GB/T 39849-2021 无损检测仪器 超声衍射声时检测仪 性能测试方法

　　ICS 19 . 100 N 77

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 39849—2021

　　无损检测仪器 超声衍射声时检测仪

　　性能测试方法

　　Non-destructivetestinginstruments—ultrasonictime-of-flightdiffraction

　　instrument—Methodsofperformancetests

　　2021-03-09 发布 2022-04-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 39849—202 1

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国机械工业联合会提出。

　　本标准由全国试验机标准化技术委员会(SAC/TC 122)归口 。

　　本标准起草单位：爱德森(厦门)电子有限公司、中国科学院金属研究所、中国科学院声学研究所、武汉中科创新技术股份有限公司、辽宁仪表研究所、广东汕头超声电子股份有限公司超声仪器分公司、中国铁道科学研究院、北京中研国辰测控技术有限公司、国核电站运行服务技术公司、汕头市超声仪器研究所有限公司。

　　本标准主要起草人：林俊明、蔡桂喜、沈建中、王子成、王琳、陈伟、黄凤英、赵晋成、叶琛、陈和坤。

　　GB/T 39849—202 1

　　无损检测仪器 超声衍射声时检测仪

　　性能测试方法

　　1 范围

　　本标准规定了超声衍射声时检测仪的性能测试方法。

　　本标准适用于超声衍射声时检测仪。

　　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 12604 . 1 无损检测 术语 超声检测

　　3 术语和定义

　　GB/T 12604 . 1 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　采样率 samplingrate

　　在对模拟信号作模数转换时，在单位时间里采集的样本个数。

　　注：采样率单位等同于频率的单位赫兹(Hz)。

　　3.2

　　超声衍射声时 ultrasonictime-of-flightdiffraction;UTOFD

　　超声衍射声波的传播时间。

　　3.3

　　超声衍射声时检测仪 UTOFD instrument

　　声时仪

　　通过检测缺陷两个端头的超声衍射声时和计算它们的时差来实现无损检测的仪器。

　　3.4

　　声时仪采样率 UTOFD instrumentsamplingrate

　　声时仪硬件实际能够达到的最高的一次采样率。

　　3.5

　　采样精度 samplingaccuracy

　　位深

　　声时仪将模拟信号样本的幅度数字化时所能达到的精度。

　　注：采样精度常用模数量化所用的二进制数的位数表示，单位为位(bit)。位数越大，采样精度越高。

　　3.6

　　采集深度 collectiondepth

　　存储深度

　　声时仪采集模拟信号时，一次实时采集所能存储的采样数据点的点数。

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　　注：采集深度单位为千点。

　　3.7

　　时间窗长度 timewindowslength

　　以矩形窗为基准，窗内所包含的采样数据点的点数。

　　3.8

　　响应时间 responsetime

　　从检测直到显示屏显示一幅 80%比率的瞬时回波所需的时间。

　　3.9

　　有效增益范围 dynamicrange

　　声时仪能够显示的最大信号幅度与最小信号幅度之比。 最小信号幅度受系统噪声的限制，最大信号幅度受放大器饱和的限制。

　　3 . 10

　　串扰抑制 cross-talkdampingduringtransmission

　　当声时仪置于双晶探头工作方式(发射器和接收器分开)时，在发射脉冲传送过程中，从发射器输出端到接收器输入端的能量泄漏抑制量。

　　4 测试方法

　　4 . 1 测试条件

　　声时仪应在下列条件下进行测试：

　　a) 环境温度 20 ℃ ± 5 ℃ ;

　　b) 相对湿度 45%~75% ;

　　c) 交流供电电压为 220 V,误差为 ±2% ;

　　d) 交流供电频率为 50 Hz,误差为 ± 1 Hz;

　　e) 直流供电电压，误差为额定值的 ±1% ;

　　f) 应避免外电磁场干扰;

　　g) 通风良好;

　　h) 避免阳光直射。

　　4 . 2 仪器设备

　　所用电子仪器的性能及其稳定性应满足检测要求。 采用下列主要仪器设备：

　　a) 带宽不小于 100 MHz 的示波器。

　　b ) 阻值为 50 Ω 和 75 Ω,最大允许相对误差为 ±1%的无感电阻。

　　c) 步进 1 dB、总衰减量 100 dB、输出阻抗 50 Ω 的标准衰减器，当信号频率在 15 MHz 以内时，任意 10 dB范围的累积误差应在 ±0 . 3 dB 以内。

　　d) 以下两种发生器任选一种：

　　1) 一台任意波形发生器;

