認(rèn)識(shí)數(shù)字超聲探傷儀
數(shù)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(jiǎn)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(lèi)似模擬示波器 ,電路產(chǎn)生鋸齒波驅(qū)動(dòng)示波管的水平偏轉(zhuǎn)板形成時(shí)基線 ,視頻放大器放大超聲信號(hào) ,加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板;兩者綜合作用 ,將超聲信號(hào)波形展示在示波管的熒光屏上。數(shù)字探傷儀則復(fù)雜得多 ,它要經(jīng)歷一個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換和隨后的軟件處理過(guò)程。模擬探傷儀中控制和顯示的好壞 ,主要區(qū)別在水平線性、垂直線性、顯示亮度和外觀等方面。而數(shù)字探傷儀中控制和顯示的影響比較復(fù)雜 ,搞不好會(huì)導(dǎo)致漏檢、誤檢等嚴(yán)重問(wèn)題。這也正是在此講述的重點(diǎn)。
2.1 常見(jiàn)參數(shù)及其含義
2.1.1 靈敏度
探傷人員關(guān)注的是探傷儀有足夠的靈敏度、分辨力和準(zhǔn)確度;超聲波形應(yīng)真實(shí) ,或至少達(dá)到在相同探頭和探傷對(duì)象條件下 ,各種探傷儀的波形相近。如何檢測(cè)探傷儀是否達(dá)到了這些要求卻并不容易。超聲探傷儀性能測(cè)試方法有使用電子儀器 簡(jiǎn)稱(chēng)方法A 和不使用電子儀器 簡(jiǎn)稱(chēng)方法B 兩大類(lèi)。前者需要專(zhuān)業(yè)的電子儀器 ,目的在于客觀評(píng)價(jià)產(chǎn)品的主要性能指標(biāo);后者的目的則是簡(jiǎn)要、粗略評(píng)價(jià)包括探傷儀和探頭兩個(gè)部分的探傷系統(tǒng)的綜合品質(zhì)。應(yīng)該指出 ,后者的主要使用者是探傷人員。超聲探傷儀生產(chǎn)者應(yīng)該 ,也必須采用方法A。在方法B 測(cè)試中 ,*被探傷人員看重的參數(shù)是靈敏度裕量 余量 ,它也是商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的主要標(biāo)志項(xiàng)。在方法A測(cè)試中 ,與此相關(guān)的參數(shù)包括探傷儀發(fā)射部分的脈沖幅度、脈沖前沿上升 或下降 時(shí)間、脈沖寬度和發(fā)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(shí) ,非常重要的是 ,這個(gè)參數(shù)的高低還在很大程度上取決于超聲探頭的發(fā)射接收靈敏度及其頻率特性。在驗(yàn)收探傷儀時(shí) ,通常都是采用廠家提供的 2.5MHz 探頭 ,這樣 ,看到的只是這臺(tái)探傷儀與這個(gè)探頭組合的靈敏度。大家知道 ,探頭之間發(fā)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(shí)際上并不知道。此外 ,在別的頻率時(shí) 如在儀器標(biāo)稱(chēng) 10或15MHz上 靈敏度如何也不得而知。作者就見(jiàn)到過(guò)這樣的探傷儀 ,它的標(biāo)稱(chēng)頻率范圍是 15MHz ,方法B 測(cè)試的靈敏度余量相當(dāng)高 ,但接上一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的10MHz探頭 ,超聲信號(hào)只有約 6MHz ,且波形莫名其妙。由此可見(jiàn) ,方法 B 的好處是簡(jiǎn)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(chǎn)者提供按方法A測(cè)試的探傷儀參數(shù) ,即探傷儀發(fā)射部分的脈沖幅度、脈沖前沿上升 或下降 時(shí)間、脈沖寬度和發(fā)射電路阻尼電阻值等 再?lài)?yán)格一些還可要求知道發(fā)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(shuō)明書(shū)經(jīng)常表征某探傷儀的工作頻率從某兆赫到某兆赫。與上述發(fā)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(gè)比較模糊的概念 ,但它又的確經(jīng)常被使用。既然沒(méi)有給出定義 ,那么使用者就有權(quán)從其字意來(lái)解釋 ,那就是“本探傷儀可以工作的頻率”。在超聲探傷的實(shí)踐中 ,工作頻率是以超聲探頭的中心頻率來(lái)表征的。超聲探頭的相對(duì)頻帶寬度一般在 30 %～70 %,也不乏達(dá)到100 %的例子。如某探傷儀的工作頻率可達(dá) 10MHz ,按照相對(duì)帶寬70 %計(jì)算 ,則它的發(fā)射脈沖頻譜和接收電路頻率特性都必須達(dá)到 13.5MHz 如果嚴(yán)格按- 3dB 計(jì)算 ,還需要更寬些 。但據(jù)作者接觸超聲探傷儀的經(jīng)驗(yàn) ,生產(chǎn)者未必這么做。因而 ,作為使用者 ,還是問(wèn)個(gè)明白的好。此外 ,如果是數(shù)字化探傷儀 ,頻率特性除與發(fā)射和接收部分有關(guān)外 ,還取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換和隨后的信號(hào)處理方法。這些將在下一節(jié)探討。
2.1.3 分辨力
分辨力是探傷人員非常關(guān)心的參數(shù) ,涉及分辨前后兩個(gè)缺陷的能力。國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 方法B 也給出了測(cè)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(cè)出的結(jié)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(lái)測(cè)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(yīng) >10MHz ,根本不成問(wèn)題。從儀器角度 ,重要的是阻塞時(shí)間 ,它在方法 A測(cè)試中有規(guī)定。專(zhuān)業(yè)廠都知道 ,一般不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。以下介紹需用電子儀器測(cè)量的探傷儀發(fā)射2接收通道參數(shù)。
