GB/T 20935.3-2018 金属材料 电磁超声检测方法 第3部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法

　　ICS 77 . 040 . 20 H 26

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 20935. 3—2018代替 GB/T 20935 . 3—2009

　　金属材料 电磁超声检测方法

　　第 3 部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法

　　Metalmaterials—Methodofelectromagneticacousticinspection—

　　part3：Standardpracticeforultrasonicsurfaceexaminationsusing

　　electromagneticacoustictransducer(EMAT)techniques

　　2018-03-15 发布 2018-12-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 20935 . 3—2018

　　前 言

　　GB/T 20935《金属材料 电磁超声检测方法》分为以下 3 个部分：

　　— 第 1 部分：电磁超声换能器指南;

　　— 第 2 部分：利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法;

　　— 第 3 部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法。

　　本部分为 GB/T 20935 的第 3 部分。

　　本部分按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本部分代替 GB/T 20935 . 3—2009《金属材料电磁超声检验方法 第 3 部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法》，与 GB/T 20935 . 3—2009 相比主要技术变化如下：

　　— 将范围中条目进行了合并，删除了原标准“1 . 6 本部分以国际单位作为标准单位”和“1 . 7 本部分不论述与使用有关的安全问题。 使用者有责任在使用前制定有益安全和健康的规程，并确定其适用范围。”(见第 1 章，2009 年版 1 . 6 和 1 . 7) ;

　　— 将 8 . 4 中“钕铁硼永久磁铁可用于所有的电磁超声换能器表面波技术”修改为“在常温(名义温度低于 82 ℃ )应用时，钕铁硼永久磁铁可用于所有的电磁超声换能器表面波技术。在高温应用时，可能需要使用更复杂的磁化技术，如为高温设计的电磁铁或特殊永磁铁。”(见 8. 4 , 2009 年版 8. 4) ;

　　— 将“与压电超声相同，工件的表面粗糙度对于衰减影响很大。 使用电磁超声换能器时提离(间隙)的变化就可能导致误报，而压电超声技术采用衰减方法时，由于使用耦合剂，提离不会造成信号幅度的变化”修改为“压电超声技术中，表面粗糙度对衰减影响很大。 在使用电磁超声换能器技术时，提离距离变化会导致误报。 然而，如果所有的传感器在检测时均保持同样的提离，使用耦合衰减补偿方式的压电超声技术，就能使信号水平保持稳定。”(见 10 . 3 . 3 , 2009 年版 10 . 2 . 7) ;

　　— 在检测方法中增加了一般要求内容(见 10 . 1) ;

　　— 增加了“并应对最近一次灵敏度校准后检测的所有材料重新检测”(见 10 . 1 . 4) ;

　　— 增加了“实际上，焊缝余高和根部信号由于形成绕射是检测不到的，就像镜面反射体将信号反射开一样。 这就使对焊缝进行线性扫查并检出所有方向的表面不连续性成为可能，且探测不到焊缝余高的反射信号。”(见 10 . 4 . 2 , 2009 年版 10 . 3 . 5) 。

　　本部分由中国钢铁工业协会提出。

　　本部分由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC 183)归口 。

　　本部分起草单位：钢铁研究总院、钢研纳克检测技术有限公司、冶金工业信息标准研究院。

　　本部分主要起草人：范弘、张建卫、刘光磊、刘涛、张克、董莉。

　　本部分所代替标准的历次版本发布情况为：

　　—GB/T 20935 . 3—2009 。

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　　金属材料 电磁超声检测方法

　　第 3 部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法

　　1 范围

　　GB/T 20935 的本部分给出了利用电磁超声换能器(EMAT)技术检测材料表面开口不连续性(如：裂纹、裂缝、折叠、冷隔、分层、通漏、未熔合)以及距表面小于或等于表面波波长范围内的近表面不连续性的原理概述、意义和用途，并规定了应用条件、技术、装置、校验、检测方法、结果判定和检测报告。

