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1、 ICS 77.040.20 CCS H 26 团 体 标 准 T/CSTM 004232022 无损检测 中低频磁致伸缩超声导波检测设备的性能与验证 Non-destructive testing Characterization and verification of low and medium frequency ultrasonic guided wave testing equipment based on magnetostrictive effect 2022-12-09 发布 2023-03-09 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 T/CSTM 004232022 I 前
2、言 本文件参照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由中国材料与试验团体标准委员会无损检测技术及仪器领域委员会（CSTM/FC94）提出。本文件由中国材料与试验团体标准委员会无损检测技术及仪器领域委员会（CSTM/FC94）归口。T/CSTM 00423-2022 1 无损检测 中低频磁致伸缩超声导波检测设备的性能与验证 1 范围 本文件规定了中低频磁致伸缩超声导波仪器、传感器及组合性能的测试方法和验收准则。本文件适用于采用 FeCo、FeNi、FeGa
3、等磁致伸缩带材作为换能材料的超声导波检测仪器，其工作频率在 5kHz 至 300kHz 范围内且具有 A 扫描和 B 扫描功能的超声导波检测仪器和传感器。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 12604.1 无损检测 术语 超声检测 GB/T 20737 无损检测 通用术语和定义 GB/T 28704 无损检测 磁致伸缩超声导波检测方法 GB/T 31211 无损检测 超声导波检测 总则 3 术语和定义 GB/T 1260
4、4.1、GB/T 20737、GB/T 28704 和 GB/T31211 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 盲区 dead zone 距离传感器的一段区域，仪器无法检测到此区域中出现的截面积变化的结构特征，如焊缝、法兰、支架和腐蚀等。3.2 纵向分辨力 axial resolution 导波信号中在传播方向上两个反射体之间的最小可分辨距离。3.3 横向分辨力 lateral resolution 导波B扫描检测信号图中在垂直于导波传播方向上两个反射体之间的最小可分辨距离。4 概述 中低频磁致伸缩超声导波检测设备由导波检测仪器和传感器组成，其中导波检测仪器包含两个发射T/CSTM
5、004232022 2 通道、两个接收通道及控制模块。超声导波检测设备应具有方向控制功能，其系统组成如图 1 所示。图1 典型磁致伸缩超声导波检测设备的系统组成 5 检测设备性能 5.1 检测仪器 5.1.1 激励模块 5.1.1.1 激励信号波形：应与仪器制造商提供的参考波形一致。5.1.1.2 激励信号电压：250V，误差不大于 10%。5.1.1.3 激励信号频率：5kHz300kHz，分辨力不小于 1kHz。5.1.2 接收模块 5.1.2.1 增益范围：60dB。5.1.2.2 放大器的频率响应：中心频率应在制造商规定的技术指标的5%内；带宽应在制造商规定的技术指标的10%内。5.2
6、 传感器 5.2.1 回波波形：回波的脉冲宽度误差的最大允许值为制造商规定的技术指标的10%。5.2.2 中心频率及带宽：中心频率应在标称中心频率的10%内；带宽应在标称带宽的15%内。5.3 组合设备 5.4.1 距离波幅曲线测试：校准试件 1 中横截面损失比为 1%的通孔的测量误差不超过10%。5.4.2 灵敏度及信噪比：可检测出校准试件 1 中横截面损失比为 1%的通孔，且信噪比不低于 6dB。5.4.3 方向控制：传感器标称的检测频率或扫频范围内的方向控制性不低于 3。6 检验条件 T/CSTM 00423-2022 3 6.1 环境条件 6.1.1 环境温度：1530。6.1.2 相
