非金属超声波检测仪校准规范.doc - 中华人民共和国国家计量技术规范

非金属超声波检测仪校准规范.doc - 中华人民共和国国家计量技术规范 福 建 省 地 方 计 量 技 术 规 范 JJF(闽)1036-2010 非金属超声波检测仪校准规范 Calibration Specification for Non-metallic ultrasonic detector 2010-12-10发布 2010-12-10实施 福建省质量技术监督局 发 布 JJF (闽)1036—2010 JJF(闽)1036-2010 非金属超声波检测仪校准规范 本规范经福建省质量技术监督局于2010年12月10日批准，并自2010年12月10日起实施。 归 口 单 位:福建省质量技术监督局 主要起草单位:福建省计量科学技术研究院 参加起草单位:北京市康科瑞工程检测技术有限公司 本规范由归口单位负责解释 - 1 - JJF (闽)1036—2010 本规范主要起草人: 徐峰 (福建省计量科学技术研究院) 李群 (福建省计量科学技术研究院) 参加起草人: 孙刚柱(北京市康科瑞工程检测技术有限责任公司) 徐雅东(北京市康科瑞工程检测技术有限责任公司) - 2 - JJF (闽)1036—2010 目 录 1 范围„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (1) 2 引用文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (1) 3 术语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (1) 4 概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (2) 5 计量特性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (2) 5.l声时测量相对误差„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (2) 5.2 幅值测量级线性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (2) 5.3 径向换能器谐振频率„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (2) 5.4 发射电压幅值稳定度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (2) 5.5 通道隔离度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (2) 6 校准条件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (3) 6.1 环境条件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (3) 6.2标准器及其设备„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (3) 7 校准项目和校准方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (3) 7.1 校准项目„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (3) 7.2 校准方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (3) 8 校准结果表达„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (10) 9 复校时间间隔„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (10) 10 资料性附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ ( 11) 附录A 水中声速变化表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (10) 附录B 非金属超声波检测仪校准记录(参考格式)„„„„„„„„ (11) 附录C校准证书(内页内容)„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (13) 附录D非金属超声波检测仪误差的校准结果不确定度评定(实 例)„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (14) - 3 - JJF (闽)1036—2010 非金属超声波检测仪校准规范 1 范围 本规范适用于非金属超声波检测分析仪(以下简称超声波检测仪)的校准，带平面测试换能器和圆管径向辐射换能器的非金属超声波检测仪均适用于本规范。 