　　本部分适用于产品生产过程的检测、最终产品的检测和修复的检测。

　　本部分适用于利用电磁方法在材料中激发表面波的非接触检测技术及其所适用的材料，包括非铁磁性和铁磁性导电材料。

　　注：本部分不提供不连续性的评定标准。 对不连续性的判定、分级和最终评定，在其他技术规范或协议中根据不连续性类型、大小、位置和取向判定是否合格做出规定。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证

　　GB/T 11343 无损检测 接触式超声斜探头检测方法

　　GB/T 12604 . 1 无损检测术语 超声检测

　　GB/T 12604 . 6 无损检测术语 涡流检测

　　GB/T 20935 . 1 金属材料电磁超声检测方法 第 1 部分：电磁超声换能器指南

　　3 术语和定义

　　GB/T 12604 . 1、GB/T 12604 . 6 和 GB/T 20935 . 1 界定的术语和定义适用于本文件。

　　4 原理概述

　　4 . 1 本部分介绍利用电磁方法激发表面波技术，通过声波在不连续性界面的反射或透射波衰减，检测出材料表面或近表面的不连续性。

　　4 . 2 图 1 为典型的产生表面波的电磁超声换能器装置。 外加磁场 B0 平行于铁磁性材料表面，如果线圈设计得当磁场 B0 亦可垂直于表面，该磁场可由永久磁铁、脉冲电磁铁或直流电磁铁提供。 射频回折线圈平置于被检材料表面，磁力线沿线圈切线方向且垂直于线圈导线。 用专用脉冲发生器产生的射频脉冲串激励线圈，经感应在被检材料表面产生电流，电流通过洛伦兹力与外磁场相互作用，时变磁场也通过磁致伸缩与铁磁材料相互作用产生振动。 振动传递给固体晶格形成声源，进而辐射出表面声波。图 1 所示回折线圈激发双向波，通过特殊设计回折线圈也可激发单向波。

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　　说明：

　　1 — 回折线圈;

　　2 — 表面声波脉冲;

　　B0 — 外加磁场;

　　FL — 洛伦兹力。

　　图 1 产生表面波的典型电磁超声换能器装置

　　4 . 3 图 2 为激发表面波的典型回折线圈。 回折线圈应满足式(1)才能产生表面波。

　　vR =2Df …………………………( 1 )

　　式中：

　　vR — 表面波波速，单位为米每秒(m/s ) ;

　　D — 线圈中相邻导线间距，单位为米(m) ;

　　f — 频率，单位为赫兹(Hz)。

　　说明：

　　D— 相邻导体的间距，单位为米(m)。

　　图 2 激发表面波的典型回折线圈

　　4 . 4 表面不连续性使表面波发生反射或透过波衰减，可以采用脉冲反射或一发一收的方式进行检测。反射或衰减的超声波传播至电磁超声换能器，该处导体材料产生振动。 处于换能器磁场中的振动在接收线圈感应一个可以测量的电压。

　　5 意义和用途

　　5 . 1 与传统的压电超声相比，电磁超声换能器技术的明显优势表现在灵活激发波模和不使用耦合剂。电磁超声换能器能高效地激发表面波。

　　5 . 2 由于电磁超声换能器能高效激发表面波，且表面波可灵敏检出表面、近表面不连续性，因此它可用

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　　于传统的渗透和磁粉检测虽然有效但不宜使用的场合。

　　5 . 3 因为电磁超声换能器技术为非接触检测，所以可用于高速自动检测、动态检测、远距离或危险场所的检测、高温和表面粗糙材料的检测。

　　5 . 4 本部分的 目 的是将电磁超声提升为可替代传统渗透法和磁粉法对材料表面、近表面不连续性进行检测的技术。

　　5 . 5 电磁超声换能器的使用和工作参数的选择取决于被检材料的几何形状和预期不连续性的大致位置、尺寸、取向及反射率，还应知道电磁超声换能器的允许提离范围及超声波传播的物理规律。 本部分专门介绍电磁超声表面检测的应用。

