聲發(fā)射傳感器校準(zhǔn)規(guī)范(互易法)

JJF1863—20201聲發(fā)射傳感器校準(zhǔn)規(guī)范(互易法)1范圍本規(guī)范適用于頻率范圍為100kHz~1MHz的壓電型聲發(fā)射傳感器互易法校準(zhǔn)。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:JJF1001通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義JJF1034聲學(xué)計(jì)量名詞術(shù)語(yǔ)及定義GB/T3102.7聲學(xué)的量和單位GB/T12604.4—2005無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)聲發(fā)射檢測(cè)GB/T19800—2005無(wú)損檢測(cè)聲發(fā)射檢測(cè)換能器的一級(jí)校準(zhǔn)NDIS2109—2004采用互易技術(shù)對(duì)聲發(fā)射傳感器的絕對(duì)校準(zhǔn)(Methodforabsolutecalibrationofacousticemissiontransducersbyreciprocitytechnique)凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3術(shù)語(yǔ)和計(jì)量單位本規(guī)范采用GB/T3102.7中規(guī)定的量和單位。JJF1001、JJF1034、GB/T19800—2005和GB/T12604.4—2005中界定的及以下術(shù)語(yǔ)和定義適用于本規(guī)范。3.1聲發(fā)射acousticemission材料內(nèi)部迅速釋放能量所產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。3.2試塊testblock具有各向同性和均質(zhì)的彈性材料塊。3.3電聲互易原理electroacousticalreciprocityprinciple一個(gè)線性、無(wú)源和可逆的電聲換能器,其用作接收器時(shí)的電壓靈敏度與用作發(fā)射器時(shí)的發(fā)送電流響應(yīng)之比與換能器結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的原理。3.4聲發(fā)射傳感器靈敏度sensitivityofacousticemissionsensor每單位機(jī)械輸入(位移、速度、加速度)的輸出電壓。注:當(dāng)機(jī)械輸入以速度衡量時(shí),速度靈敏度的計(jì)算公式為:M=(1)式中:M—傳感器的速度靈敏度,V/(m·s-1);U—傳感器的輸出電壓,V;v—傳感器耦合位置處垂直于試塊表面的振動(dòng)速度,m·s-1。JJF1863—202023.5聲發(fā)射傳感器靈敏度級(jí)sensitivitylevelofacousticemissionsensor聲發(fā)射傳感器通常采用靈敏度級(jí),速度靈敏度級(jí)的參考值為1V/(m·s-1)。4概述聲發(fā)射傳感器通常采用壓電效應(yīng)在100kHz~1MHz頻率范圍接收材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲發(fā)射信號(hào),可用于監(jiān)測(cè)壓力容器、管道、核電設(shè)備等諸多類型的結(jié)構(gòu)件的服役狀態(tài)。按照聲發(fā)射彈性波的傳播模式,彈性波通常分為表面波和縱波。5計(jì)量特性5.1頻率響應(yīng)聲發(fā)射傳感器的頻率響應(yīng)在其工作頻率范圍內(nèi)測(cè)定,靈敏度級(jí)的年變化量一般不超過(guò)±6dB[參考值1V/(m·s-1)]。5.2靈敏度級(jí)最大值聲發(fā)射傳感器靈敏度級(jí)最大值一般大于20dB[參考值1V/(m·s-1)],通常也給出其對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)。注:本規(guī)范計(jì)量特性中提出的技術(shù)指標(biāo)不作為合格性判定,僅提供參考。6校準(zhǔn)條件6.1環(huán)境條件溫度:(18~28)℃;相對(duì)濕度:30%~90%。6.2測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備6.2.1試塊采用碳鋼材質(zhì)試塊,用2.25MHz的縱波進(jìn)行檢測(cè),試塊應(yīng)不存在回波大于第一次底面波10%的缺陷。對(duì)于聲發(fā)射傳感器的表面波靈敏度的校準(zhǔn),鋼質(zhì)試塊應(yīng)至少包括直徑為400mm、高度為180mm的圓柱體,鋼質(zhì)試塊工作面的粗糙度不應(yīng)超過(guò)1μm。其他材料的試塊,其最小規(guī)格、尺寸準(zhǔn)確度、粗糙度的要求應(yīng)根據(jù)所用材料的縱波波速與鋼中縱波波速的比值進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于聲發(fā)射傳感器的縱波靈敏度校準(zhǔn),建議選擇直徑不小于400mm、厚度不小于250mm的試塊。6.2.