超声波探伤仪器的性能评定

超声波探伤仪器的性能评定-中国和欧洲标准的比较

摘要:本文对涉及超声波探伤仪性能评定的欧洲标准与我国目前应用标准的情况作了比较，指出我国关于超声波探伤仪的性能评定要求方面与欧洲标准尚存在较多的差异，建议国内有关部门应尽快修订和充实现有的标准，并在管理模式上加以改进，以满足与国际标准接轨的需要，更好地保障超声波探伤仪的性能质量以及有利于把中国自主创新制造的超声波探伤仪推向世界。

前言
随着我国经济改革开放形势的不断深入发展，我国的无损检测技术事业也正在与世界越来越广泛地接轨，就无损检测技术中的超声检测而言，目前国内许多大型企业以及中外合资或外资企业在购买、使用超声探伤设备时，都开始要求按照欧洲标准（EN12668）对超声波探伤仪的性能及质量进行控制，另一方面，中国自主创新制造的超声波探伤设备也在开始向国外出口，同样涉及了与国际应用标准接轨的问题。本文欲就笔者的理解，探讨我国目前应用的有关超声波探伤仪器性能评定标准与欧洲标准的比较，希望对我国超声波探伤设备尽早与国际标准紧密接轨的问题有所促进。

欧洲标准（EN12668）包括有三个部分：
EN12668-1 无损检测-超声检验设备的特性与认证-第1部分：仪器
EN12668-2 无损检测-超声检验设备的特性与认证-第2部分：探头
EN12668-3 无损检测-超声检验设备的特性与认证-第3部分：综合设备
其最大的特点是将仪器、探头的性能分别评定，然后再将仪器和探头组合后的系统性能进行评定，因此有其评定方法、使用的评定装置、试块等特色，并且还涉及对相应性能的指标要求。

我国目前应用的相关标准主要有：
JJG 746-2004《中华人民共和国国家计量检定规程-超声探伤仪》
JB/T 10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》
JB/T 10062-1999《超声探伤用探头性能测试方法》
JB/T 9214-1999《A型脉冲反射式超声探伤系统工作性能测试方法》（非等效采用JIS Z2344-93《金属材料脉冲反射式超声探伤检验方法》）
GB/T 18852-2002 无损检测 超声检验 测量接触探头声束特性的参考试块和方法（等同翻译ISO 12715:1999《无损检测 超声检验 测量接触探头声束特性的参考试块和方法》）
GB/T 18694-2002《无损检测 超声检验 探头性能及其声场的表征》（等同采用ISO 10375:1997E）

在实际执行中，目前比较突出的是我国各地的计量部门以行政手段把超声波探伤仪器纳入每年对企业计量控制中的强制检定项目，执行JJG 746-2004《中华人民共和国国家计量检定规程-超声探伤仪》，因此，在超声仪器方面，本文主要以JJG 746-2004来与EN12668进行比较，在超声探头方面则主要以JB/T 10062-1999《超声探伤用探头性能测试方法》来与EN12668进行比较，在综合系统性能方面则以JB/T 9214-1999《A型脉冲反射式超声探伤系统工作性能测试方法》来与EN12668进行比较。
一.要求测试的性能项目方面的差异

1 对超声仪器性能要求测试的项目对比见表1。表1 超声仪器性能测试项目要求对比

项目	EN*	JJG**	允值要求
			EN	JJG
物理状态和外观	有	有	目视	目视
稳定性：温度稳定性	有	-	有	-
稳定性：预热后稳定性	有	-	有	-
稳定性：显示晃动	有	-	有	-
稳定性：电压变化稳定性	有	-	有	-
发射脉冲：脉冲重复频率	有	-	有	-
发射脉冲：有效输出阻抗	有	-	有	-
发射脉冲：发射脉冲频谱	有	-	有	-
发射脉冲：发射器电压，上升时间，回响和持续时间	有	-	有	-
接收器：发射期间发射器到接收器的串扰阻尼	有	-	有	-
接收器：发射脉冲后阻塞时间	有	-	有	-
接收器：动态范围	有	有	有	有
接收器：接收器输入阻抗	有	-	有	-
接收器：距离振幅修正	有	-	有	-
接收器：时间分辨率	有	-	有	-
接收器：放大器频率响应	有	-	有	-
接收器：等效输入噪声	有	-	有	-
接收器：已校正衰减器的精度	有	有	有	有
接收器：垂直显示线性	有	有	有	有
接收器：时基线性	有	有	有	有
监视器闸门：带固定监视器阈的响应阈和开关滞后	有	-	有	-
监视器闸门：带可调监视器阈的开关滞后	有	-	有	-
监视器闸门：开关输出保持时间	有	-	有	-
比例输出：比例闸门输出阻抗	有	-	有	-
比例输出：比例闸门输出线性	有	-	有	-
比例输出：比例闸门输出频率响应	有	-	有	-
比例输出：比例闸门输出噪声	有	-	有	-
比例输出：闸门内测量信号位置影响	有	-	有	-
比例输出：比例闸门输出脉冲形状影响	有	-	有	-
比例输出：比例闸门输出上升、下降与保持时间	有	-	有	-
电噪声电平	-	有	-	有
最大使用灵敏度	-	有	-	有
探伤灵敏度余量	-	有	-	有
分辨力	-	有		有
扫描范围	-	有		有
数字超声仪器的附加测试：
数字超声仪器的时基线性	有	-	有	-
数字化采样误差	有	-	有	-
数字超声仪器的响应时间	有	-	有	-