　　6 应用条件

　　6 . 1 人员资格

　　如果合同要求，实施本部分检测的人员应取得由相关部门按 GB/T 9445 或等效标准鉴定的技术资格，并经雇主授权。 资格鉴定依据的标准(含版本年号)应在合同中注明。

　　6 . 2 方法和技术

　　除非专门指定，应使用本部分推荐的方法和技术。 对专门指定的技术应在双方合同中注明。

　　6 . 3 表面准备

　　除非特殊说明，检测前的表面准备应符合 10 . 2 . 2 要求。

　　6 . 4 检测时机和范围

　　应在合同中规定检测时机和范围。

　　6 . 5 报告内容和验收标准

　　除特殊说明，检测报告应与第 12 章的要求一致。 验收标准应符合相关标准的规定或在双方合同中予以规定。

　　6 . 6 修复和返工后的复检条款

　　本部分不包含修复、返工后的复检条款，若需要，可在双方合同中加以说明。

　　7 技术

　　7 . 1 概述

　　本部分介绍了下列三种不同的电磁超声表面波检测技术：

　　a) 用脉冲反射或一发一收技术探测表面波的反射;

　　b ) 用一发一收技术探测表面波的透过衰减;

　　c) 利用聚焦回折线圈的表面波衍射技术。

　　7 . 2 脉冲回波或一发一收反射波技术

　　该技术与传统超声类似，它使用一个(脉冲回波法)或两个(一发一收反射波法)电磁超声换能器，靠接收从缺陷反射回来的表面波检出缺陷。 该技术的优点是简单，不足是，若不仔细设定扫查路径，很难

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　　检出所有取向的不连续性，以及用于焊缝检测时，焊缝根部和余高产生的反射会干扰甚至埋没不连续性信号。 当出现这种干扰时，宜使用下述另外两种技术中的一种加以避免。

　　7 . 3 一发一收透过波衰减技术

　　透过波衰减技术最常见的传感器排布的应用实例如图 3 所示，它是通过记录超声信号的衰减来检测不连续性。 传感器利用小永磁铁产生相互垂直的窄表面波束。 最好使用双通道电磁超声仪器，也可使用单通道仪器。 当使用单通道时，发射线圈和接收线圈分别串联连接，并将一对发射接收传感器间的距离略微加长，以便从时间上将两个接收信号分开。 这种排布允许将两组换能器线圈同时连接到一个通道上。 衰减技术的一个优点是对所有方向不连续性都敏感，另一优点是能同时在焊缝两边进行扫查，

　　且每一边的扫查面都很大。衰减技术的缺点与波束宽度有关：为满足最小 6 dB衰减，波束应窄或聚焦。

　　说明：

　　1 — 电源;

　　2 —EMAT 脉冲接收单元;

　　3 — 计算机或示波器;

　　4 — 无缺陷时信号;

　　5 — 有缺陷时信号;

　　R — 接收线圈;

　　T — 发射线圈。

　　图 3 衰减技术

　　7 . 4 衍射技术

　　衍射技术的原理如图 4 所示。 两个焦线重合的电磁超声换能器(发射线圈和接收线圈)或一个脉冲反射式电磁超声换能器与焊缝中心线成一定角度(衍射角度)放置，将焊缝的根部和余高作为镜面反射体，其反射信号不会被接收线圈接收。 使用衍射技术可在很大角度范围内检出不连续性。 单点衍射或多点衍射取决于不连续性与超声波波长的比值，自然缺陷(如疲劳裂纹)有许多点衍射源的界面，因此利用此技术，能有效地检测出几十毫米长的 自然缺陷。 表面波可被近似聚焦到焦点区(此区域最长可达一个波长)，它的一个显著优点是选择合适的聚焦深度能增大每次扫描的覆盖范围。 对多数焊缝而言，从焊缝的一侧即可完成焊缝一半的扫查。 除了平行于入射声束的裂纹，单个电磁超声换能器传感器可灵敏地检出所有取向的不连续性。 具有正、负衍射角的两个传感器可灵敏地检测出所有取向的不连续性。