　　2) 两台脉冲信号发生器，带有外部触发或选通闸门，能输出两个门控的正弦射频信号串，这两个信号的幅度应能单独调整，调整范围应达到 20 dB。

　　注：如果使用两台脉冲信号发生器，采用合适的匹配电路，使这两台信号发生器的输出合并为一路检测信号。

　　e) 保护电路，其示例如图 1 所示。

　　f) 数字计时器，能够在 1 000 个(可调)触发脉冲后产生一个溢出脉冲，同时，能够测量两个相邻溢出脉冲的间隔时间，准确到 ±0 . 01% 。

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　　g) 阻抗分析仪。

　　h) 环境试验箱。

　　i ) 试块 。

　　在将示波器和(或)信号发生器连接到声时仪的发射器之前，应考虑是否接入保护电路(见图 1) 以防止测试仪器被高发射电压击坏。

　　说明：

　　1 — 接信号发生器;

　　2 — 接声时仪;

　　D1 — 硅开关二极管;

　　D2 — 硅开关二极管。

　　图 1 防止设备受发射脉冲损坏的保护电路

　　4 . 3 性能测试

　　4 . 3 . 1 频带宽度

　　按图 2 所示的连接方式，将输入信号连接到声时仪的接收端，并设置为双探头工作。 校准衰减器。调整超声仪器的输入信号达到± 1 V峰-峰值。

　　依次选择各工作频段，分别测量它们各 自 的频带宽度。 对每个选定的工作频段，在 0 . 1 MHz~ 25 MHz范围内改变输入信号的频率，观察声时仪的输出。 搜寻声时仪输出达到最大时的频率。 在搜寻时，应同时调整衰减器，使声时仪显示的输出信号幅度不溢出屏幕。 并随时检查示波器，从示波器上的显示确认输入信号幅度保持恒定。 在声时仪输出达到最大的频率 fmax , 调整衰减器使显示幅度达到声时仪全屏幅度的 80%。 记录此频率 fmax以及衰减器的值。

　　将衰减器值减少 3 dB。 以小于标称频带宽度 5%的增量，依次从 fmax分别增加和减少频率，并观测声时仪显示的信号，当其恢复到全屏幅度的 80%时，分别记录下所对应的上限频率值 fu 和下限频率值fl( -3 dB点)。再次确认输入信号是恒定的。

　　该工作频段的中心频率 fo 按式(1)计算：

　　fo = 槡fu × fl ……………………( 1 )

　　式中：

　　fo — 中心频率，单位为赫兹(Hz) ;

　　fu —上限频率，单位为赫兹(Hz) ;

　　fl —下限频率，单位为赫兹(Hz) 。

　　该工作频段的频带宽度 Δf(在 -3 dB点之间)按式(2)计算：

　　Δf=fu - fl ……………………( 2 )

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　　式中：

　　Δf —频带宽度，单位为赫兹(Hz) ;

　　fu —上限频率，单位为赫兹(Hz) ;

　　fl —下限频率，单位为赫兹(Hz)。

　　4 . 3 . 2 有效增益范围

　　按图 2 所示的连接方式，门控射频信号发生器产生一组 10 个周期的测试信号，如图 3 所示。 测试点为每一个频带的中心频率 fo , 将声时仪的衰减器设置到最小增益，提高输入信号幅度直至信号出现饱和或显示的幅度达到声时仪全屏幅度的 100%。用示波器测量输入信号的电压 犞max(测量时要考虑外部标准衰减器的设置，一般设置为 0 dB),记录增益值。

　　5 —可变射频信号衰减器; 14— 100 MHz带宽示波器;

　　6 — 终端匹配器; 15 — 时基触发;

　　7 — 门控射频信号发生器; 16 —Y 输入;

　　8 — 闸门; 17 —示波器探头(100 MHz) 。

　　9 — 脉冲发生器;

