超声波探头回波频率测试方法

　　0　引言

　　超声波探伤仪主要用于检验锻件、铸件、厚钢板、薄板、线材、管材、焊缝、条棒等金属材料的内部缺陷和有关金属材料件的厚度测定。超声波探头一般由压电晶片、外壳、电缆线和接头等部分组成。探头作为超声波振动和电振荡之间的电声转换器，是相当于超声波探伤仪的感觉器官的重要部分。超声波探伤中，超声波的产生和接收过程是一种能量转换过程，这种转换是通过探头来实现的，探头的作用就是将电能转换为超声能(产生超声波)和将超声能转换为电能(接收超声波)。

　　为确保超声探伤的检验质量，避免由于超声波探头回波频率的失准引起超声波探伤灵敏度指标下降， 降低错漏检所带来的巨大经济损失，开展超声波探头回波频率测试方法研究有重要意义。

　　1　测试内容

　　超声波探头性能测试主要依据是HB/Z59-1997《超声波检验》、JB/T10062-1999《超声波探头性能测试方法》和 ASTM E1065-99 《关于评估超声波检查装置(探头)特性参数的标准导则》等标准。标准要求超声波探头外观不应有过度磨损和接头损坏等影响探头使用性能的现象;频率范围在 1 MHz~20 MHz 内的超声波探头，其回波频率与标称值的误差应在 ±10% 以内。测试装置由泛美 5900PR 脉冲发生接收器、泰克 THS730A 数字示波器、超声波探伤标准试块、对比试块和频率自动分析软件等组成，测试系统方框图见图1。

　　2　测试环境及条件

　　温度：(20±10)℃;相对湿度：45%~75%;

　　大气压强：(86~106)kPa;

　　工作电压： AC(220

　　±10)V;(50±2)Hz。

　　测试场所周围应无高频、电磁场干扰和机械振动的影响。探头线采用与被测探头相配套的探头线。耦合剂采用甘油、水玻璃、水、变压器油或机油等。

　　3　测试项目和方法

　　按图1所示连接测试系统。

　　根据探头的类型和频率标称值，设置 5900PR的操作参数。模式设置通常情况下选择 P/E 模式;对于1MHz~20 MHz 的超声波探头，高通滤波器起始频率通常选取1 MHz， 低通滤波器截止频率通常选取被测探头频率标称值的2 倍，脉冲重复频率通常选取20 kHz。[page]

　　在试块上加入适量的耦合剂，以轻微压力把探头置于试块上，并使探头在试块上滑动，使反射脉冲波形峰值达到最大。同时调整示波器的垂直部分和水平部分，使反射脉冲波形清晰显示，按下示波器的HOLD 旋钮，锁住此最大反射脉冲波形。

　　在计算机的开始程序列项中选取 WaveStar forOscilloscopes 程序，它包含 Instrument Manager 和WaveStar for Oscilloscope 两个子程序。

　　选中子程序 Instrument Manager 后，计算机将自动把示波器和计算机之间的接口连通，见图2。选中子程序 WaveStar for Oscilloscope 后，将进入对示波器波形的操作程序，见图3。在菜单File 中选择 New datasheet 选项，并选取 YTSheet，按下 OK 键，将出现一个二维的坐标图。点击Local 图标左方的示波器连接符号，将显示示波器连接成功的图标。在示波器选项中选取 Data 中的 Waveforms 项，将显示出示波器 CH1、CH2、Math1、Ref1 和 Ref2 等通道的脉冲反射波形图标。选中 CH1 图标，将脉冲反射波形拖入到 YTSheet1窗口中的二维坐标中，见图4。打开菜单栏 File中 Export Datesheet 选项，选中CSV，把所选的脉冲反射波形图代号存入到 CSV 文件中。

　　在计算机的开始程序列选项中选取OriginPro7.0 程序，并选中OriginPro7.0 选项，然后打开菜单栏File中Import ASCII 项，键入所存的CSV 文件名并打开，脉冲反射波形的相关数据参数将自动存入到数据列表格中。同时打开与数据列表中相应数据的波形曲线图，见图5。

　　通过调整曲线图横坐标中的脉冲反射参数，得到曲线图所示脉冲反射中较为理想的一个经过放大的脉冲反射波形，见图6。[page]

　　打开菜单栏 Analysis 下拉式菜单，选中 FFT选项，对图 6 所示的脉冲反射波形进行傅立叶变换。根据被测探头的频率标称值，在频谱图横坐标中选取相应的频率范围值(这一范围值通常为0 MHz 到被测探头频率标称值的 2 倍)，这样就得到了理想的脉冲反射频谱图。在脉冲反射频谱图上，把脉冲反射响应曲线上的频率峰值点下降 6 dB 处(频率响应曲线的峰值点下降一半处)的fL和fH值定义为带宽的低值和高值，两者之间的算术平均值即为被测探头的回波频率，见图7。

　　4　测试结果比对和误差分析

　　为了验证测试结果的正确性，采用本文中的装置和方法对 16 个超声波探头回波频率进行测试，并与北京航空材料研究院无损检测研究室探头频谱检测结果进行了比对，结果见表1。可以看出，测试结果与航材院无损检测研究室检测结果具有很强的一致性，差值范围在0.01 MHz~ 0.13 MHz 之间。

　　本装置的主要测量误差来源为 THS730A 数字示波器测量准确度：

　　垂直部分测量范围：5 mV/div~50 V/div，测量准确度：±2 %。

　　水平部分测量范围：2 ns/div~0 s/div，测量准确度：±2 %。

　　合成的频率测量误差为±3 %。

　　比较本装置的测量误差和超声波探头回波频率技术指标(±10%)，满足 <1/3 的量传比例关系。