* EN 12668-1（2000.9），无损检测-超声检验设备的特性与认证-第1部分：仪器，涉及脉冲式、模拟式和数字式的A显示手动无损检测用超声波检验装置电气性能的评定方法和验收标准。包括生产商测试、定期和维修测试以及组合设备测试，并有校验周期的规定。
** JJG 746-2004《中华人民共和国国家计量检定规程-超声探伤仪》，涉及通用A型脉冲反射式超声探伤仪的首次检定、后续检定和使用中检定。要求超声探伤仪的检定周期一般不超过1年。

2 对超声探头性能要求测试的项目对比见表2。

表2 超声探头性能测试项目要求对比

项目	EN*	JB**	允差要求
			EN	JJG
制造商名称	有
探头型号	有
探头重量与尺寸	有
连接器型号	有
换能器材料	有
换能器形状尺寸	有
斜探头指标	有
使用的斜楔材料，延迟	有
双晶探头的TR可互换连接	有
非聚焦纵波直探头的保护膜材料	有
探头的保护膜磨损允差	有
物理性能	有		有
中心频率,带宽（* 回波频率、回波长度）	有	有*	有	-
脉冲形状(时间与频率)	有
相对脉冲回波灵敏度（* 相对灵敏度）	有	有*	有	-
距离-振幅曲线（* 距离幅度特性）	有	有*	有	--
阻抗,静态电容（* 等效阻抗）	有	有*	有	-
脉冲持续时间（* 回波长度）	有	有*	有	-
液浸探头聚焦区的焦距和聚焦长度	有		有
液浸探头的聚焦宽度	有		有
液浸探头的波束发散角（* 声束宽度）	有	有*	有
接触法单晶直探头的波束发散与侧波瓣（* 声束宽度）	有	有*	有	-
接触法单晶直探头的波束倾斜角与偏移（* 声轴偏移）	有	有*	有	-
接触法单晶直探头的焦距（**近场长度）	有	-	有	-
接触法单晶直探头的聚焦宽度	有	-	有	-
接触法单晶直探头的聚焦长度	有	-	有	-
接触法单晶横波斜探头的入射点（* 入射点、前沿距离）	有	有*	有	-
接触法单晶横波斜探头的波束角和波束发散角（* 声束宽度）	有	有*	有	-
接触法单晶横波斜探头的波束角（* K值）	有	有*	有	-
接触法单晶横波斜探头的波束倾斜角与偏移（* 声轴偏斜角）	有	有*	有	-
接触法单晶横波斜探头的焦距（**近场长度）	有	-	有	-
接触法单晶横波斜探头的聚焦宽度	有	-	有	-
接触法单晶横波斜探头的聚焦长度	有	-	有	-
接触法双晶直探头的串扰（*楔内回波幅度）	有	有*	有	-
接触法双晶直探头的最大灵敏度距离（**焦距）	有	-	有	-
接触法双晶直探头的轴向灵敏度范围(**聚焦长度)	有	-	有	-
接触法双晶直探头的横向灵敏度范围(**聚焦宽度)	有	-	有	-
接触法双晶横波斜探头的串扰	有		有
接触法双晶横波斜探头的入射点	有		有
接触法双晶横波斜探头的波束角和轮廓	有		有
接触法双晶横波斜探头的最大灵敏度距离(**焦距)	有		有
接触法双晶横波斜探头的轴向灵敏度范围(**聚焦长度)	有		有
接触法双晶横波斜探头的横向灵敏度范围(**聚焦宽度)	有		有
直接接触法直探头的始波宽度	-	有	-	-
直接接触法斜探头的空载始波宽度	-	有	-	-
直接接触法斜探头的前后扫查的声束宽度	-	有	-	-
直接接触法斜探头的左右扫查的声束宽度	-	有	-	-
双晶直探头的声束交区宽度	-	有	-	-