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi),最大輸出幅度不小于1V,在校準(zhǔn)期間內(nèi)輸出幅度變化不應(yīng)超過(guò)±0.1%,頻率示值誤差不應(yīng)超過(guò)±0.1%。6.2.3功率放大器在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi),最大輸出電壓幅度峰峰值不小于100V,電流峰峰值不小于100mA。JJF1863—202036.2.4電流探頭電流探頭的測(cè)量帶寬高于1MHz,電流幅度測(cè)量誤差不超過(guò)±2%。6.2.5前置放大器在100kHz~1MHz內(nèi)的頻率響應(yīng)起伏一般不超過(guò)±0.1dB,前置放大器的增益偏差不超過(guò)±0.3dB,輸入阻抗不低于50MΩ。6.2.6信號(hào)采集裝置信號(hào)采集裝置通常由雙通道數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理器組成,應(yīng)保證對(duì)兩個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行同步采集。數(shù)據(jù)采集器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)至少為8位,采樣頻率不低于20MHz。6.2.7游標(biāo)卡尺游標(biāo)卡尺的測(cè)量誤差不超過(guò)±0.02mm。7校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法7.1校準(zhǔn)項(xiàng)目聲發(fā)射傳感器的校準(zhǔn)項(xiàng)目見表1。表1聲發(fā)射傳感器校準(zhǔn)項(xiàng)目序號(hào)項(xiàng)目名稱計(jì)量特性章條號(hào)校準(zhǔn)方法章條號(hào)1頻率響應(yīng)5.17.3.22靈敏度級(jí)最大值5.27.3.37.2校準(zhǔn)方法7.2.1校準(zhǔn)前檢查目視檢查聲發(fā)射傳感器的外觀,應(yīng)符合以下要求:1)聲發(fā)射傳感器的字符、標(biāo)志應(yīng)清晰可辨;2)聲發(fā)射傳感器的匹配層應(yīng)無(wú)明顯損傷。7.2.2頻率響應(yīng)表面波互易校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。1)去除傳感器表面的附著物,將傳感器1作為發(fā)射換能器,傳感器2作為接收傳感器,放置在試塊中間區(qū)域,兩者中心距離約100mm,并使用油脂類耦合劑進(jìn)行耦合,對(duì)傳感器施加足夠的壓緊力,一般不小于9.8N,記錄與聲發(fā)射傳感器相連接的電纜長(zhǎng)度。2)設(shè)置合適的激勵(lì)波形,建議使用包絡(luò)為指數(shù)上升和指數(shù)下降形狀的包含若干正弦波形的猝發(fā)音信號(hào),如圖2所示。猝發(fā)音信號(hào)內(nèi)正弦波的頻率為激勵(lì)信號(hào)的頻率,一般包括至少5個(gè)周期的波形,通常從100kHz開始校準(zhǔn)。3)利用高頻電流探頭測(cè)量發(fā)射傳感器的激勵(lì)電流,接收傳感器的輸出電壓采用信號(hào)采集裝置進(jìn)行采集,分別記錄該頻率下對(duì)應(yīng)的電流和電壓特征值。注:發(fā)射傳感器受到電信號(hào)激勵(lì),通常取激勵(lì)波形的最大幅值作為電流特征值;接收傳感器接收到的直達(dá)波,其形狀與激勵(lì)信號(hào)類似,提取直達(dá)波信號(hào)的最大值作為電壓特征值。JJF1863—20204圖1表面波互易校準(zhǔn)示意圖圖2激勵(lì)波形示意圖4)調(diào)節(jié)頻率,頻率間隔不超過(guò)10kHz,重復(fù)步驟3),直至完成整個(gè)頻率范圍的激勵(lì)和接收信號(hào)測(cè)量。5)將傳感器組合更換為1發(fā)射-3接收,2發(fā)射-3接收,依次重復(fù)上述步驟1)~4),即可得到覆蓋整個(gè)頻率范圍的E12、E13、E23和I12、I13、I23,利用公式(2)、(3)、(4)可得到傳感器1、傳感器2和傳感器3的靈敏度M01、M02、M03和頻率響應(yīng)。M01=···M02=···M03=···式中:E12—傳感器1發(fā)射,傳感器2接收時(shí)的輸出電壓,V;E13—傳感器1發(fā)射,傳感器3接收時(shí)的輸出電壓,V;E23—傳感器2發(fā)射,傳感器3接收時(shí)的輸出電壓,V;I12—傳感器1發(fā)射,傳感器2接收時(shí)的激勵(lì)電流,A;I13—傳感器1發(fā)射,傳感器3接收時(shí)的激勵(lì)電流,A;I23—傳感器2發(fā)射,傳感器3接收時(shí)的激勵(lì)電流,A;(2)(3)(4)JJF1863—20205H—互易常數(shù),m2S-2W-1。縱波互易校準(zhǔn)的示意圖如圖3所示,發(fā)射傳感器置于試塊一側(cè)的中心位置,接收傳感器置于試塊另一側(cè)與發(fā)射換能器同軸的位置,對(duì)發(fā)射換能器施加激勵(lì)電壓,記錄激勵(lì)電流和接收電壓,校準(zhǔn)過(guò)程與表面波互易校準(zhǔn)過(guò)程相同,計(jì)算靈敏度時(shí)需要使用縱波互易常數(shù)。