JJF(有色金屬)-超聲波探傷用液浸式換能器特性校準(zhǔn)規(guī)范

JB/T4278.1—××××PAGE2JB/T4278.1—××××PAGEJJF(有色金屬)XXXX─XXXX××××-××-××發(fā)布××××-××-××實(shí)施發(fā)布中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布中華人民共和國工業(yè)和信息化部超聲波探傷用液浸式換能器特性校準(zhǔn)規(guī)范C超聲波探傷用液浸式換能器特性校準(zhǔn)規(guī)范CalibrationSpecificationforCharacteristicsofImmersionProbesDetectorinUltrasonicTesing（預(yù)審稿）JJF（有色金屬）XXXX-XXXX超聲波探傷用液浸式換能器特性校準(zhǔn)規(guī)范CalibrationSpecificationforCharacteristicsofImmersionProbesDetectorinUltrasonicTesingJJF（有色金屬）XXXX—XXXX超聲波探傷用液浸式換能器特性校準(zhǔn)規(guī)范CalibrationSpecificationforCharacteristicsofImmersionProbesDetectorinUltrasonicTesingJJF（有色金屬）XXXX—XXXX歸口單位：中國有色金屬工業(yè)協(xié)會主要起草單位：西安漢唐分析檢測有限公司參加起草單位：本規(guī)范委托有色金屬行業(yè)計量技術(shù)委員會負(fù)責(zé)解釋本規(guī)范主要起草人：參加起草人：JJF（有色金屬）XXXX—XXXXPAGE1 PAGE1目錄175641范圍 1268842引用文件 1300213概述 1140904計量特性 113634.1脈沖回波靈敏度 1189764.2中心頻率 1280154.3相對帶寬 1277254.4焦距/近場長度 1152324.5場深（焦柱長度） 161304.6焦點(diǎn)尺寸/聲束直徑 1235984.7聲束擴(kuò)散角 170945校準(zhǔn)條件 2116755.1環(huán)境條件 2263385.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備 232856校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法 224516.1校準(zhǔn)項(xiàng)目 2234936.2校準(zhǔn)方法 2322007校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá) 663488復(fù)校時間間隔 729812附錄A 827797附錄B 1028505附錄C 12引言本規(guī)范是以JJF1071-2010《國家計量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》、JJF1001-2011《通用計量術(shù)語及定義》、和JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》為基礎(chǔ)性系列規(guī)范進(jìn)行編寫。本規(guī)范參考了JJF1650-2017《超聲探傷儀換能器聲場特性校準(zhǔn)規(guī)范》、ISO22232-2《Non-destructivetesting-Characterizationandverificationofultrasonictestequipment》、ASTME1065《EvaluatingCharacteristicsofUltrasonicSearchUnits》。本規(guī)范為首次發(fā)布。超聲波探傷用液浸式換能器特性校準(zhǔn)規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于頻率在（0.5~15）MHz范圍內(nèi)的液浸式聚焦換能器與液浸式平面換能器。2引用文件本規(guī)范無引用文件3概述超聲波探傷用液浸式換能器由壓電晶片、阻尼塊、接頭、電纜線、保護(hù)膜和外殼組成。其關(guān)鍵部件是壓電晶片，是一個具有壓電特性的單晶或多晶體薄片，其作用是將電能轉(zhuǎn)換為聲能，并將聲能轉(zhuǎn)換為電能。廣泛應(yīng)用在超聲無損檢測等領(lǐng)域，可分為聚焦換能器和平面換能器。