* EN12668-2（2001.10），无损检测-超声检验设备的特性与认证-第2部分：探头，要求制造商随探头提供参数数据；探头类别包括：中心频率范围0.5~15MHz，液浸法单晶纵波直探头，接触法纵波单晶、双晶直探头，接触法横波单晶直探头，接触法纵波单晶、双晶斜探头，接触法横波单晶、双晶斜探头，这些探头还各自分为聚焦与非聚焦两种。
** JB/T 10062-1999《超声探伤用探头性能测试方法》，适用于1~5MHz直探头、斜探头、双晶直探头和水浸探头，未提出验收标准或允差。
注：表中括号内含*号的内容表示我国标准与欧洲标准对应的项目名称。表中括号内含**号的内容表示我国的习惯称呼。

3 对探头、电缆与超声仪器组合系统性能要求测试的项目对比见表3。

表3 组合系统检查：探头、电缆与超声仪器组合

项目	EN*	JB**	允差要求		校验周期要求
			EN	JB	EN	JB
物理状态和外观	有		目视		每天
灵敏度和信噪比（* 灵敏度余量）	有	有	有		每周
设备增益线性（* 垂直线性）	有	有	有		每周
时基线性	有	有	有		每周
数字超声仪器的时基线性	有		有		每周
脉冲持续时间	有		有		每周
探头入射点	有	有	有		每天
波束角度	有	有	有		每天
分辨力及盲区	-	有	-	-	-

* EN12668-3:2000（2004.8更新）无损检测-超声检验设备的特性与认证-第3部分：综合设备，适用于操作者在现场或车间条件下使用。仅适用于手工检测的A-扫描显示的脉冲回波装置，装置具有步进不大于2dB的增益控制或已校准的衰减器，并使用接触法试验。
** JB/T 9214-1999《A型脉冲反射式超声探伤系统工作性能测试方法》，在探伤现场条件下测试超声探伤系统的工作性能，包括A型脉冲反射式超声探伤仪、超声探头及连接它们的高频电缆，测试时只需要使用规定的标准试块而不需任何电子仪器，不适用于测试超声探伤仪或超声探头的单件性能，只适用于手工探伤，不适用于自动化超声探伤，只适用于包括一般接触式超声直探头或斜探头的系统，不适用于包括其他类型（例如双晶式、水浸式等）超声探头的系统，只规定超声探伤系统性能的测试方法，但不提出系统的性能指标或其验收条件。
注：表中括号内含*号的内容表示我国标准与欧洲标准对应的项目名称。
在我国的其他相关标准中，例如JB/T 10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》、GB/T 18852-2002 无损检测 超声检验 测量接触探头声束特性的参考试块和方法和GB/T 18694-2002《无损检测 超声检验 探头性能及其声场的表征》中，均没有明确规定仪器、探头以及组合系统的性能指标或验收标准。

二.性能指标要求方面的差异

欧洲标准中关于超声仪器、探头、组合系统性能指标的要求与我国现行标准差异很大，现就能够进行对应比较的少数项目指标列于表4。表4 欧洲标准与我国现行标准中可对应比较的性能指标对照

项目	EN*	JJG**	JB***
已校准衰减器精度	每个频率设置： 20dB±1dB(微调)； 60dB±2dB(粗调)	在规定的工作频率范围内： 12dB±1dB
时基线性误差	≤±1%	≤±2%	≯2%
垂直线性误差	从5%~90%屏幕高度不等，最高要求在90%屏幕高度时≤±2.2%	≤±6%	≯8%
动态范围	至少为100dB	≥26dB	≮26dB

* EN12668 无损检测-超声检验设备的特性与认证
** JJG 746-2004《中华人民共和国国家计量检定规程-超声探伤仪》
*** JB/T 10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》

三.在性能测试方法方面的差异

欧洲标准中涉及的性能测试项目种类远超过我国相关标准中的规定，即便在相同或相类似的性能测试项目上也与我国现行的测试方法有较大的区别，涉及使用的试块、测试仪器和辅助器材等都存在较大区别，最重要的是欧洲标准涉及对制造商的出厂技术规范中的指标进行校验或者有明确的验收标准（允差）。由于篇幅有限，本文不做这方面的详细对比。

应该注意到，在欧洲标准中严格规定了超声仪器、探头分别独立测试的方法和详细规定了使用的测试装置，而我国标准中涉及的许多性能项目的测试方法实际上还是在被检超声仪器与探头连接的状况下进行测试，因此，可以说我国超声仪器、探头的质量控制、性能指标测试方法等方面要与欧洲标准接轨，尚存在很大的差距。