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　　说明：

　　1 — 镜面反射体(焊缝余高或根部);

　　2 — 焊缝中心线;

　　3 — 不连续性;

　　4 — 焊缝;

　　5 — 镜面反射体;

　　6 — 焦线重合的 EMAT发射接收;

　　7 — 接收信号;

　　8 — 发射信号;

　　9 — 接收线圈检测到的缺陷波前;

　　10 — 接收线圈未检测到的镜面反射。

　　图 4 衍射技术

　　8 装置

　　8 . 1 组成

　　装置由电磁超声换能器传感器和仪器构成，传感器由射频线圈和磁铁组成，仪器由脉冲发生器/接收器、数据采集系统、显示装置(如示波器)、阻抗匹配网络、前置放大器(推荐使用)及连接脉冲器/接收器至传感器的屏蔽电缆组成。

　　8 . 2 线圈的设计

　　8 . 2 . 1 回折线圈用于产生表面波。 为得到指定频率，线圈导体间距的设计见 4 . 3 。线圈可以是聚焦或不聚焦的，这取决于所采用的技术及所需的分辨率和灵敏度。 图 5 给出了一个典型的聚焦线圈设计参数，与衍射技术类似。 许多电磁超声换能器线圈是通过在柔性聚酰胺胶片上光蚀出印刷线路而制成的，线圈表面有一层很薄的泡沫材料，并镀有厚度为 0.025 4 mm~0. 127 mm 的高分子聚乙烯或钛作为耐磨层。 耐磨层的 目 的是保证电磁超声换能器线圈恒定的提离值。 耐磨层可以是柔性的，以适应不规则或弯曲的表面。聚酰胺胶片一般厚度为 0.025 4 mm 或 0.050 8 mm。对于焊缝余高，为使表面粗糙度

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　　影响最小，各种方法均应选用下限频率。

　　说明：

　　1 — 激励部分;

　　2 — 接收部分;

　　3 — 频率设计(见表 1) ;

　　4 — 宽度，尺寸为 25 . 4 mm;

　　5 — 最大焦距，尺寸为 38 mm;

　　6 — 角度为 19 . 416°;

　　7 — 负载，长度为 152 mm(图中未按比例绘制);

　　8 — 负载，宽 1.27 mm,导体间距 1.27 mm。

　　图 5 典型电磁超声换能器聚焦线圈的设计参数

　　表 1 换能器频率设计 单位为毫米

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　　8.2.2 衍射技术采用的典型工作频率为 1 MHz,衰减技术的典型工作频率为 2 MHz。用于衰减技术的

　　线圈如图 6 所示。 聚酰胺胶片的外延部分应固定在装卡磁极的机械夹具中。

　　单位为毫米

　　图 6 用于衰减技术的典型电磁超声换能器线圈

　　8 . 3 线圈的激励

　　应采用专用的大功率射频发射电路以若干周期脉冲串形式激励线圈。

　　8 . 4 磁场

　　在常温(名义温度低于 82 ℃ )应用时，钕铁硼永久磁铁可用于所有的电磁超声换能器表面波技术。

　　在高温应用时，可能需要使用更复杂的磁化技术，如为高温设计的电磁铁或特殊永磁铁。 用于衰减技术和衍射技术的典型磁铁尺寸及所产生的磁感应强度 B 的方向如图 7 所示，B 的方向与射频线圈及被检表面相垂直。 永久磁铁对于现场使用传感器的结构紧凑;如果需要，也可使用脉冲电磁铁或直流电磁铁 。对于铁磁性材料，磁场方向既可平行于、也可垂直于检测面。 对于非铁磁材料，磁场方向应垂直于检测面。

　　单位为毫米

　　图 7 永久磁铁

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　　8 . 5 仪器

　　接收单元由信号处理和数据采集电路组成，可对电磁超声换能器信号进行增益调节和滤波处理，传统的超声仪器也有此功能。 操作者可用多种方式采集、分析电磁超声换能器信号。 计算机配上 A/D 转换板及相应的超声探伤软件即可组成一套有效配置。 还可以采用与传统超声仪器类似的简单配置，如将模拟信号输出至示波器显示检测结果。 另外，为了给信号采集提供准确的触发，应采用脉冲发生器/接收器的同步电路。