　　注 1 ：仅在测试时间相关增益曲线、数字采样误差和声时仪的响应时间时才需要内部计时器。

　　注 2：仅在声时仪和测试设备阻抗不匹配时才需要终端匹配器。

　　图 2 设备的通用连接方式

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　　图 3 采用通用的设备连接方式产生的检测波形

　　将声时仪的增益调整到最大值。

　　如果噪声电平大于全屏幅度的 5%,减少增益，直至噪声电平幅度为全屏幅度的 5%。调整输入信号幅度使声时仪显示的信号幅度达到声时仪全屏幅度的 10%。用示波器测量输入信号的电压 vmin(测量时应考虑外部标准衰减器的设置，通常设置为 40 dB~50 dB),记录增益值。

　　如果门控信号发生器不能提供足够低的电压，应将声时仪重新设置到大于最小增益 20 dB 的电平并对测量结果作必要的修正。

　　有效增益范围按式(3)计算：

　　GD =20lg ……………………( 3 )

　　式中：

　　GD —有效增益范围，单位为分贝( dB) ;

　　vmax —输入信号的电压，单位为伏特(V) ;

　　vmin —输入信号的电压，单位为伏特(V) 。

　　如果vmin低于等效输入噪声vein , 有效增益范围 GD 按式(4)计算：

　　GD =20lg ……………………( 4 )

　　式中：

　　GD —有效增益范围，单位为分贝( dB) ;

　　vmax —输入信号的电压，单位为伏特(V) ;

　　vein —等效输入噪声，单位为伏特(V) 。

　　4 . 3 . 3 时基线性误差

　　通过信号发生器提供 11 个等间距的正弦波脉冲串与其在声时仪时基线上所指示的各信号所在位置对应的刻度值相比较，测量声时仪的时基线性。

　　采用图 2 所示的仪器配置方式，使其产生一个如图 4 所示的具有 11 个等间距的正弦波脉冲串检测信号。 选择一个适当的频带并将检测信号的载波频率设定为中心频率 fo , 将声时仪的衰减器设置在中间值并调整外部标准衰减器和信号发生器输出的信号幅度，使声时仪显示的测试信号幅度为全屏幅度的 80%。调整测试信号的延时，使第三个信号的前沿对准时基线全屏宽度的 20%,第九个信号的前沿对准时基线全屏宽度的 80%。

　　记录其余九个信号前沿的偏差值。在水平基线范围各挡的中间位置重复进行测量。

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　　说明：

　　1 — 发射脉冲;

　　2 — 测试信号。

　　图 4 用于检测时基线性的信号时序图

　　4 . 3 . 4 垂直线性误差

　　使用外部标准衰减器通过改变输入信号幅度并观测和记录声时仪显示信号幅度的变化情况，检测声时仪显示屏的垂直线性误差。 在开始检测时，记录增益的初始设定值。

　　以给定的间隔从全屏幅度的 0 dB~-26 dB检查垂直线性。

　　在每个频带的中心频率 fo 上重复进行检测。

　　采用图 2 所示的仪器配置方式，将外部标准衰减器设置到 2 dB,并调节声时仪输入信号的幅度和增益，使该信号的幅度为全屏幅度的 80%。

　　在不改变声时仪增益的情况下，将外部标准衰减器设置到表 1 所列的设定值。 对应每一个设定值，测量声时仪显示屏的信号幅度。

　　表 1 垂直线性的理论和允差值

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　　4 . 3 . 5 等效输入噪声

　　采用图 2 所示的仪器配置方式，并将声时仪置于双晶探头工作方式。 对应每个频率范围，采用每个频带中心频率 fo 的输入信号，测量下述的等效输入噪声。

　　将声时仪的增益设置到最大值，断开输入信号，记录声时仪显示屏上的噪声电平(取均方根值)。

　　把增益降低 40 dB,重新接通输入信号。 调整经过校准的外部标准衰减器和(或)输入信号电平直至漂移的射频信号电平与上述噪声电平幅度相同。 用示波器测量输入信号的峰-峰电压 vin和经过校准的外部衰减器的衰减量 S。按式(5)计算等效输入噪声 vein :

　　v ……………………( 5 )