圖3縱波互易校準(zhǔn)示意圖7.2.3靈敏度級(jí)最大值通過(guò)7.2.2中獲得的待測(cè)傳感器的頻率響應(yīng),可以得到測(cè)量頻率范圍內(nèi)的靈敏度級(jí)最大值及其對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)。8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)8.1校準(zhǔn)記錄校準(zhǔn)記錄應(yīng)盡可能詳盡地記載測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。8.2校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理所有的數(shù)據(jù)應(yīng)先計(jì)算后修約,出具的校準(zhǔn)結(jié)果均保留一位小數(shù)。8.3校準(zhǔn)證書聲發(fā)射傳感器經(jīng)校準(zhǔn)后出具校準(zhǔn)證書,推薦的聲發(fā)射傳感器校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁(yè)格式見附錄A,校準(zhǔn)證書應(yīng)至少包括以下信息:a)標(biāo)題,如“校準(zhǔn)證書”;b)證書的編號(hào)、頁(yè)碼及總頁(yè)數(shù);c)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的名稱和地址;d)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期;e)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)(如果不在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn));f)送校單位的名稱和地址;g)被校傳感器的描述;h)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的名稱及代號(hào);i)校準(zhǔn)所用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的名稱、技術(shù)參數(shù)及有效期;j)校準(zhǔn)時(shí)的環(huán)境條件;k)校準(zhǔn)結(jié)果;l)校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度;m)復(fù)校時(shí)間間隔的建議;JJF1863—20206n)校準(zhǔn)人簽名、核驗(yàn)人簽名、批準(zhǔn)人簽名;o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對(duì)被校對(duì)象有效的聲明;p)未經(jīng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室書面批準(zhǔn),不得部分復(fù)制校準(zhǔn)證書的聲明。校準(zhǔn)項(xiàng)目可根據(jù)被校儀器的預(yù)期用途選擇使用,對(duì)校準(zhǔn)規(guī)范的偏離,應(yīng)在校準(zhǔn)證書中注明。8.4校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度聲發(fā)射傳感器比較法校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度按JJF1059.1—2012評(píng)定,其不確定度評(píng)定示例見附錄C。9復(fù)校時(shí)間間隔聲發(fā)射傳感器的復(fù)校時(shí)間間隔建議為1年。然而,復(fù)校時(shí)間間隔的長(zhǎng)短取決于其使用情況,如環(huán)境條件、使用頻率、測(cè)量對(duì)象等,因此,送校單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定復(fù)校時(shí)間間隔。JJF1863—20207附錄A校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁(yè)格式推薦的聲發(fā)射傳感器校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁(yè)格式見圖A.1。證書編號(hào)××××××—××××一、外觀檢查:二、電纜長(zhǎng)度:m三、頻率響應(yīng):□表面波□縱波表1聲發(fā)射傳感器的頻率響應(yīng)測(cè)試頻率/kHz靈敏度級(jí)/dB注:1靈敏度級(jí)參考值為1V/(m·s-1)。2若更換不同的電纜,靈敏度值需要進(jìn)行修正。頻率響應(yīng)曲線:四、靈敏度級(jí)最大值:dB,對(duì)應(yīng)的頻率:kHz校準(zhǔn)結(jié)果(靈敏度級(jí))的不確定度:第×頁(yè)共×頁(yè)圖A.1校準(zhǔn)證書內(nèi)頁(yè)的格式JJF1863—20208附錄B互易常數(shù)的計(jì)算互易校準(zhǔn)中需要使用三個(gè)聲發(fā)射傳感器,編號(hào)為1,2,3。每次使用兩個(gè)傳感器,一個(gè)受電信號(hào)激勵(lì)成為發(fā)射換能器,另一個(gè)作為接收傳感器。