認識數字超聲探傷儀
數字式探傷儀與模擬式探傷儀*大的不同在儀器控制和顯示部分。模擬探傷儀的控制部分很簡單 ,只是給出固定頻率的脈沖使儀器各部分同步工作;顯示部分類似模擬示波器 ,電路產生鋸齒波驅動示波管的水平偏轉板形成時基線 ,視頻放大器放大超聲信號 ,加到示波管的垂直偏轉板;兩者綜合作用 ,將超聲信號波形展示在示波管的熒光屏上。數字探傷儀則復雜得多 ,它要經歷一個模擬/數字轉換和隨后的軟件處理過程。模擬探傷儀中控制和顯示的好壞 ,主要區別在水平線性、垂直線性、顯示亮度和外觀等方面。而數字探傷儀中控制和顯示的影響比較復雜 ,搞不好會導致漏檢、誤檢等嚴重問題。這也正是在此講述的重點。
2.1 常見參數及其含義
2.1.1 靈敏度
探傷人員關注的是探傷儀有足夠的靈敏度、分辨力和準確度;超聲波形應真實 ,或至少達到在相同探頭和探傷對象條件下 ,各種探傷儀的波形相近。如何檢測探傷儀是否達到了這些要求卻并不容易。超聲探傷儀性能測試方法有使用電子儀器 簡稱方法A 和不使用電子儀器 簡稱方法B 兩大類。前者需要專業的電子儀器 ,目的在于客觀評價產品的主要性能指標;后者的目的則是簡要、粗略評價包括探傷儀和探頭兩個部分的探傷系統的綜合品質。應該指出 ,后者的主要使用者是探傷人員。超聲探傷儀生產者應該 ,也必須采用方法A。在方法B 測試中 ,*被探傷人員看重的參數是靈敏度裕量 余量 ,它也是商業競爭的主要標志項。在方法A測試中 ,與此相關的參數包括探傷儀發射部分的脈沖幅度、脈沖前沿上升 或下降 時間、脈沖寬度和發射電路阻尼電阻值 ,探傷儀接收部分的*大增益、頻率特性和噪聲等。同時 ,非常重要的是 ,這個參數的高低還在很大程度上取決于超聲探頭的發射接收靈敏度及其頻率特性。在驗收探傷儀時 ,通常都是采用廠家提供的 2.5MHz 探頭 ,這樣 ,看到的只是這臺探傷儀與這個探頭組合的靈敏度。大家知道 ,探頭之間發射接收靈敏度相差 20dB 也是常有的事 ,所以 ,這種探傷儀的靈敏度究竟如何實際上并不知道。此外 ,在別的頻率時 如在儀器標稱 10或15MHz上 靈敏度如何也不得而知。作者就見到過這樣的探傷儀 ,它的標稱頻率范圍是 15MHz ,方法B 測試的靈敏度余量相當高 ,但接上一個經驗證的10MHz探頭 ,超聲信號只有約 6MHz ,且波形莫名其妙。由此可見 ,方法 B 的好處是簡便、直觀、易行 ,與通常較多遇到的使用條件比較接近。但是 ,其局限性也很顯著。因此 ,有必要要求儀器生產者提供按方法A測試的探傷儀參數 ,即探傷儀發射部分的脈沖幅度、脈沖前沿上升 或下降 時間、脈沖寬度和發射電路阻尼電阻值等 再嚴格一些還可要求知道發射脈沖的頻譜 ,以及探傷儀接收部分的增益、頻率特性、垂直線性和噪聲等
2.1.2 工作頻率
超聲探傷儀的商品廣告和說明書經常表征某探傷儀的工作頻率從某兆赫到某兆赫。與上述發射脈沖頻譜、接收電路的頻率特性等概念相比 ,超聲探傷儀的工作頻率是一個比較模糊的概念 ,但它又的確經常被使用。既然沒有給出定義 ,那么使用者就有權從其字意來解釋 ,那就是“本探傷儀可以工作的頻率”。在超聲探傷的實踐中 ,工作頻率是以超聲探頭的中心頻率來表征的。超聲探頭的相對頻帶寬度一般在 30 %～70 %,也不乏達到100 %的例子。如某探傷儀的工作頻率可達 10MHz ,按照相對帶寬70 %計算 ,則它的發射脈沖頻譜和接收電路頻率特性都必須達到 13.5MHz 如果嚴格按- 3dB 計算 ,還需要更寬些 。但據作者接觸超聲探傷儀的經驗 ,生產者未必這么做。因而 ,作為使用者 ,還是問個明白的好。此外 ,如果是數字化探傷儀 ,頻率特性除與發射和接收部分有關外 ,還取決于模數轉換和隨后的信號處理方法。這些將在下一節探討。
2.1.3 分辨力
分辨力是探傷人員非常關心的參數 ,涉及分辨前后兩個缺陷的能力。國內專業標準 方法B 也給出了測量方法。需提醒的是 ,在目前流行的通用探傷儀條件下 ,方法 B 測出的結果主要反映探頭性能。大家知道 ,分辨力主要取決于頻帶寬度。通常用來測試的探頭頻率為 2. 5MHz 左右 ,通用探傷儀的頻帶寬度一般都應 >10MHz ,根本不成問題。從儀器角度 ,重要的是阻塞時間 ,它在方法 A測試中有規定。專業廠都知道 ,一般不會出現問題。以下介紹需用電子儀器測量的探傷儀發射2接收通道參數。