　　按式(6)计算每平方根带宽的噪声：

　　n ……………………( 6 )

　　式中：

　　vein — 等效输入噪声，单位为伏特( V ) ;

　　vin — 输入信号的峰-峰电压，单位为伏特(V) ;

　　S —经过校准的外部衰减器的衰减量，单位为分贝( dB) ;

　　nin —每平方根带宽的噪声，单位为伏每二分之一次方赫兹(V/H/2 ) ;

　　fu —上限频率，单位为赫兹(Hz) ;

　　fl —下限频率，单位为赫兹(Hz)。

　　fl 与 fu 测量方法见 4 . 3 . 1 。

　　4 . 3 . 6 发射脉冲电压幅值、发射脉冲上升时间、发射脉冲持续时间、发射脉冲反冲幅度

　　将声时仪置于双晶探头工作方式，把示波器连接到声时仪的发射端。

　　将脉冲重复频率设置到最大，给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v50 。如图 5 所示测量发射脉冲上升时间 tr、发射脉冲持续时间 td 和发射脉冲反冲幅度 vr 。

　　在每个发射强度设定值和(或)脉冲频率设定值、最大及最小阻尼挡位重复进行测量。

　　对示波器屏幕上显示清晰波形的最小脉冲重复频率进行重复测试。

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　　a)尖脉冲

　　b)单极性方波脉冲

　　c)双极性方波脉冲

　　说明：

　　tr — 发射脉冲上升时间;

　　td — 发射脉冲持续时间;

　　vr — 发射脉冲回响幅度。

　　图 5 需要测量的发射脉冲参数

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　　4 . 3 . 7 串扰抑制

　　在发射器输出端和接收器输入端接 50 Ω 的电阻，声时仪设置在双晶探头工作方式。 用示波器测量发射器输出端的峰-峰值电压犞50(见 4 . 3 . 6)和接收输入端的峰-峰值电压犞E,如图 6 所示。

　　说明：

　　1 —探头，10 pF±4 pF。

　　图 6 通道间串扰抑制测量装置的连接方式

　　这两个电压比的对数值规定为发射过程中的通道间串扰抑制 Ds , 按式( 7 ) 计算。

　　犞

　　式中：

　　Ds — 串扰抑制，单位为分贝( dB) ;

　　犞50 — 输出端的峰-峰值电压，单位为伏特(V) ;

　　犞E — 接收输入端的峰-峰值电压，单位为伏特(V) 。

　　4 . 3 . 8 发射脉冲重复频率

　　把声时仪置于双晶探头工作方式，将示波器连接到声时仪的发射端。

　　在不同脉冲重复频率的每个设定值下，用示波器测量发射脉冲的重复频率。 若声时仪的控制器有多种组合挡位，且组合挡位的脉冲重复频率(通常指范围和脉冲重复频率)相同时，仅需要检测其中一个组合挡位。 对于带有脉冲重复频率连续可调控制器的声时仪，应从制造商给出的产品技术要求中选择一个设定值进行检测。

　　4 . 3 . 9 声时仪采样率

　　测量仪器：任意波形信号发生器(输出的最高频率大于声时仪的采样率的 1/4)、衰减器、200 MHz数字示波器、通用计算机。 计算机配有含锯齿波波形分析的波形分析软件。

　　将任意波形信号发生器的输出经过衰减器连接到被测声时仪的接收电路输入端(即探头接口)，将被测声时仪的输出端连接到数字示波器的输入端，并且将声时仪的数字信号输出到计算机。 如果声时

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　　仪的采样率是可调的，应将声时仪的采样率指示调节到最大采样率。

　　设置任意波形信号发生器输出锯齿波，输出幅度置于合适挡，其周期根据声时仪产品规范中给出的最高实时采样率适当选取。调节衰减器和声时仪的放大率，使输出到个人计算机的声时仪的输出波形具有适当值，即足够大而又不超过最大限值。调节示波器显示一个周期以上锯齿波信号，垂直幅度约占满屏幕 80%。

　　测量示波器显示的锯齿波信号的周期 T ，由分析软件自动完成一个周期锯齿波内的采样点数的计数，获得采样点数 N。 根据式(8)计算出最高实时采样率 fmax :

　　f ……………………( 8 )

