出信号与输入信号相比 ,在幅度和相位方面随频率 f 的变化规律。现在的通用超声探伤仪大多使用的是宽带放大器 ,如在其工作频率范围内有很好的幅度和相位特性的话 ,它可适应相应范围内不同频率探头的需要 ,输出高保真的波形。

2.3.3  动态范围

动态范围 线性范围 也是一个重要参数 ,受到广泛重视。需指出的是 ,一切事物都有自己的“度”。对动态范围的要求也应适可而止 ,过大的动态范围并没有实际意义。在荧光屏上 ,最大幅度是 100 %,最小是多少 ? 通常说 10 %或 5 %。大家知道 ,能用眼睛分辨的幅度差别 ≯1 %。如果最小定在 10 %,则 1 %的绝对误差 ,在 10 %幅度时 ,相对误差是10 %,即近1 dB;在读出 5 %幅度时 ,1 %相对 5 %是20 %,即近 2dB。所以都尽量在 80 %或 50 %等较大幅度处读数。在数字化仪器中 ,读数由模数转换器完成 ,其读数原理与眼睛相似。不同的是 ,模数转换器可有较高的分辨力。这取决于它的字长 ,绝大多数探伤仪的模数转换器是8 位的 ,其分辨力大约为1 %。由此可见 ,如果把读数限制在 10 %或 5 %处 ,则26 dB 的动态 线性 范围足够了。追求更大的动态范围并无实际意义。通常最关心的垂直线性就属于动态范围 线性范围 的部分表现形式 ,通常不会有什么问题。

2.3.4  噪声

噪声也是最重要参数之一。它是在输入端短路条件下把增益开到最大 ,测量输出端的噪声 ,再除以增益 ,从而换算到输入端的噪声电压来计算的。如果噪声高 ,则增益大就失去了意义。例如 ,一个放大器噪声为100 μV ,增益为 80dB ,则在放大器“开足马力”增益设置到80dB 时 ,输出端噪声将达100μ V×10 000 = 1V ,显示器上将全是噪声 ,放大器的 80dB增益毫无意义。如果希望噪声控制在 5 %以下 ,则噪声必须 < 5μV。在实际使用条件下 ,放大器输入端还有电缆和探头 ,它们像天线一样 ,还要把周围环境噪声 电器用具的放电及无线电广播等 接收进来 ,这些噪声通常可达数十微伏。因而 ,实际上很难能把增益开到最大。也就是说 ,探伤仪的灵敏度太高并没有实际使用价值。从2.1 节提到的方法 B 测得的灵敏度余量可见 ,由于与这么多探伤仪参数有关 ,且关系相当复杂 ,因此灵敏度余量测量有很大局限

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