發(fā)射傳感器和接收傳感器的順序?yàn)?發(fā)2收,1發(fā)3收,2發(fā)3收。記錄發(fā)射的電流響應(yīng)和接收器的電壓響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)將得到六組數(shù)據(jù),作為計(jì)算三個(gè)傳感器靈敏度的原始數(shù)據(jù)。當(dāng)換能器作為接收換能器時(shí),其接收電流靈敏度MSR定義為:MSR==·AR·(B.1)式中:I0R—接收換能器的短路輸出電流;w0R—在不存在接收傳感器的條件下,瑞利波在接收傳感器所處平面位置的法向位移;wR—存在接收傳感器的條件下,瑞利波在接收傳感器所處平面位置的法向位移;ZtR—接收換能器的機(jī)械阻抗;ZrR—表面波的輻射阻抗。當(dāng)換能器作為發(fā)送換能器時(shí),作用到傳播介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力FR為:FR=F0R·=AR··ESR·ej2πft(B.2)式中:F0R—當(dāng)發(fā)送傳感器壓緊耦合在試塊表面上時(shí),發(fā)送傳感器所受到的驅(qū)動(dòng)力;ESR—正弦輸入電壓的幅值;f—正弦輸入電壓的頻率;t—時(shí)間。在試塊表面上,距離聲源DR處的表面波法向位移速度wDR為:wDR=FR·j2πfkRXej(-kRDR-π/4)=AR··ESR·2πfkRXej(2πft-kRDR+π/4)(B.3)式中:kR=2πfY;E—介質(zhì)的楊氏模量;σ—介質(zhì)的泊松比;ρ—介質(zhì)的密度;X,Y—由σ決定的一組系數(shù),不同泊松比對(duì)應(yīng)的系數(shù)見表B.1。JJF1863—20209表B.1不同泊松比對(duì)應(yīng)的系數(shù)σXY0.000.22361.14410.250.12501.08770.260.12171.08570.270.11851.08380.280.11831.08200.290.11221.08010.300.10921.07830.310.10621.07650.320.10321.07470.330.10041.07300.340.09751.07120.350.09471.0695在這里,DR>>cR/f。因此,發(fā)送傳感器的電壓靈敏度SSR為:SSR=Eft=AR·ZtRZrR·2πf1σkRXπkDRej(-kRDR+π/4)表面波的互易常數(shù)HR為:HR==2πfkRXej(-kRDR+π/4)進(jìn)一步可得到各個(gè)傳感器的計(jì)算公式,以傳感器1為例:M01=···傳感器2和傳感器3的幅度靈敏度和相位靈敏度公式依此類推。在縱波聲場(chǎng)中,縱波聲場(chǎng)互易常數(shù)為:HL=2fej(π/2-kLDL)式中:kL=2πf;E—介質(zhì)的楊氏模量;σ—介質(zhì)的泊松比;ρ—介質(zhì)的密度;DL—發(fā)射和接收傳感器之間的距離。(B.4)(B.5)(B.6)(B.7)JJF1863—202010附錄C測(cè)量不確定度評(píng)定示例本附錄參照J(rèn)JF1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》,對(duì)聲發(fā)射傳感器的靈敏度級(jí)的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。C.1測(cè)量模型傳感器1的靈敏度為:M01=···兩邊同取對(duì)數(shù),可表示為:20lg(M01)=10lg+10lg+10lg-10lgH靈敏度級(jí)可表示為:L(M01)=L(E12)+L(E13)-L(E23)+L(I23)-L(I12)-L(I13)-L(H)L(M01)=[L(E12)+L(E13)-L(E23)]+[L(I23)-L(I12)-L(I13)]-L(H)C.2靈敏系數(shù)L(M01)的合成不確定度如式(C.5)所示:(C.1)(C.2)(C.3)(C.4)u[L(M01)]=cu2[L(E12)+L(E13)-L(E23)]+cu2[L(I23)-L(I13)-L(I12)]+cu2[L(H)](C.5)式中靈敏系數(shù):C.3c1,確cc3=-0.5。由上述測(cè)量模型可得,聲發(fā)射傳感器靈敏度級(jí)的測(cè)量不確定度來(lái)源主要包括測(cè)量重復(fù)性、接收電壓測(cè)量、激勵(lì)電流測(cè)量和互易常數(shù),下面對(duì)各項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行評(píng)定。C.3.1測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(L1)測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度由統(tǒng)計(jì)方法獲得,采用A類方法評(píng)定。在100kHz~1MHz頻段對(duì)某諧振頻率為150kHz的傳感器的表面波和縱波頻率響應(yīng)分別進(jìn)行了6次0.98dB,通常對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行3次測(cè)量并取平均值,