液浸式超聲換能器的特性參數(shù)可通過球靶反射體法和水聽器法測量超聲信號和掃描聲場獲得。4計量特性4.1脈沖回波靈敏度與出廠數(shù)據(jù)相差一般不超過±3dB。4.2中心頻率中心頻率偏差一般不超過標(biāo)稱值的±10%。4.3相對帶寬偏差一般不超過標(biāo)稱值的±15%。4.4焦距/近場長度焦距/近場長度偏差一般不超過標(biāo)稱值/理論值的±15%。4.5場深（焦柱長度）場深（焦柱長度）偏差一般不超過標(biāo)稱值的±15%。4.6焦點(diǎn)尺寸/聲束直徑焦點(diǎn)尺寸/聲束直徑的偏差一般不超過標(biāo)稱值的±20%。4.7聲束擴(kuò)散角偏差一般不超過標(biāo)稱值的±20%。注：若換能器出廠時未提供出廠測試報告或上述參數(shù)標(biāo)稱值，則將首次校準(zhǔn)值作為標(biāo)稱值。5校準(zhǔn)條件5.1環(huán)境條件室溫：（18~28）℃；水溫：（15~33）℃。5.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備表1校準(zhǔn)設(shè)備序號儀器設(shè)備名稱技術(shù)要求1超聲波接收發(fā)射儀或信號發(fā)生器及功率放大器頻帶寬度：0.5MHz~30MHz；激勵電壓：50V~350V；激勵方式：方波、尖波。具備猝發(fā)音功能的任意波形發(fā)生器，頻率范圍上限高于15MHz；若信號發(fā)生器的輸出幅度較低，考慮采用功率放大器來驅(qū)動信號，功率放大器的帶寬應(yīng)優(yōu)于（0.5~15MHz），總失真不大于2%。2數(shù)字存儲示波器工作頻率上限不低于100MHz，采樣率高于200MHz，具有頻譜分析功能。時間分辨力優(yōu)于0.1μs。3水聽器帶寬：0.5MHz~15MHz；直徑小于2λ，λ為在水介質(zhì)中聲速波長。4球靶表面光滑的金屬小球；被校準(zhǔn)換能器頻率：（0.5~3）MHz，球靶直徑：（3~5）mm；被校準(zhǔn)換能器頻率：（0.3~15）MHz，球靶直徑：≤3mm。5水箱及自由調(diào)節(jié)裝置水箱應(yīng)滿足聲場掃描范圍的要求，聲場長度方向，水箱尺寸應(yīng)大于被校換能器的3倍近場區(qū)；換能器夾持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，應(yīng)具有五個自由度的調(diào)節(jié)能力，包括X、Y、Z的空間定位，以及調(diào)節(jié)水平偏轉(zhuǎn)和垂直俯仰功能，其中X、Y、Z的空間定位精度應(yīng)優(yōu)于0.02mm，另外兩個自由旋轉(zhuǎn)角度分辨力應(yīng)優(yōu)于0.05°。6溫度計測量范圍：0~40℃；示值誤差應(yīng)優(yōu)于±0.1℃。6校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法6.1校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)項(xiàng)目見表2表2聚焦/平面超聲換能器校準(zhǔn)項(xiàng)目一覽表序號項(xiàng)目名稱1脈沖回波靈敏度2中心頻率3相對帶寬4焦距/近場長度5場深（焦柱長度）6焦點(diǎn)尺寸/聲束直徑7聲束擴(kuò)散角6.2校準(zhǔn)方法整個校準(zhǔn)過程將換能器和球靶或水聽器浸在水中進(jìn)行，校準(zhǔn)裝置及原理如圖1、圖2所示。圖1球靶反射體法液浸式換能器校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖1-超聲波接收發(fā)射儀；2-自由調(diào)節(jié)裝置；3-示波器顯示；4-液浸式超聲換能器；5-球靶反射體圖2水聽器法液浸式換能器校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖1-超聲波接收發(fā)射儀；2-自由調(diào)節(jié)裝置；3-信號同步；4-示波器顯示；5-液浸式超聲換能器；6-水聽器6.2.1校準(zhǔn)前檢查檢查換能器外觀，應(yīng)滿足以下要求：1）被校換能器應(yīng)無明顯損壞，發(fā)射聲波前端匹配層應(yīng)完好無破損脫落現(xiàn)象；2）被校換能器防水橡膠圈應(yīng)無老化開裂現(xiàn)象。