2 引用文献 本规范引用下列文献: GB/T7965—2002《声学 水声换能器测量》 GB/T12604.1—2005《无损检测术语 超声检测》 GB/T23900—2009《无损检测 材料超声速度测量方法》 JJG 185-1997 《500Hz~1MHz 测量水听器》 JJG 990-2004 《声波检测仪检定规程》 JJF 1059-1999 《测量不确定度评定与表示》 JJF 1071-2000《国家计量校准规范编写规则》 CECS21:2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》 使用本规范时，应注意使用上述引用文献的现行有效版本。 3 术语与定义 3.1 声时 time of transmitted sound 声波在介质中传播的时间。 3.2 波幅 amplitude 超声脉冲波通过介质后，由接收换能器接收，并由超声波检测仪显示的首波信号幅度。 3.3 衰减 attenuation 超声脉冲波在混凝土中传播时，随着传播距离的增大，由于散射、吸收和声束扩散等因素引起的声压减弱。 - 4 - JJF (闽)1036—2010 3.4 主频 main frequency 在被接收的超声脉冲波各频率成分的幅度分布中，幅度最大的频率值。 3.5 级线性误差 Level linearity error 在规定频率上，指示信号级与期望信号级之差。 注:级线性误差用分贝(dB)表示。 4 概述 超声波检测仪是通过向待测试件发射声脉冲，使其穿过试件，然后接收穿过试件后声脉冲信号，并测量声脉冲信号穿过试件的时间、幅值及频率变化等，以完成对待测试件的无损检测。 带平面测试换能器的超声波检测仪主要用于检测混凝土强度、内部缺陷、裂缝深度等。带圆管径向辐射换能器的超声波检测仪则主要用于跨孔声波透射法检测混凝土灌注桩桩身完整性的检测和大体积混凝土的缺陷检测。 5 计量特性 5. l声时测量相对误差 5.1.1平面测试换能器 电信号测量误差应不大于?0.5%，声信号测量误差应不大于?1.0%. 5.1.2 圆管径向辐射换能器 电信号测量误差应不大于?0.5%，声信号测量误差应不大于?2.0%. 5.2 幅值测量级线性 每10dB误差应不大于?1.5 dB，总线性范围不低于产品技术指标要求。 5.3圆管径向辐射换能器发射谐振频率 径向换能器谐振频率与标称频率的偏差应在?10%范围之内。 5.4 发射电压幅值稳定度 每小时应不大于?5% 5.5 通道隔离度 对于多通道的超声波检测仪，在换能器标称频率处应大于40dB 6 校准条件 - 5 - JJF (闽)1036—2010 6.1 环境条件 室温:(15,35)?; 水温:(15,25)?; 相对湿度:小于85,RH。 6.2标准器及其设备 6.2.1 信号发生器 在测试的频率范围内，能产生连续波信号和猝发音信号。幅值准确度优于0.1dB，谐波失真小于0.5%，测试期间的幅度稳定度优于0.1 dB。 6.2.2 数字示波器 采样频率应高于测量频率的8-10倍，最大的允许误差应不大于?0.1%。 6.2.3 直尺 分度值不大于1mm。 6.2.4 水听器 在测量消声水槽自由场区域、声压反射因数和水池环境噪声的过程中，水听器在所要求的测试频率范围内，基本无方向性，采用球形水听器或小型圆柱型水听器(70 KHz以下自由场电压灵敏度应大于-190 dB)，保证信噪比大于30 dB，在测试期间的水听器自由场灵敏度的稳定度优于?0.02dB。 6.2.5 衰减器 频率范围DC~30MHz;每10 dB误差不超过?0.2dB。 6.2.6 消声水槽 能满足两换能器间距离的远场条件。 6.2.7 温度计 最大允许误差不大于?0.2?。 7 校准项目和校准方法 7.1 校准项目 超声波检测仪声学特性的校准项目见表1。 