超声波仪器探头性能指标及其测试方法.docx
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超声波仪器探头性能指标及其测试方法
超声波仪器、探头主要组合的性能测定
主要性能测试项目及其性能指标
仪器
灵敏度余量
垂直线性误差
动态围
分辨力
水平线性误差
探测围
通用仪器
≥46dB
≤6%
≥26dB
≥26dB
≤2%
数字仪器
≥60dB
≥3.6m
探头
频率误差
相对灵敏度余量
分辨力
声轴偏斜角
折射角误差
直探头
≤15%
≥40dB
≥26dB
≤1.5°
斜探头
≤15%
≥60dB
≥18dB
≤4%
小角度探头
≤15%
≥50dB
≥16dB
≤2°
不动车专用
≥75dB
一、超声波探伤仪主要性能测试方法
1、电噪声电平（%）
仪器灵敏度置最大，发射置强，抑制置零或关，增益置最大，衰减器置“0”，深度粗调、深度微调置最大。
读取时基线噪声平均值，用百分数表示。
2、灵敏度余量（dB）
a）使用2.5MHz、Φ20直探头和CS－1－5或DB--PZ20—2型标准试块。
b）连接探头并将仪器灵敏度置最大，发射置强，抑制置零或关，增益置最大。
若此时仪器和探头的噪声电平（不含始脉冲处的多次声反射）高于满辐的10％，则调节衰减或增益，使噪音电平等于满辐度的10％记下此时衰减器的读数S0。
图1 直探头相对灵敏度（灵敏度余量）测量
c）将探头置于试块端面上探测200mm处的i2平底孔，如图17所示。
移动探头使中Φ2平底孔反射波辐最高，并用衰减器将它调至满辐度的50％，记下此时衰减器的微Sl，则该探头及仪器的探伤灵敏度余量S为：
S=S1--S0（dB）
3、垂直线性误差测量（%）
（1）连接探头并在试块上探测任一反射波（一般声程大于50mm）作为参照波，如图2所示。
调节探伤仪灵敏度，使参照波的辐度恰为垂直刻度的100％，且衰减器至少有30dB的余量。
测试时允许使用探头压块。
图2 垂直线性误差测量
（2）用衰减器降低参照波的辐度，并依次记下每衰减2dB时参照波辐度的读数，直至衰减26dB以上。
然后将反射波辐度实测值与表l中的理论值相比较，取最大正偏差d（+）与最大负偏差d（-），则垂直线性误差△d用式
（1）计算：
△d=｜d（+）｜+｜d（-）｜…………………
（1）
（3）在工作频率围，改用不同频率的探头，重复
（1）和
（2）的测试。
表1
衰减量dB
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
波高理论值
100
79.4
63.1
50.1
39.8
31.6
25.1
20.0
15.8
12.5
10.0
7.9
6.3
5.0
实测值
4、动态围的测量（dB）
（1）连接探头并在试块上探测任一反射波（一般声程大于50mm）作为参照波。
（2）调节衰减器降低参照波，并读取参照波辐度自垂直刻度的100％下降至刚能辨认之最小值（一般约为3～5％）时衰减器的调节量，此调节量则定为该探伤仪在给定频率下的动态围。
（3）按
（1）和
（2）条方法，测试不同频率不同回波时的动态围。
5、水平线性误差测量（%）
（1）连接探头，并根据被测探伤议中扫描围档级将探头置于适当厚度的试块上，如DB――D1，DB—Pz20-2，CSK-1A试块等，如图3所示。
再调节探伤仪使之显示多次无干扰底波。
（2）在不具有“扫描延迟”功能的探伤仪中，在分别将底波调到相同辐度的条件下，使第一次底波B1的前沿对准水平刻度“2”第五次底波B5的前沿对准水平刻度“10”，然后依次将每次底波调到上述相同辐度，分别读取第二、三四次底波前沿与水平刻度“4”、“6”、“8”的偏差Ln，如图4所示，然后取其最大偏差Lmax按式
（2）计算水平线性误差ΔL：
式中：
ΔL：
水平线性误差，％；
B：
水平全刻度读数。
图3 水平线性误差测量
图4 水平线性误差测量
（3）在具有“扫描延迟”功能的探伤仪中，按
（2）条的方法，将底波以前沿对准水平刻度“0”，底波B6前沿对准水平刻度“l0”，然后读取第二至第五次底波中之最大偏差值Lmax，再按式（3）计算水平线性误差△L
（4）在探伤仪扫描围的各档级，至少应测试一种扫描速度下的水平线性差。
6、分辨力的测量（dB）
使用2.5MHz、Φ20直探头
a）仪器抑制置零或关，其它旋钮置适当位置，连接探头并置于CSK-IA标准试块上，探测声程分别为85mm和91mm反射面的反射波（如图9所示），移动探头使两波等高；
图9 直探头分辨力的测量
b）改变灵敏度使两次波辐同时达到满辐度的100％，然后测量波谷高度h，则该探头的分辨力R用下式计算：
R=20lg（100／h）
若h=0或两波能完全分开，则取R>30dB。
二、超声探头的测试方法
1、探头回波频率及频率误差测量