該部分主要參數(shù)是脈沖形狀,脈沖上升 或下降時(shí)間 T 、寬度 T 和幅度 發(fā)射電壓 及脈沖頻譜。人們關(guān)注發(fā)射電壓是可以理解的。只要在線性范圍內(nèi) ,這個(gè)電壓越高 ,探傷儀靈敏度越高。要提醒的是 ,過(guò)高的發(fā)射電壓可能會(huì)損壞高頻探頭。作者就有過(guò)15MHz探頭被擊穿的經(jīng)歷。因而 ,一些超聲探傷儀的發(fā)射電壓可調(diào)是有道理的
2.3 接收部分
接收部分的主要參數(shù)有增益、頻率特性、線性、噪聲、動(dòng)態(tài)特性和阻塞時(shí)間等。如有濾波器的話 ,還應(yīng)提供其參數(shù)。
2.3.1 增益
增益是接收部分的主要參數(shù)之一。它表征放大微弱超聲信號(hào)的能力 ,直接與探傷儀的綜合靈敏度有關(guān) ,所以是廠家競(jìng)相標(biāo)榜的主要指標(biāo)之一。經(jīng)常見(jiàn)到的增益數(shù)值是110dB 左右。在模擬探傷儀中 ,超聲脈沖信號(hào)*終要送到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板去顯示。驅(qū)動(dòng)示波管垂直偏轉(zhuǎn)板到滿(mǎn)屏的信號(hào)幅度要數(shù)十伏。在放大器的輸入端 ,各種電子噪聲通常達(dá)10μV 左右。所以 ,超聲信號(hào)如果低于數(shù)十微μ伏 ,信噪比將會(huì)很低。所以 , < 10μ V 的信號(hào)通常沒(méi)有實(shí)際意義。把數(shù)十微伏的信號(hào)放大到數(shù)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(rèn)為超聲探傷儀的增益非110～120dB 不可。而在數(shù)字化探傷儀中 ,放大器的輸出信號(hào)要送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)代模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要的輸入電壓只要1V甚至更小。因而 ,從數(shù)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(chǎn)者感到為難 ,而使用戶(hù)誤認(rèn)為數(shù)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(dá)方式 ,如增益范圍 110dB 或衰減器 110dB 等。一方面這種表述是實(shí)事**的 ,它指的是可調(diào)節(jié)的增益范圍 ,例如從 - 30～80dB ,確實(shí)是 110dB;另一方面 ,也可使人認(rèn)為其增益與模擬儀器一樣。確實(shí)夠難為人的。可以使探傷人員放心的是 ,數(shù)字化儀器的靈敏度一點(diǎn)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(gè)非常重要的參數(shù) ,它指接收通道輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相比 ,在幅度和相位方面隨頻率 f 的變化規(guī)律。現(xiàn)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(nèi)有很好的幅度和相位特性的話 ,它可適應(yīng)相應(yīng)范圍內(nèi)不同頻率探頭的需要 ,輸出高保真的波形。
2.3.3 動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍 線性范圍 也是一個(gè)重要參數(shù) ,受到廣泛重視。需指出的是 ,一切事物都有自己的“度”。對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求也應(yīng)適可而止 ,過(guò)大的動(dòng)態(tài)范圍并沒(méi)有實(shí)際意義。在熒光屏上 ,*大幅度是 100 %,*小是多少 ? 通常說(shuō) 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(shí) ,相對(duì)誤差是10 %,即近1 dB;在讀出 5 %幅度時(shí) ,1 %相對(duì) 5 %是20 %,即近 2dB。所以都盡量在 80 %或 50 %等較大幅度處讀數(shù)。在數(shù)字化儀器中 ,讀數(shù)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成 ,其讀數(shù)原理與眼睛相似。不同的是 ,模數(shù)轉(zhuǎn)換器可有較高的分辨力。這取決于它的字長(zhǎng) ,絕大多數(shù)探傷儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是8 位的 ,其分辨力大約為1 %。由此可見(jiàn) ,如果把讀數(shù)限制在 10 %或 5 %處 ,則26 dB 的動(dòng)態(tài) 線性 范圍足夠了。追求更大的動(dòng)態(tài)范圍并無(wú)實(shí)際意義。通常*關(guān)心的垂直線性就屬于動(dòng)態(tài)范圍 線性范圍 的部分表現(xiàn)形式 ,通常不會(huì)有什么問(wèn)題。
2.3.4 噪聲
噪聲也是*重要參數(shù)之一。它是在輸入端短路條件下把增益開(kāi)到*大 ,測(cè)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(lái)計(jì)算的。如果噪聲高 ,則增益大就失去了意義。例如 ,一個(gè)放大器噪聲為100 μV ,增益為 80dB ,則在放大器“開(kāi)足馬力”增益設(shè)置到80dB 時(shí) ,輸出端噪聲將達(dá)100μ V×10 000 = 1V ,顯示器上將全是噪聲 ,放大器的 80dB增益毫無(wú)意義。如果希望噪聲控制在 5 %以下 ,則噪聲必須 < 5μV。在實(shí)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?chē)h(huán)境噪聲 電器用具的放電及無(wú)線電廣播等 接收進(jìn)來(lái) ,這些噪聲通常可達(dá)數(shù)十微伏。因而 ,實(shí)際上很難能把增益開(kāi)到*大。也就是說(shuō) ,探傷儀的靈敏度太高并沒(méi)有實(shí)際使用價(jià)值。從2.1 節(jié)提到的方法 B 測(cè)得的靈敏度余量可見(jiàn) ,由于與這么多探傷儀參數(shù)有關(guān) ,且關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜 ,因此靈敏度余量測(cè)量有很大局限