　　式中：

　　fmax —最高实时采样率，单位为赫兹(Hz) ;

　　N — 被测信号一个周期的采样点个数;

　　T —被测信号的周期，单位为秒(s)。

　　注：本测试不能区分声时仪内部是否进行了插值。

　　4 . 3 . 10 采样精度

　　测量仪器及其连接方式参见 4 . 3 . 9 。

　　调节衰减器和声时仪的放大率，使输出到计算机的数值有一部分溢出。 检测波形数据数值最大值是否等于或接近 2n-1(n为产品规范中给出的采样精度的位数)，若数据中有满足条件的数值，则表明采样精度为 n。

　　4 . 3 . 1 1 采集深度

　　测量仪器及其连接方式参见 4 . 3 . 9 。

　　由软件统计声时仪一次采集到的全部采样点数 N，即采集深度。

　　4 . 3 . 12 时间窗长度

　　测量仪器：正弦波信号发生器(输出的最高频率大于声时仪的采样率的 1/4)、衰减器、数字示波器(带宽应大于声时仪的采样率)。

　　将正弦波信号发生器的输出经过衰减器，供给被测声时仪的接收电路输入端(原来接探头的口);将数字示波器的输入端连接到被测声时仪的输出端。

　　调节正弦波信号发生器输出周期为 T 的正弦波。

　　调节被测声时仪的窗口调节，观察测量窗口的长度。

　　4 . 3 . 13 采样误差

　　用来测试声时仪在其带宽内对应最高频率的信号是否能够正确地在显示屏上显示出来，尤其是信号幅度是否与时基线范围无关。

　　检测宜在每个频带的检波和射频方式下进行，不宜使用时间相关增益曲线。 对影响数字的每个设定值(例如时基线范围和脉冲重复频率)宜重复进行本项检测。

　　将声时仪设置在双晶探头工作方式，采用图 2 所示的设备配置方式，以产生一个与发射脉冲同步的检测信号。 将信号的延迟 T 调至 T0 ,让 T0 大于发射脉冲后盲区。 将门控射频信号发生器的频率调整为对应频带的上限频率 fu , 调整信号发生器，使其输出一个单周期的正弦波信号，其幅度为全屏幅度

　　的 80%。

　　利用可变延迟，以很小的增量 ΔT 增加延迟 T 时，增量 ΔT 按式(9)计算 。

　　ΔT=1/10fu ……………………( 9 )

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　　式中：

　　ΔT — 时间增量，单位为秒(s) ;

　　fu —上限频率，单位为赫兹(Hz)。

　　每次增加 ΔT 时，测量显示屏上显示的信号幅度。 继续增加延迟时间，并测量信号幅度，直至完成30 次(即 3 个波长)测量为止。

　　4 . 3 . 14 响应时间

　　测量瞬时回波在声时仪显示屏上以全屏幅度 80%显示出来之前，探测到它所需花费的时间。

　　采用图 2 的设备连接方式，输出一个频率为频带上限截止频率 fu 的单周期正弦检测信号。 将声时仪增益调至其增益范围的中间值，重复频率调至最大，水平基线范围置于中间值，并调整测试信号幅度使其为全屏幅度的 80%。将信号发生器设置在产生单次尖脉冲模式。 在产生一个单个尖脉冲后和产生下一个单个尖脉冲之前，要求测试装置重新进入工作状态。 当测试信号处理好后，声时仪的显示屏应显示一个为全屏幅度 80%的信号。

　　如果没有回波显示，或者信号幅度不在全屏幅度的 75% ~85%,则设置信号发生器为产生多个尖脉冲模式，增加发射次数，逐步增加信号发生器测试信号闸门的宽度，直至使该信号幅度达到全屏幅度

　　的 75%~85%为止。

　　测量从触发测试信号闸门的发射脉冲前沿至尾随测试信号闸门结束端的发射脉冲前沿之间的时间间隔，即为声时仪的响应时间，如图 7 所示。

　　说明：

　　1 — 屏幕宽度; 4 — 测试信号;

　　2 — 发射脉冲; 5 — 测试信号选通闸门;

　　3 — 测试信号使能脉冲; 6 — 响应时间。

　　图 7 测量声时仪响应时间的时序图