該部分主要參數是脈沖形狀,脈沖上升 或下降時間 T 、寬度 T 和幅度 發射電壓 及脈沖頻譜。人們關注發射電壓是可以理解的。只要在線性范圍內 ,這個電壓越高 ,探傷儀靈敏度越高。要提醒的是 ,過高的發射電壓可能會損壞高頻探頭。作者就有過15MHz探頭被擊穿的經歷。因而 ,一些超聲探傷儀的發射電壓可調是有道理的
2.3 接收部分
接收部分的主要參數有增益、頻率特性、線性、噪聲、動態特性和阻塞時間等。如有濾波器的話 ,還應提供其參數。
2.3.1 增益
增益是接收部分的主要參數之一。它表征放大微弱超聲信號的能力 ,直接與探傷儀的綜合靈敏度有關 ,所以是廠家競相標榜的主要指標之一。經常見到的增益數值是110dB 左右。在模擬探傷儀中 ,超聲脈沖信號*終要送到示波管垂直偏轉板去顯示。驅動示波管垂直偏轉板到滿屏的信號幅度要數十伏。在放大器的輸入端 ,各種電子噪聲通常達10μV 左右。所以 ,超聲信號如果低于數十微μ伏 ,信噪比將會很低。所以 , < 10μ V 的信號通常沒有實際意義。把數十微伏的信號放大到數十伏所要求的探傷儀增益就是 120dB。所以 ,在模擬探傷儀中 ,110～120 dB 的增益是必要的。久而久之 ,大家認為超聲探傷儀的增益非110～120dB 不可。而在數字化探傷儀中 ,放大器的輸出信號要送給模數轉換器。現代模數轉換器需要的輸入電壓只要1V甚至更小。因而 ,從數十微伏放大到 1V ,有80dB 左右的增益也就夠了。這一狀況可能使探傷儀的生產者感到為難 ,而使用戶誤認為數字化儀器的靈敏度比模擬儀器低。為此 ,想出了一些“曲線”表達方式 ,如增益范圍 110dB 或衰減器 110dB 等。一方面這種表述是實事**的 ,它指的是可調節的增益范圍 ,例如從 - 30～80dB ,確實是 110dB;另一方面 ,也可使人認為其增益與模擬儀器一樣。確實夠難為人的。可以使探傷人員放心的是 ,數字化儀器的靈敏度一點不比模擬儀器低 ,可放心使用。
2.3.2 帶寬 頻率特性
接收通道的頻率特性是一個非常重要的參數 ,它指接收通道輸出信號與輸入信號相比 ,在幅度和相位方面隨頻率 f 的變化規律。現在的通用超聲探傷儀大多使用的是寬帶放大器 ,如在其工作頻率范圍內有很好的幅度和相位特性的話 ,它可適應相應范圍內不同頻率探頭的需要 ,輸出高保真的波形。
2.3.3 動態范圍
動態范圍 線性范圍 也是一個重要參數 ,受到廣泛重視。需指出的是 ,一切事物都有自己的“度”。對動態范圍的要求也應適可而止 ,過大的動態范圍并沒有實際意義。在熒光屏上 ,*大幅度是 100 %,*小是多少 ? 通常說 10 %或 5 %。大家知道 ,能用眼睛分辨的幅度差別 ≯1 %。如果*小定在 10 %,則 1 %的**誤差 ,在 10 %幅度時 ,相對誤差是10 %,即近1 dB;在讀出 5 %幅度時 ,1 %相對 5 %是20 %,即近 2dB。所以都盡量在 80 %或 50 %等較大幅度處讀數。在數字化儀器中 ,讀數由模數轉換器完成 ,其讀數原理與眼睛相似。不同的是 ,模數轉換器可有較高的分辨力。這取決于它的字長 ,絕大多數探傷儀的模數轉換器是8 位的 ,其分辨力大約為1 %。由此可見 ,如果把讀數限制在 10 %或 5 %處 ,則26 dB 的動態 線性 范圍足夠了。追求更大的動態范圍并無實際意義。通常*關心的垂直線性就屬于動態范圍 線性范圍 的部分表現形式 ,通常不會有什么問題。
2.3.4 噪聲
噪聲也是*重要參數之一。它是在輸入端短路條件下把增益開到*大 ,測量輸出端的噪聲 ,再除以增益 ,從而換算到輸入端的噪聲電壓來計算的。如果噪聲高 ,則增益大就失去了意義。例如 ,一個放大器噪聲為100 μV ,增益為 80dB ,則在放大器“開足馬力”增益設置到80dB 時 ,輸出端噪聲將達100μ V×10 000 = 1V ,顯示器上將全是噪聲 ,放大器的 80dB增益毫無意義。如果希望噪聲控制在 5 %以下 ,則噪聲必須 < 5μV。在實際使用條件下 ,放大器輸入端還有電纜和探頭 ,它們像天線一樣 ,還要把周圍環境噪聲 電器用具的放電及無線電廣播等 接收進來 ,這些噪聲通常可達數十微伏。因而 ,實際上很難能把增益開到*大。也就是說 ,探傷儀的靈敏度太高并沒有實際使用價值。從2.1 節提到的方法 B 測得的靈敏度余量可見 ,由于與這么多探傷儀參數有關 ,且關系相當復雜 ,因此靈敏度余量測量有很大局限