6.2.2脈沖回波靈敏度脈沖回波靈敏度計算方法見公式（1）：S=20log10其中：S——脈沖回波靈敏度，dB；VoutVin進(jìn)行相對脈沖靈敏度校準(zhǔn)時，采用球靶反射體法進(jìn)行校準(zhǔn)。將換能器發(fā)生聲波面朝向球靶固定好后，連接超聲波接收發(fā)射儀和示波器，調(diào)節(jié)超聲波接收發(fā)射儀激勵信號波形、激勵電壓等參數(shù)，通過自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動球靶，在示波器顯示波形穩(wěn)定且幅值最高時進(jìn)行信號測量。不同類型的液浸式超聲換能器脈沖回波靈敏度會因液體介質(zhì)類型、液體介質(zhì)溫度、換能器阻抗不同而產(chǎn)生差異。因此，每次校準(zhǔn)時，應(yīng)詳細(xì)記錄校準(zhǔn)條件。6.2.3中心頻率中心頻率計算方法見公式（2）：fc=f式中：fcfufl進(jìn)行中心頻率校準(zhǔn)時，采用球靶反射體法進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時，穩(wěn)定回波信號獲取方法參照6.2.2。使用示波器的頻譜分析功能，得到回波信號的頻率響應(yīng)曲線。上限截止頻率fu和下限截止頻率fl定義為：脈沖回波信號在頻率響應(yīng)曲線的峰值點(diǎn)（峰值頻率圖3頻率響應(yīng)曲線6.2.4相對帶寬帶寬計算方法見公式（3）：BW=fu?式中：BW——相對帶寬，以百分號表示；fuflfc進(jìn)行帶寬校準(zhǔn)時，采用球靶反射體法進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時，穩(wěn)定回波信號獲取方法參照6.2.2。6.2.5焦距/近場長度對聚焦換能器的焦距校準(zhǔn)和對平面換能器的近場長度校準(zhǔn)時，采用水聽器法進(jìn)行校準(zhǔn)。將待校準(zhǔn)換能器固定并確保其向水槽中發(fā)射聲波，連接超聲波接收發(fā)射儀和示波器，調(diào)節(jié)超聲波接收發(fā)射儀激勵信號波形、激勵電壓等參數(shù)，通過自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動水聽器對超聲換能器的輻射聲場進(jìn)行沿聲軸方向的縱向剖面掃描，得到沿聲軸方向的聲壓場數(shù)據(jù)。通過分析聲軸上的聲壓場，得到待校準(zhǔn)超聲換能器的焦距/近場長度。焦距為聚焦換能器焦點(diǎn)到換能器表面的距離，近場長度為平面換能器聲軸上的聲壓峰值處到換能器表面的距離。掃描步進(jìn)間隔一般設(shè)置為不超過工作頻率所對應(yīng)波長的一半。聚焦換能器聲軸上聲壓分布及焦距測量如圖4中FL所示，平面換能器聲軸上聲壓分布及近場長度測量原理如圖5中N0所示。圖4聚焦換能器聲軸上聲壓分布圖圖5平面換能器聲軸上聲壓分布6.2.6場深（焦柱長度）場深的校準(zhǔn)僅對于聚焦換能器，根據(jù)6.2.5得到聚焦換能器聲軸上的聲壓分布，在焦點(diǎn)前后尋找比焦點(diǎn)處聲壓幅值下降3dB的位置，該兩個位置的距離即為該換能器的場深（焦柱長度），如圖4所示。6.2.7焦點(diǎn)尺寸/聲束直徑對焦點(diǎn)尺寸/聲束直徑校準(zhǔn)時，采用水聽器法進(jìn)行校準(zhǔn)。通過多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動水聽器對聚焦換能器或平面換能器的輻射聲場進(jìn)行垂直于聲軸方向的橫向剖面掃描，得到聲壓場的二維圖。在該二維圖像中，找到最大點(diǎn)，在最大點(diǎn)周圍尋找幅度比最大值下降若干分貝的數(shù)據(jù)點(diǎn)得到封閉曲線，并通過適當(dāng)?shù)臄M合方式得到規(guī)則的圓，該圓的直徑即為聲束直徑。針對水聽器法通常得到的是-3dB聲束直徑。如果擬合結(jié)果不是規(guī)則的圓，以橢圓的長軸短軸方式表達(dá)。6.2.8聲束擴(kuò)散角對聲束擴(kuò)散角校準(zhǔn)時，采用水聽器法進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)6.2.5得到聚焦換能器聲軸上的聲壓分布，在遠(yuǎn)場區(qū)選擇位置A、C，如圖6所示。通過計算A、C處的-3dB聲束直徑，并考慮A、C點(diǎn)間的距離得到擴(kuò)散角。