7、对湿度：85%RH。6.2 检验器具 6.2.1 数字示波器：带宽不小于 100MHz，带有 FFT 功能。6.2.2 函数信号发生器：频率范围 100Hz2MHz；带有猝发音功能，猝发音包含的正弦波或脉冲波个数不少于 10 个。6.2.3 标准衰减器：衰减范围 080dB 可调；频率范围 02MHz；输出阻抗为 50。6.2.4 50无感电阻：阻值相对误差1%。6.3 试件 校准试件用于检测设备性能的测试。各校准试件要求如下：a)校准试件 1：公称直径为 DN200，壁厚为 6mm，长度为 3000mm，材质为碳钢的无缝钢管，并设置两个横截面损失比为 9%的横向环形切槽，一个横截面损失比为
8、1%的通孔，如图 2 所示；标引序号说明：1样管；2粘贴好的磁致伸缩带材；3横截面损失比为 9%的横向环形切槽 1；4横截面损失比为 1%的通孔；5横截面损失比为 9%的横向环形切槽 2。图2 校准试件 1 b)校准试件 2：公称直径为 DN200，壁厚为 6mm，长度为 3000mm，材质为碳钢的无缝钢管。设置两个横截面损失比为 1%的通孔，两个通孔在管道周向相差 180 度，如图 3 所示；T/CSTM 004232022 4 标引序号说明：1样管；2粘贴好的磁致伸缩带材；3横截面损失比为 1%的通孔 1；4横截面损失比为 1%的通孔 2，与通孔 1 在周向位置相差 180；5通孔设置区域
9、；6导波的纵向分辨力。图3 校准试件 2 c)校准试件 3：长宽均为 1500mm，厚度为 6mm，材质为碳钢的平板，并设置两个直径为 4mm的通孔，如图 4 所示；标引序号说明：1样板；2粘贴好的磁致伸缩带材；3B 扫描传感器；4两个直径为 4mm 的通孔；导波 B 扫描的横向分辨力。图4 校准试件 3 d)校准试件 4：公称直径为 DN200，壁厚为 6mm，长度为 3000mm，材质为碳钢的无缝钢管。设置一个横截面损失比为 1%的通孔，如图 5 所示。T/CSTM 00423-2022 5 标引序号说明：1样管；2粘贴好的磁致伸缩带材；3横截面损失比为1%的通孔；4缺陷设置距离，计算公式
10、为：盲区+通孔直径/2。图5 校准试件 4 校准试件中横向环形切槽的宽度在在 0.5mm2mm 的范围内，深度方向的公差不大于0.2mm，通孔的直径误差不大于0.1mm，切槽及通孔的位置误差不大于1mm。7 检验项目和检验方法 7.1 外观检查 目测检测仪器、传感器的外观，检查是否存在影响正常工作及未来可靠性的外部损伤。7.2 检测仪器 7.2.1 激励信号电压 连接示波器至超声导波仪器的发射输出端 ，并在输出插座连接一个50无感电阻。检查示波器测量探头的设置档位，使示波器的耐压高于仪器的发射电压。按照常用导波检测状态，设置仪器的发射频率和脉冲周期数，并将发射脉冲调至最大输出电压。用示波器测量
11、发射脉冲电压V50，如图6所示。图6 脉冲波形的峰峰值及周期 T/CSTM 004232022 6 7.2.2 激励信号频率 按7.2.1方式将示波器连接至超声导波仪器的发射端。由低到高调节仪器的激励信号频率，至少选择最低发射频率、常用发射频率、最高发射频率作为测试点，利用示波器的FFT功能测量发射脉冲的频率值，并按公式（1）计算脉冲频率的相对误差Fdif：dif100%dmdFFFF （1）式中：频率标称值；频率测量值。7.2.3 放大器的频率响应 按图 7 所示方式，将信号发生器、标准衰减器和示波器与被测超声导波仪器连接。信号发生器选择正弦波输出波形，脉冲周期数按常用检测状态设置。调节信号
12、发生器的脉冲输出频率使在仪器显示器上显示的波形达到最强。然后调节标准衰减器和/或仪器增益，将显示信号调整至满屏的 80%，记录此时标准衰减器的衰减读数。改变信号发生器输出脉冲信号的频率，以不大于 1kHz 的步距，依次从最大信号幅度所对应的频率max提高和降低频率，分别找到信号从满屏 80%下降 3dB 所对应的上限频率值和下限频率值，并通过减少标准衰减器 3dB 的衰减量使信号幅度返回至满屏 80%加以验证。记录此时的值和值，并按公式（2）和公式（3）计算超声导波仪器放大器的中心频率 f0和带宽。02ulfff （2）（3）T/CSTM 00423-2022 7 标引序号说明：1超声导波仪器
13、显示器；2超声导波仪器；3脉冲信号发生器；4输出端；5触发端；6标准衰减器；7示波器；8时基触发端；9测试端。图7 测试设备连接图 7.3 传感器 7.3.1 回波波形 7.3.1.1 概述 本测试的目的是为了检验传感器回波波形是否正常。7.3.1.2 检验方法 按图2所示位置将传感器安装到试件1上，并与超声导波仪器相连接。根据传感器的标称中心频率 和要求的脉冲周期数N设置仪器的激励参数。调整超声导波仪器的发射功率和增益，使试件1上9%横截面损失比的环形切槽1的回波幅值达到仪器显示器满屏的80%。观察回波波形与设备供应商提供的回波波形是否一致，必要时可利用仪器本身的图像记录功能记录该波形。7.