　　8 . 6 对比试样

　　8 . 6 . 1 通用要求

　　用于系统校验的对比试样应与被检材料具有相同的材质、厚度、表面状况及热处理状态。 除了调整灵敏度所需的人工伤外，对比试样上不应有影响人工伤正常指示的不连续性存在。 人工伤的长度、宽度和深度应与验收标准相一致。

　　8 . 6 . 2 特定要求

　　由于电磁超声换能器一般是双向发射，因此边界反射会与对比人工伤反射相混淆。 所以应设计人工伤的位置及其几何形状，以避免上述干扰。

　　8 . 6 . 3 焊接件表面检测的对比试样

　　8 . 6 . 3 . 1 用于系统校验的对比试样应与被检焊接件具有相同的材质、焊接磁性能、厚度、表面状况及热处理状态，并具有一定长度。 试样上不应有影响人工伤正常指示的不连续性存在。 人工伤的选择应确保以规定的灵敏度等级和方向覆盖整个焊缝区。 对比人工伤一般由电腐蚀设备或机加工设备制作。

　　8 . 6 . 3 . 2 应按焊接件验收标准将人工伤制作在焊缝处、母材的焊缝热影响区或与焊缝平行的母材中。

　　8 . 6 . 3 . 3 槽的取向及长、深、宽的尺寸可由使用方或双方协议规定，也可与焊接件的验收标准相一致。

　　8 . 6 . 3 . 4 槽深度是从表面到槽的最深处和最浅处的值。 测量方法可采用光学、复形、机械或其他技术。槽深度通常定义为公称厚度的百分比。

　　8 . 6 . 3 . 5 应设计人工伤的位置和几何形状，避免边缘反射与人工伤反射相互干扰。

　　9 校验

　　9 . 1 由于电磁超声换能器不像传统压电装置那样属于通用商品，因此在使用前设计者应能证明电磁超声换能器满足灵敏度和频率特性要求。 为此有必要用对比试样标定电磁超声换能器系统。

　　9 . 2 在检测前，宜使用标准要求的或协议中规定的试样校验电磁超声换能器系统。

　　9 . 3 对比试样应与被检材料有相似的超声特性，对于特殊应用，应按第 8 章要求进行选择。

　　9 . 4 与传统超声相同，如果对比试样上人工伤信号的幅度与被检材料不同，应进行衰减补偿。

　　9 . 5 当设备或操作者有变化时，应使用对比试样重新校验设备。

　　9.6 在检测过程中，应每运行 4 h 或按协议规定对设备校验一次，以保证电磁超声换能器系统的准确性。不论何时，只要信号与初次校验时相差 10%或更多，就应对设备进行调整。

　　9 . 7 当电磁超声换能器在扫查工作时，应对扫查速度与信号采集是否匹配进行验证，以保证达到合同规定的检测分辨率。

　　9 . 8 除特别规定，电磁超声换能器系统一般提供 A 扫显示方式。

　　9 . 9 不同应用的校验方法是不同的。 表面波检测的一般校验步骤见 9 . 10 。

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　　9 . 10 在合同中应规定对比试样人工伤的尺寸和类型。 调整设备时应有表示检测灵敏度的清晰显示。如要对人工伤进行精确定位，应按照 GB/T 11343 对表面波的规定。

　　10 检测方法

　　10 . 1 一般要求

　　10 . 1 . 1 被检材料表面应无氧化皮、污物、毛刺、夹渣和溅物，且表面不应有影响检测结果或损害电磁超声换能器探头的异物。

　　10 . 1 . 2 在检测焊缝或母材的表面时，将电磁超声换能器探头置于被检材料上。 触发脉冲被送至脉冲发生器产生脉冲串，激励电磁超声换能器发射线圈，在外磁场中激发出超声表面波。 外磁场可由脉冲电磁铁、永久磁铁或直流电磁铁提供。