表1 超声波检测仪校准项目一览表 序号 项目名称 技术指标 1 声时测量相对误差(电信号方法) ?0.5% 2 平面测试换能器声时测量(声信号方法) ?1.0% - 6 - JJF (闽)1036—2010 3 圆管径向辐射换能器声时测量(声信号方法) ?2.0% 4 幅值测量级线性 ?1.5 dB 5 圆管径向辐射换能器的发射谐振频率 ?10% 6 发射电压幅值稳定度 ?5% 7 >40dB 通道隔离度 7.2 校准方法 7.2.1 声时测量的相对误差(电信号方法) 7.2.1.1 校准装置如图1所示。 超声波检测仪 信号发生器 接收 发射 Burst(猝发) 输出 衰减器或分 压电阻 图1 超声波检测仪声时测量(电信号方法)校准装置示意图 7.2.1.2 调节信号发生器，使频率调至换能器标称频率，波数为10。调节猝发音延迟每100µs超声波检测仪做一次声时测量，直至超声波检测仪的测量上限，随着延迟时间的增加，可适当减少波数，以使屏幕中的时间可以完全读出。由电信号方法得到的声时测量相对误差应符合5.1要求。 误差计算公式如下: T,T12L,，100% (1) T2 式中: T-------从超声波检测仪上读出的声时，µs 1 T-------信号发生器的延迟时间，µs 2 L--------电信号的声时误差，% 如:500V的发射电压最好应加衰减40dB 的衰减器。 7.2.2平面测试换能器的声时测量相对误差(声信号方法) 7.2.2.1平面测试换能器声时测量校准装置如图2所示。 - 7 - JJF (闽)1036—2010 支架 发射 接收 图2 平面测试换能器声时测量相对误差(声信号方法)的校准装置示意图 7.2.2.2 将超声波检测仪的发射和接收换能器用耦合剂相连，确保两个换能器之间没有空气和间隙，或按超声波检测仪说明书要求的方法测量出零声时并予以消除(若模拟式超声波检测仪则取50mm所测声时为其零声时)。将两个换能器的辐射面相互对准，使两个换能器的轴线在同一直线上，以间距为100mm、200mm、300mm、400mm、500mm分别对声时进行测量。测量过程中，应保持整体波形为满屏显示的2/3，空气温度变化应不超过?0.5 ?。其声时计算测量值与理论计算值误差不应超过5.1要求。 声时理论计算公式如下: 10.00367，T t = d / (331.4 ) (2) 式中:331.4 -------0?时空气的声速，m/s; T------空气温度，?; d-------两换能器之间的距离，m; t------- 声时的理论计算值，s。 声时误差计算公式如下: T,T12L,，100% (3) T2 式中: T-------声时实测值，µs 1 T-------声时理论值，µs 2 L--------平面测试换能器声信号的声时误差，% 7.2.3 圆管径向辐射换能器的声时测量相对误差(声信号方法) 7.2.3.1 圆管径向辐射换能器声时测量校准装置如图3所示: - 8 - JJF (闽)1036—2010 发射 接收 径向换能器 超声波检测仪 消 声 水 槽 图3 圆管径向辐射换能器声时测量相对误差(声信号方法)的校准装置示意图 7.2.3.2 将两个圆管径向辐射换能器保持其轴线相互平行，置于消声水槽同一水平高度，两个换能器内边缘间距先后调节在 L、L，分别读取相应声时值t、t。由超声1122波检测仪、换能器及其高频电缆所产生的零声时t 应按下式计算: 0 t= (L × tL ×t) / ( L L) (4) ,11,0 1222 式中: L、L及其差值均不小于100mm, L、L测量误差应不大于1% 1 2 1 2 7.2.3.3 将圆管径向辐射换能器放置于消声水槽并全部浸没于水中，两个换能器应处于同一水平面上，消去零声时后，每60mm测量一次声时，共测量5次。测量过程中水中温度变化应不超过?0.5 ?，其声时测量值与理论计算值误差不应超过5.1.2要求。(水中声速见附录A.) 声时理论计算公式如下: t = d / v (5) 式中:d------两换能器内边缘间距，m; v------水中的声速，m/s; t--------声时的理论计算值，s。 T,T12L,，100%声时误差计算公式: (6) T2 式中: T-------声时实测值，µs; 1 T-------声时理论值，µs; 2 L--------圆管径向辐射换能器声信号的声时误差，%。 