圖6聲束擴(kuò)散角計算示意圖擴(kuò)散角計算公式：θ=2φ=2×arctanW/(Zc式中：Za、ZW——Zc位置處-3dB聲束直徑比Z7校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)經(jīng)校準(zhǔn)后出具校準(zhǔn)證書，校準(zhǔn)證書由封面和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)內(nèi)頁組成，封面由校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)確定統(tǒng)一格式，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)按照附件B要求，并可根據(jù)檢漏儀的情況進(jìn)行填寫。校準(zhǔn)證書應(yīng)至少包括以下信息：a)標(biāo)題：校準(zhǔn)證書；b)實(shí)驗(yàn)室名稱和地址；c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)（如與實(shí)驗(yàn)室的地址不同）；d)證書的唯一性標(biāo)識（如編號），每頁及總頁數(shù)的標(biāo)識；e)客戶的名稱和地址；f)被校對象的描述和明確標(biāo)識；g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)說明被校對象的接收日期；h)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識，包括名稱及代號；i)本次校準(zhǔn)所用測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說明；j)校準(zhǔn)環(huán)境的描述；k)校準(zhǔn)結(jié)果及測量不確定度的說明；l)對校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說明；m)校準(zhǔn)證書簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識以及簽發(fā)日期；n)校準(zhǔn)結(jié)果僅對被校對象有效的聲明；o)未經(jīng)實(shí)驗(yàn)室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書的聲明。8復(fù)校時間間隔建議校準(zhǔn)時間間隔為12個月；當(dāng)使用頻率較高時，建議用戶縮短為3個月。

附錄A 校準(zhǔn)原始記錄參考格式 外觀檢查：￡符合要求￡不符合要求液浸式換能器類型：￡聚焦液浸式換能器￡平面液浸式換能器脈沖回波靈敏度dB，U=%（k=2）。上限截止頻率MHz，下限截止頻率MHz，中心頻率MHz，U=%（k=2）。相對帶寬%，U=%（k=2）。焦距為mm，U=%（k=2）。（六、）近場長度為mm，U=%（k=2）。聲軸上聲壓分布一維圖聲軸上聲壓分布一維圖截面聲壓分布二維圖圖1截面聲壓分布二維圖圖2聲軸上聲壓分布一維圖焦點(diǎn)處聲束橫向剖面圖場深計算示意圖場深（焦柱長度）mm，U=%（k=2）。焦點(diǎn)處聲束橫向剖面圖場深計算示意圖圖3場深計算示意圖圖4焦點(diǎn)處聲束橫向剖面圖場深計算示意圖場深計算示意圖圖5兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)圖八、焦點(diǎn)尺寸mm，U=%（k=2）。聲束直徑mm，U=%（k=2）。九、聲束擴(kuò)散角：沿聲軸方向上，距離換能器表面mm，至距離換能器mm的范圍內(nèi)，聲束擴(kuò)散角為（°），U=%（k=2）。

附錄B校準(zhǔn)證書內(nèi)頁參考格式液浸式聚焦換能器1.脈沖回波靈敏度dB，U=%（k=2）。2.上限截止頻率MHz，下限截止頻率MHz，中心頻率MHz，U=%（k=2）。3.相對帶寬%，U=%（k=2）。4.焦距為mm，U=%（k=2）。聲軸上聲壓分布聲軸上聲壓分布一維圖截面聲壓分布二維圖圖1截面聲壓分布二維圖圖2聲軸上聲壓分布一維圖5.場深（焦柱長度）mm，U=%（k=2）。圖3場深計算示意圖6.焦點(diǎn)尺寸mm，U=%（k=2）。兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)圖焦點(diǎn)處聲束橫向剖面圖兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)圖焦點(diǎn)處聲束橫向剖面圖圖4焦點(diǎn)處聲束橫向剖面圖圖5兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)圖7.