　　10 . 1 . 3 电磁超声换能器接收线圈得到的电压信号经低噪声前置放大器放大后，在信号处理单元做进一步放大和滤波，然后将波形送至模数转换电路。 不连续性以反射波的数字信号形式显示出来。

　　10 . 1 . 4 使用对比试样对设备的检测灵敏度进行定期校验，在每次检测前和检测后都应进行校验。 在设备连续工作中，至少每隔 4 h 重新校验一次，只要信号与初次校验时信号幅度相差 10%或更多，就应对设备进行调整，并应对最近一次灵敏度校准后检测的所有材料重新检测。

　　10 . 2 脉冲反射技术或一发一收反射技术

　　10 . 2 . 1 本部分介绍利用脉冲反射或一发一收反射技术检测材料表面不连续性的方法。 这些方法是经过验证的，但并非唯一可用的方法。

　　10 . 2 . 2 表面波在被检材料表面传播时，被表面不连续性阻挡而反射，电磁超声换能器接收线圈将检测到该反射波。 在脉冲反射式换能器中，接收线圈与发射线圈是同一个线圈;在一发一收式换能器中，发射线圈与接收线圈是分离的两个线圈。

　　10 . 2 . 3 在扫描模式下以相同的时间间隔重复上述过程，不连续性通过监视反射信号的幅度和传播时间来检出。

　　10 . 3 一发一收衰减技术

　　10 . 3 . 1 本部分介绍利用电磁超声换能器一发一收衰减技术检测材料表面不连续性的方法。 这些方法是经过验证的，但并非唯一可用的方法。

　　10 . 3 . 2 在检测焊缝时两个电磁超声换能器分置于焊缝两侧，即一个换能器放在焊缝一边，另一个放在焊缝的另一边。

　　10 . 3 . 3 两对发射线圈中的一个发射线圈激发的表面波在被检工件表面传播时，被不连续性衰减，接收线圈能够检测该波。 另一对垂直放置电磁超声换能器发射/接收线圈与上面情况相同。

　　10 . 3 . 4 电磁超声仪器可是双通道的，也可是单通道仪器，应符合 7 . 2 规定。

　　10.3.5 要直观的检出缺陷，就应合理选择标准人工伤、线圈尺寸等，使信号幅度至少衰减 6 dB。如果使用报警闸门，则要求相对较松。 压电超声技术中，表面粗糙度对衰减影响很大。 在使用电磁超声换能器技术时，提离距离变化会导致误报。 然而，如果所有的传感器在检测时均保持同样的提离，使用耦合衰减补偿方式的压电超声技术，就能使信号水平保持稳定。

　　10 . 4 衍射技术

　　10 . 4 . 1 本部分介绍利用电磁超声换能器衍射技术检测工件表面不连续性的方法。 这些方法是经过验证的，但并非唯一可用的方法。

　　10 . 4 . 2 实际上，焊缝余高和根部信号由于形成绕射是检测不到的，就像镜面反射体将信号反射开 一

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　　样 。这就使对焊缝进行线性扫查并检出所有方向的表面不连续性成为可能，且探测不到焊缝余高的反射信号。

　　10 . 4 . 3 表面波在被检材料表面传播时，被表面不连续性阻挡而反射，电磁超声换能器接收线圈将检测到该反射波。 在脉冲反射式换能器中，接收线圈与发射线圈是同一个线圈;在一发一收式换能器中，发射线圈与接收线圈是分离的两个线圈。

　　1 1 结果判定

　　供需双方应就如何判定和记录检测结果达成一致。 不符合产品规范或合同要求都应判定为不合格。

　　12 检测报告

　　检测报告中至少应记录如下信息：

　　a) 使用的仪器;

　　b ) 对比试样的尺寸、人工伤描述和材质;

　　c) 电磁超声换能器的尺寸、工作频率、类型;

　　d ) 扫查方式;

　　e ) 不连续性指示位置或测量厚度;

　　f) 检测人员和资格等级等。