（1）直探头回波频率的测试
a）连接被测探头并置于l号标准试块25mm厚度处，使第一次底波最高。
b）用示波器在探伤仪的接收输入端观察底波B1的扩展波形，如图8，在此波形中，以峰值点P为基准，读出在其前一周期、后两个周期共计三个周期的时间T3，根据fe=3／T3计算回波频率fe，再按下式计算回波频率误差：
口fe=（fe-f0）／f0×100％………………（7）
式中：
fe回波频率误差，％；f0――探头的标称频率。
图8探头回波频率测量
（2）斜探头回波频率的测量
仪器连接及调节度与直探头相同，将探头置于1号试块上探测R100圆弧面的最高回波。
其余步骤与直探头相同。
2、分辨力（纵向）测量
（1）直探头分辨力的测量
a）仪器抑制置零或关，其它旋钮置适当位置，连接探头并置于CSK-IA标准试块上，探测声程分别为85mm和91mm反射面的反射波（如图9所示），移动探头使两波等高；
图9 直探头分辨力的测量
b）改变灵敏度使两次波辐同时达到满辐度的100％，然后测量波谷高度h，则该探头的分辨力R用下式计算：
R=20lg（100／h）…………………………（8）
（1）若h=0或两波能完全分开，则取R>30dB。
（2）斜探头分辨力的测量
a）如图10所示，探头置于CSK一1A试块的K值测量位置，耦合良好，探测试块上A（Φ50）、B（Φ44）两孔的反射波，移动探头使两波等高；
b）调节衰减器和增益，使A、B西波波辐同时达到满辐度的100％，然后测量波谷高度h，
则该探头的分辨力R用式（8）计算；
c）若h=0或两波能完全分开，则取R>30dB。
图10 斜探头分辨力的测量
（3）小角度探头分辨力的测量
将探头置于K<1.5的位置，其余测试步骤同斜探头分辨力的测量。
3、直探头声轴偏斜角的测量
（1）在DB---H1试块上选取深度约为2倍被测探头近场长度的横通孔。
（2）标出探头的参考方向，将探头几何中心轴对准横通孔中心轴，然后使探头沿x方向在试块中心线上移动，测出到孔波最高点时探头的移动距离D、，其中孔波辐度最高点在+x方向时加上（+）号，在-x方向时加上（-）号，如图1l。
图11 直探头声轴偏斜角的测量
（3）继续沿x方向移动探头，分别测出孔波辐度最高点至孔波辐度下降6dB时探头的移动距离W+x和w-x。
（4）使探头沿y方向对准试块中心线移动，按上两条的方法测出Dy、W+y和W-y。
（6）Dx、Dy。
表示了声轴的偏移，W+x、W-x、W+y和Wy表示了声束宽度，读数精确到1mm。
按下式计算声轴的偏斜角θ：
4、斜探头、小角度入射点的测定
（1）横波斜探头
连接被测探头并置于CSK一1A型标准或CSK—I型标准试块上探测试块R100圆弧面，如图12所示。
前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，使R100圆弧面的回波辐度达到最高，则此时R100圆心刻线所对应的探头侧棱上的点的即为探头的入射点。
读数精确到0.5mm。
图12 入射点的测定
（2）小角度纵波探头
调整仪器各旋钮使屏幕显示正常，将被测探头置于TZS—R试块的R面上（图13）探测试块A面下棱角，前后移动探头，并注意保持探头声束与试块侧面平行，使A面下棱角回波达到最高，记下此时探头前沿至试块前端以端）的距离为然后用二次反射被探测A面上棱角，同样前后移动探头，使A面上棱角回波达到最高，记下此时探头前沿至试块前端（A端）的距离XZ，则探头前沿至入射点的距离为：
a=x2—2xl
5 斜探头折射角的测量
测试设备：
a）探伤仪；b）l号标准试块；C）刻度尺。
测试步骤
将探头置于1号标准试块上，当K≤1.5时，探头放在如图10（a）位置，观察Φ50mm孔的回波；1.52.5时，则观察图10（c）的Φ1.5mm横通孔的回波。
前后移动探头，直到孔的回波最高时固定下来，然后在试块上读出按3.2.5测得的入射点相对应的角度刻度β，β即为被测探头折射角，读数精确到0.5º。
图10
按下式计算K值：
K=tgβ
式中：
β－折射角，（°）；
（2）小角度纵波探头K值和β角的测定
在小角度探头的K值和β角测定之前，应首先测定探头的前沿距离a，然后再按图15和图16所示方法，在TZS—R试块的c面或B面进行测试，当找到端面（A面）上棱角的最大反射波高时，则探头的K值和w角用下式计算：
当探头入射角在6º～8º时（如图15）
k=：
（X+a）／200…………………………（11）
β=arctgk
当探头入射角在9º～11º时（如图16）
k=（X+a）／80；…………………………（12）
p=arctgk
图15 图16
小角度探头人射角α和折射角β对应关系如表3（斜块声速取2730m／s）。
表3
入射角α
5°
6°
7°
8°
9°
10°
11°
12°
折射角β