仅就所使用的测试装置方面，举简单的小例子来说，例如欧洲标准中规定使用最小带宽100MHz的示波器，而我国标准中则规定使用带宽≮30MHz的示波器（甚至为0~15MHz），又如欧洲标准中使用了最小带宽100MHz的频谱分析仪，或能够进行离散型富里叶变换（DFT）的示波器/数字转换器以及阻抗分析仪，尤其具有特点的是使用了电磁-声探头（EMA）和接收器、水声接收器、指向性图形测绘仪等，对于液浸探头测试使用的水槽也有结构形式、扫描机械装置的公差、水温、以及反射体尺寸等明确的规定，而这些在我国标准中也都是欠缺的。

四.质量管理模式上的不同

在欧洲标准EN12668 无损检测-超声检验设备的特性与认证中，除了规定由制造商（或其代理）对所生产的超声仪器作代表性抽样测试外，还规定了逐台超声仪器进行的测试：
1）由制造商或其代理，在供应该超声仪器之前（0点测试）；
2）由制造商，业主，或某个实验室，在超声仪器寿命期间每隔12个月验证其性能；
3）在超声仪器修理后。

以及在现场定期对使用寿命期间内的整个系统（超声仪器和探头组合）进行测试。

我国目前对于超声探伤设备的质量控制主要有三个渠道：制造厂对产品质量负责的出厂检验、使用单位的自行检验（按照国家标准规定，作为II级无损检测技术资格等级人员的职责范围和技能要求包括了调整和校准设备）以及地方计量部门的强制定期（一年）检定。

建议

1. 从以上对比情况来看，有必要尽快修订充实我国有关超声探伤仪、探头以及综合系统的技术标准，包括性能项目范围、测试方法、性能指标要求等，特别是我国目前已经处在广泛应用数字式超声探伤仪的情况下，也需要尽快对数字式超声探伤仪的性能指标要求、测试方法等实现标准化。这些标准的完善将能大大促进我国超声检测设备制造企业向更高层次提升，有利于“中国制造”更快地走向世界。
2. JJG 746-2004《中华人民共和国国家计量检定规程-超声探伤仪》第6.5款规定超声探伤仪的检定周期一般不超过1年，所规定的检定项目见下表，然而对于使用中的超声探伤设备校验，通常是在现场进行，并且具有较高的校验频率，这显然应该由用户自己进行。JJG 746-2004的检定项目表中例如外观检查、水平线性误差、垂直线性误差、探伤灵敏度余量、分辨力、动态范围、电噪声电平等项目其实都属于企业中II级无损检测技术资格等级人员的日常工作范畴。
3. JJG 746-2004《中华人民共和国国家计量检定规程-超声探伤仪》表1 检定项目表

序号	检定项目	首次检定	后续检定	使用中检验
1	外观检查	+	+	+
2	水平线性误差	+	+	+
3	衰减器衰减误差	+	+	-
4	垂直线性误差	+	+	+
5	动态范围	+	+	-
6	电噪声电平	+	+	-
7	最大使用灵敏度	+	-	-
8	探伤灵敏度余量	+	+	-
9	扫描范围	+	-	-
10	分辨力	+	+	-
注：“+”表示应检项目，“-”表示可不检项目

尽管目前在无损检测界对于无损检测设备是否都属于计量器具范畴的问题有许多争议，但是根据我国目前的状况，如果一定要把无损检测设备纳入计量部门对企业计量监管范畴的话，那么计量部门所承担的检定内容就不应该是国家标准规定II级无损检测技术资格等级人员职责范围内的日常工作内容，而应该是企业一般不具备能力检定然而又与无损检测设备正常使用的性能质量密切相关的项目，才能符合计量检定系统的三级传递制度，从而才能真正扮演好为企业保驾护航、提供设备质量保障服务的角色。因此，笔者认为应当彻底修订JJG 746-2004标准。

[3] 对于实施无损检测设备检定的计量部门，应当经由国家质量监督检验检疫总局进行资质认证，取得认可，确认这些计量部门具备适当的检定设备装置和人员技术水平等，以防止良莠不齐、滥竽充数等现象发生，导致徒增企业负担却并不能真正使无损检测设备正常使用所需要的性能质量得到保障。笔者还有一个建议，即参考国外的经验，实际上无损检测设备的检定也可以由经国家质量监督检验检疫总局认定并授权的第三方检测鉴定单位或机构来承担，亦即如欧洲标准中所提到的“制造商代理”或“某个实验室”。

[4] 我国的超声检测设备制造企业应该努力汲取国外先进标准要求中的精髓，努力提高自身产品的质量水平和检测水平，努力提高与国外产品竞争的能力，并可更进一步为打开国际市场增强实力。