7.2.4 幅值测量级线性 7.2.4.1幅值测量级线性校准装置如图4所示: - 9 - JJF (闽)1036—2010 超声波检测仪 信号发生器 接收 发射 Burst(猝发) 输出 衰减器或分 压电阻 精密可变衰减器 图4 幅值测量级线性校准装置示意图 7.2.4.2 调节信号发生器的频率为换能器的标称频率，信号发生器输出幅度及衰减器调至适当位置。依次按10dB 增加或减少衰减器的输出值，每次测量应调节超声波检测仪接收信号为满屏的80%， 不少于4次，超声波检测仪幅值测量功能显示的幅值与衰减器改变值之差即为测量级线性的误差。其误差应符合5.2的要求。 7.2.5 圆管径向辐射换能器的发射谐振频率 7.2.5.1 校准装置如图5所示: 示波器 发射 径向换能器 水听器 超声波检测仪 消 声 水 槽 图5 圆管径向辐射换能器的谐振频率校准装置示意图 7.2.5.2 将超声波检测仪的发射电压、采样频率等参数设置在某一档并保持不变，用水听器接收最大声信号所对应的频率，即为径向换能器的谐振频率。调节示波器至适当位置，将光标调至首波前半个周期的波谷(或波峰)，读取声时值t，再将另一光标1调至相邻的波谷(波峰)，读取声时值t，按下式计算出径向换能器的谐振频率f(有2i - 10 - JJF (闽)1036—2010 些示波器可自动计算和显示出两个光标间的声时差值和频率值)。测量得到的频率值 与标称值之差应符合5.3的要求。 f= 1000 / (t,t) (7) 21i 式中:t------前半个周期的波谷(或波峰)的声时值，µs; 1 t------与t相邻的波谷(波峰)的声时值，µs; 2 1 f------ 径向换能器的发射谐振频率，Hz。 i f,f12L,，100%误差计算公式: (8) f2 式中: f-------实测频率，kHz; 1 f-------标称频率，kHz; 2 L--------圆管径向辐射换能器的发射谐振频率误差，%。 7.2.6发射电压幅值稳定度 7.2.6.1发射电压幅值稳定度校准装置如图6所示: 负载 接收 发射 示 波 器 超声波检测仪 图6 发射电压幅值稳定度校准装置示意图 7.2.6.2 将超声波检测仪的发射端经负载与示波器相连，调节超声波检测仪的电压， 用示波器记录下每一档电压的幅值。每隔15min测量一次，共测量5次，其最大值至 最小值相对平均值的幅度变化范围应符合5.4的要求。 V = (V，V，V，V，V )/5 (9) 12345 VA =( V ,V ) / (10) maxmin V 式中: ------5次测量的平均值，V; V-------电压最大值，V; max V-------电压最小值，V; min A-------- 电压稳定度，% 。 - 11 - JJF (闽)1036—2010 7.2.7多通道超声波检测仪的通道隔离度 7.2.7.1多通道超声波检测仪的通道隔离度校准装置如图7所示: 信号发生器 超声波检测仪 Output 接收2 接收1 图7 多通道超声波检测仪的通道隔离度校准装置示意图 7.2.7.2 调节信号发生器的频率为换能器的标称频率，并设置信号发生器的输出为最 大，调节超声波检测仪，使通道1增益最大，并且接收的信号为满屏的80% 。通 道2对地短路，记录下超声波检测仪的幅值A，A，通道隔离度应满足5.5的要12 求。通道隔离度计算公式如下: A = A1 - A2 (11) 式中:A1-----通道1的幅值，dB; A2-----通道2的幅值，dB; A-------通道隔离度，dB。 8 校准结果表达 超声波检测仪经校准后出具校准证书，推荐的校准证书的内页格式见附录B 9 复校时间间隔 超声波检测仪的复校时间间隔建议为一年。然而，复校时间间隔的长短取决于仪器的使用情况(使用部位的重要性、环境条件、使用频率)、使用者、仪器本身质量等诸多因素，因此，客户可根据实际使用情况自主决定复校的时间间隔。 - 12 - JJF (闽)1036—2010 附录A (资料性附录) 水中超声速度随温度的变化 声速 声速 温度 温度 33? ? m/s ×10 in/s m/s ×10 in/s 15.0 1470.6 57.89 20.2 1483.6 58.40 15.2 1471.1 57.91 20.4 1484.1 58.42 15.4 1471.6 57.93 20.6 1484.6 58.44 15.6 1472.1 57.95 20.8 1485.1 58.46 15.8 1472.6 57.97 21.0 1485.6 58.48 16.0 1473.1 57.99 21.2 1486.1 58.50 16.2 1473.6 58.01 21.4 1486.6 58.52 16.4 1474.1 58.03 21.6 1487.1 58.54 16.6 1474.6 58.05 21.8 1487.6 58.56 16.8 1475.1 58.07 22.0 1488.1 58.58 17.0 1475.6 58.09 22.2 1488.6 58.60 17.2 1476.1 58.11 22.4 1489.1 58.62 17.4 1476.6 58.13 22.6 1489.6 58.64 17.6 1477.1 58.15 22.8 1490.1 58.66 17.8 1477.6 58.17 23.0 1490.6 58.68 18.0 1478.1 58.19 23.2 1491.1 58.70 18.2 1478.6 58.21 23.4 1491.6 58.72 18.4 1479.1 58.23 23.6 1492.1 58.74 18.6 1479.6 58.25 23.8 1492.6 58.76 18.8 1480.1 58.27 24.0 1493.1 58.78 19.0 1480.6 58.29 24.2 1493.6 58.80 19.2 1481.1 58.31 24.4 1494.1 58.82 19.4 1481.6 58.33 24.6 1494.6 58.84 19.6 1482.1 58.35 24.8 1495.1 58.86 19.8 1482.6 58.37 25.0 1495.6 58.88 20.0 1483.1 58.38 注:引自GB/T23900—2009《无损检测 材料超声速度测量方法》 - 13 - JJF (闽)1036—2010 附录B (资料性附录) 非金属超声波检测仪校准记录(参考格式) 表B.1校准证书内页格式 共2页 第1页 1. 使用的校准设备 名称 型号规格 检定或校准机构 检定或校准证书 2 . 声时测量(声信号) 2.1平面测试换能器 距离(mm) 100 200 300 400 500 标准值(µs) 实测值(µs) 误差(%) 2.2径向换能器 距离(mm) 60 120 180 240 300 标准值(µs) 实测值(µs) 误差(%) 3(声时测量(电信号) 延迟(µs) 100 200 300 实测值(µs) 误差(%) 4. 径向换能器的谐振频率 标称频率(Hz) 实测频率(Hz) 误差(%) - 14 - JJF (闽)1036—2010 共2页 第2页 5(幅值测量级线性 幅值(dB) 100 110 120 130 实测值(dB) 附录D 起始点以上间隔10dB 最大误差 ; 校准证书(内页内容) 6(电压幅值稳定度 “非金属超声波检测仪校准证书”内页内容至少包括以下: 电压稳定度每小时误差不超过 ; 1、证书编号; 7. 多通道隔离度 2、证书页码; 多通道声波检测仪在换能器标称频率处的隔离度大于 ; 3、校准使用测量设备(名称、设备编号、型号/规格、准确度、证书编号); 4、校准地点; 5、环境条件(温度、相对湿度); 6、校准依据(代号、名称): 7、校准数据/结果: - 15 - JJF (闽)1036—2010 附录C (资料性附录) 不确定度分析实例 非金属超声波检测仪测量结果的评定，主要就是评定平面测试换能器和圆管径 向辐射换能器声时测量结果的不确定度。 C.1 平面测试换能器 C.1.1 数学模型 1，0.00367T= t,d/(331.4) C1 ,t 1 式中: ---- 超声波检测仪的声时测量误差，s; ,t t ---- 超声波检测仪声时测量值，s; 1 d ---- 两换能器之间的距离，m; T ---- 环境温度，?。 式(C1)中，t、d、T之间互为独立，其灵敏系数与方差分别为 2222222 u(,t),c(t)u(t)，c(d)u(d)，c(T)u(T) c11 ,(,t),1c(t) = 1,(t)1 ,(,t),1，0.00367Tc(d) = ,1/(331.4)= -0.0029 ,(d) ,3/2(1/2)(10.00367)0.00367,(,t),d，,，，T，,6,,c(T) = (取0.5，10,(T)331.4 T=20?,d=0.1m) C.1.2 标准不确定度分量的来源与评定 以校准规范中规定的0.1m距离声时测量为例，对超声波检测仪的声时测量误差进 行分析。 