10.86°
13.06°
15.27°
17.5°
21.76°
22.04°
24.35°
26.7°
6 相对灵敏度
（1）直探头（等同于探伤灵敏度余量）
a）使用2.5MHz、Φ20直探头和CS－1－5或DB--PZ20—2型标准试块。
b）连接探头并将仪器灵敏度置最大，即发射置强，抑制置零或关，增益置最大。
若此时仪器和探头的噪声电平（不含始脉冲处的多次声反射）高于满辐的10％，则调节衰减或增益，使噪音电平等于满辐度的10％记下此时衰减器的读数S0。
图17 直探头相对灵敏度（灵敏度余量）测量
c）将探头置于试块端面上探测200mm处的Φ2平底孔，如图17所示。
移动探头使中Φ2平底孔反射波辐最高，并用衰减器将它调至满辐度的50％，记下此时衰减器的微Sl，则该探头及仪器的探伤灵敏度余量S为：
S=S1--S0（dB）………………………………………（13）
（2）斜探头相对灵敏度测试
连接好被测试斜探头并按直探头的方法测量噪声电平S0，然后将探头并置于CSK-1A标准试块上探测R100圆弧面（如图18），耦合良好并保持声束方向与试块侧面平行，前后移动探头，使R100圆弧面的一次回波辐度最高，将其衰减至满辐度的50％，此时衰减器的读数为S2。
则斜探头的相对灵敏度S为：
S=S2-S0（dB）…………………………………………（14）
图18 斜探头相对灵敏度测量
（3）小角度纵波探头
测量方法同横波探头的情况，只不过基准反射面由CSK-1A试块上的R100圆弧面改为DB-H2试块上Φ3×80横孔，如图19所示。
前后移动探头使孔波达到最高，并用衰减器将其调至满刻度的50％，记下此时衰减器的读数S3，则S3-S0。
的差值即为被测探头的相对灵敏度。
测量时注意保持探头侧面与试块侧面平行。
图19 小角度探头相对灵敏度测量
7 空载始波宽度测量
（1）直探头空载始波宽度
a）探头置1号（或CSK-1A）试块高100mm的探测面上，使底波B1；和B2的前沿分别对准水平刻度的5和10，即水平刻度全长代表钢中纵波声程200mm。
b）探头移置DB-PZ20-2、试块或CS-1-5试块上，仪器的调整度置灵敏度余量测试状态，将探头置于空气中，擦去探头表面油层，水平刻度的“0”点至始波后沿与垂直刻20％线的交点所对应的水平距离Wo即为空载始波宽度（用钢中纵波的距离表示），如图20所示。
（2）斜探头空载始波宽度
a）连接直探头并将其置于1号（或CSK-1A）标准试块高91mm的探测上，调节“扫描”和“移位”旋钮，使底波B1、B2的前沿分别对准水平刻度的5和10，并使第二次底波辐度为垂直刻度的50％～80％。
此时水平刻度线全长代表钢中横波声程100mm。
也可用被测斜探头直接探测CSK-1A试块上R50和R100圆弧面，调节仪器“扫描”和“移位”旋钮，使两波的前沿分别对准水平刻度的5和10，水平刻度线全长代表钢中横波声程100mm。
b）换上待测斜探头，仪器调整度置斜探头相对灵敏度测试状态，在声束方向与试块侧面保持平行的条件下前后移动探头，使1号（或CSK－1A）试块R100圆弧面的第一次回波最高，调节衰减器使回波辐度为垂直刻度的50％，然后调节水平旋钮，使回波前沿对准刻度“10”。
c）将探头置于空气中，擦去探头表面油层，使仪器增益40dB，则水平刻度的“0”点至始波后沿与垂直刻度20％线交点所对应的水平距离Wo，即为该探头空载始波宽度，用钢中横波传播距离表示。
（3）小角度探头始波宽度
a）调节水平刻度全长为钢中纵波200mm（调节方法与直探头同）。
b）仪器的调整度置小角度探头相对灵敏度测试状态，并按表4调节中3×80横孔的最高回波至水平刻度的计算值位置。
将探头置于空气中，擦去探头表面油层，使仪器增益30dB，则水平刻度的“0”点至始波后沿与垂直刻度20％线交点所对应的水平距离Wo，即为该探头空载始波宽度，用钢中纵波的传播距离表示。
c）因调整量小，测量时可将Φ3×80孔波的前沿一律对准水平刻度4．1格。
表4
小角度探头的角度
5
6
7
8
9
10
Φ3x80最高孔波声程
81.0
81.5
82.0
82.7
83.4
84.3
Φ3x80最高孔波位置
4.05
4.08
4.10
4.14
4.17
4.22
注：
Φ3×80最高孔波位置系指水平刻度大格数。
8、斜探头声轴偏斜角测量
将被探头置于1号试块厚度为25mm的表面上。
若探头的K值≤l时，测试时用试块上端面，如图23．a所示；若探头的K值>l，则测试时用试块的下端面，如图23．b上所示。
前后移动和左右移动探头，使所测端面回波辐度最高，然后用量角器测量探头侧面与试块侧面法线的夹角θ。
即为被测探头的声轴偏斜角，读数精确到0.5º。
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