聲束擴(kuò)散角：沿聲軸方向上，距離換能器表面mm，至距離換能器mm的范圍內(nèi)，聲束擴(kuò)散角為（°），U=%（k=2）。液浸式平面換能器1.脈沖回波靈敏度dB，U=%（k=2）。2.上限截止頻率MHz，下限截止頻率MHz，中心頻率MHz，U=%（k=2）。3.相對帶寬%，U=%（k=2）。4.近場長度為mm，U=%（k=2）。聲軸上聲壓分布聲軸上聲壓分布一維圖截面聲壓分布二維圖圖1截面聲壓分布二維圖圖2聲軸上聲壓分布一維圖聲束直徑mm，U=%（k=2）。兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)圖距離換能器表面近場長度處聲束橫向剖面圖兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)圖距離換能器表面近場長度處聲束橫向剖面圖圖3距離換能器表面近場長度處聲束橫向剖面圖圖4兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)圖6.聲束擴(kuò)散角：沿聲軸方向上，距離換能器表面mm，至距離換能器mm的范圍內(nèi)，聲束擴(kuò)散角為（°），U=%（k=2）。

附錄C液浸式換能器聲束直徑測量不確定度評定示例C.1概述本附錄以液浸式換能器聲束直徑為示例，對其進(jìn)行測量不確定度評定。其他校準(zhǔn)項(xiàng)目可參照本附錄作類似評定。C.1.1測量依據(jù)依據(jù)超聲波探傷用液浸式換能器特性校準(zhǔn)規(guī)范。C.1.2被校對象選用中心頻率為5MHz的液浸式聚焦超聲換能器。C.1.3測量方法通過掃描機(jī)構(gòu)帶動水聽器，對超聲換能器輻射的垂直于聲軸方向的聲壓分布進(jìn)行掃描，得到聲場分布數(shù)據(jù)。通過程序計算找到最大點(diǎn)，在最大點(diǎn)周圍尋找幅度為最大值71%的數(shù)據(jù)點(diǎn)得到封閉的曲線，并通過適當(dāng)?shù)臄M合方式得到規(guī)則的圓，該圓的直徑即為-3dB聲束直徑。C.2測量模型及不確定度來源分析C.2.1測量模型聲束直徑的測量模型為：am=N×l式中：amN——步進(jìn)次數(shù)；l——當(dāng)前狀態(tài)下的掃描步進(jìn)長度，mm。C.2.2測量結(jié)果不確定度主要來源分析液浸式換能器聲束直徑測量結(jié)果不確定度的主要來源有：（1）測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1；（2）掃描定位精度引入的不確定度u2；（3）水聽器空間平均效應(yīng)引入的不確定度u3（4）水聽器指向性引入的不確定度u4（5）擬合算法u5（6）聲場不理想uC.3液浸式換能器聲束直徑測量不確定度的評定C.3.1測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u對距離平面活塞超聲換能器表面近場長度處的橫向剖面進(jìn)行分析，測量-3dB聲束直徑，測量結(jié)果為(單位mm)：4.81，4.99，5.11，4.91，4.87，4.94，5.07，4.93，4.92，5.17。則單次測量值的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u1=2.26C.3.2掃描定位精度引入的分量實(shí)驗(yàn)所用步進(jìn)電機(jī)/伺服電機(jī)定位精度一般優(yōu)于10μm，綜合考慮加工后機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動與變形，及長時間掃描與特殊情況下的脈沖丟失，掃描期間其重復(fù)定位精度遠(yuǎn)優(yōu)于50μm。以最小聲場參數(shù)2mm為例，掃描定位精度引起的測量相對不確定度不超過2.5%；假設(shè)滿足矩形分布，則掃描定位精度引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u2=2.5%/3C.3.3水聽器空間平均效應(yīng)引入的分量空間平均效應(yīng)指用于測量超聲換能器輻射聲場的水聽器存在有效孔徑，不能當(dāng)作理想的點(diǎn)接收器引人的不確定度分量