C.1.2.1 A类标准不确定度 对平面测试换能器的声时值做10次独立重复测量，在超声波检测仪上读取10次显 示值。 - 16 - JJF (闽)1036—2010 表C.1 测量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 次数 测量 值291.5 291.6 292.0 291.7 291.8 291.6 291.4 291.4 291.6 291.7 us() 根据 n2(x,x),i,1i s(x),n,1 计算其单次测量实验标准偏差为u(t)==0.18µs。 s(x)1 C.1.2.2 B 类标准不确定度 1 ) 直尺本身的不确定度为0.1，k=2，则 ,3u,U/k,0.1/2,0.05，10m 1 2) 测量100mm 距离引入的不确定度为0.2mm，k=2，则 ,3u,U/k,0.2/2,0.1，10m 2 uu ，分量独立无关，合成不确定度为 12 22,3 = u(d),u，u0.11，10m12 3) 温度计本身的不确定度为0.2? ，k=2，则 u,U/k,0.2/2,0.1 ? 1 4) 温度测量引入的不确定度为0.2?，k=2，则 u,U/k,0.2/2,0.1 ? 2 uu ，分量独立无关，合成不确定度为 12 22 u(T),u，u = 0.14? 12 C.1.3 合成标准不确定度 以上分量独立无关，所以合成不确定度为 2222222u(,t),c(t)u(t)，c(d)u(d)，c(T)u(T) c11 - 17 - JJF (闽)1036—2010 222 u(,t),(0.18)，0.319，0.07,0.37,sc C.1.4 扩展不确定度 取包含因子 k=2，则扩展不确定度: U,ku(,t),2，0.37,0.74,s c C.2径向换能器 C.2.1 数学模型 ,t,t,d/v C2 1 式中: ----超声波检测仪的声时测量误差，s; ,t t ---- 超声波检测仪声时测量值，s; 1 v ---- 声波在水中的声速，m/s; d ---- 两径向换能器的内边缘的间距，m。 vt式(A1)中，、d、之间互为独立，其灵敏系数与方差分别为 1 2222222 u(,t),c(t)u(t)，c(d)u(d)，c(v)u(v) c11 ,(,t),1c(t) = 1,(t)1 ,(,t),5,vc(d) = ,1/ = (水中温度参照附录A,这里取25?时的声速0.67，10,(d) v=1495.6m/s) ,(,t),d,9,vc(v) = , (取d=0.06m，=1495.6m/s) 0.27，102,(v)v C.2.2 标准的不确定度分量的来源与评定 以校准规范中规定0.06m的测量距离为例，对径向换能器在水中的声时测量误差 进行分析。 C.2.2.1 A类标准不确定度 对径向换能器的声时值在消声水槽中做10次独立重复测量，在超声波检测仪 上读取10次显示值。 - 18 - JJF (闽)1036—2010 表C.2 测量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 次数 测量 值40.2 40.1 39.8 40.3 40.1 40.6 40.4 40.3 40.4 40.5 us() 根据 n2(x,x),i,1i s(x),n,1 计算其单次测量实验标准偏差为u(t)==0.23。 s(x),s1 C.2.2.2 B类标准不确定度 1 ) 直尺本身的不确定度为0.1m，k=2，则 ,3u,U/k,0.1/2,0.05，10m 1 2) 测量60mm 距离引入的不确定度为0.3mm，k=2，则 ,3u,U/k,0.3/2,0.15，10m 2 uu ，分量独立无关，合成不确定度为 12 22,3 = u(d),u，u0.16，10m12 22c(v)u(v)v取水中的温度25?时的声速=1495.6 m/s，故不确定度分量及温度的 不确定度可忽略不计， C.2.3 合成标准不确定度 以上分量独立无关，所以合成不确定度为 22222u(,t),c(t)u(t)，c(d)u(d) c11 22 u(,t),(0.23)，0.001,0.23,sc C.2.4 扩展不确定度 取包含因子 k=2，则扩展不确定度: U,ku(,t),2，0.23,0.46,s c - 19 - JJF (闽)1036—2010 - 20 -