14、3.2 中心频率及带宽 7.3.2.1 概述 此项目用于测定每个频段的传感器结合超声导波组合设备工作的中心频率及其频率带宽。7.3.2.2 检测方法 按图2所示位置将传感器安装到试件1上，并与超声导波仪器相连接。根据传感器的标称中心频率 和要求的波形周期数N设置仪器的激励参数。通过调整超声导波仪器的增益和输出功率，使试件1上9%横截面损失比的环形切槽1的回波幅值达到仪器显示器满屏的80%。通过调整超声导波仪器的激励频率，查找到使得回波幅值下降-6dB的最高频率 和最低频率，传感器的中心频率 可由公式（4）计算：02puplpfff （4）带宽 由公式（5）计算：ppuplfff （5）相对带宽
15、的百分数 ，由公式（6）计算：0100%puplprelpffff （6）7.3.3 纵向分辨力 7.3.3.1 概述 本测试的目的是为了检验超声导波仪器、A扫描或B扫描传感器组合设备的纵向分辨力。T/CSTM 004232022 8 7.3.3.2 检验方法 按图3所示位置将传感器安装到试件2上，并与超声导波仪器相连接。在试件2的指定区域内设置两个横截面损失比均为1%的通孔，两个通孔纵向中心距离等于纵向分辨力，距离误差在1mm范围内，且两个通孔在周向上间隔180度。根据传感器的标称中心频率 和要求的波形周期数N设置仪器的激励参数，调整超声导波仪器的功率和增益，使试件2上横截面损失比为1%通孔
16、的回波幅值达到仪器显示器满屏的80%。取两个通孔的回波幅值较大者，绘制一条为该幅值高度50%10%（-6dB）的截止直线，观测两个通孔的回波能否完全独立分开。7.3.4 横向分辨力 7.3.4.1 概述 本测试的目的是为了检验带有B扫描功能的超声导波仪器及B扫描传感器组合设备的横向分辨力。7.3.4.2 检验方法 按图4所示位置将传感器安装到试件3上，并与超声导波仪器相连接。在试件3的指定区域内设置两个4mm0.1mm直径的通孔，两个通孔横向中心距离应等于横向分辨力，距离误差在1mm范围内。根据传感器的标称中心频率 和要求的波形周期数N设置仪器的激励参数，调整超声导波仪器的功率、增益及传感器的
17、横向位置，使试件3上的 4mm直径通孔的回波幅值达到仪器显示器满屏的80%。按照常用导波检测状态，设置B扫描传感器的扫查步长S，且横向扫描的范围需完全覆盖两个4mm的通孔，扫描完成后绘制出B扫描图。取B扫描图中两个通孔的回波幅值较大者，绘制一条为该幅值高度50%10%（-6dB）的截止直线，观测两个通孔回波波包是否可以完全独立分开，其示意图如图8所示 图8 横向分辨力示意图 7.4 组合设备 7.4.1 检测盲区 T/CSTM 00423-2022 9 按图5所示位置将传感器安装到试件4上，并与超声导波仪器相连接。在试件4的指定区域内设置一个横截面损失比为1%的通孔，通孔距离传感器应等于盲区，
18、距离误差在1mm范围内。根据传感器的标称中心频率 和要求的波形周期数N设置仪器的激励参数，调整超声导波仪器的功率和增益，使试件4上的横截面损失比为1%的通孔的回波幅值达到仪器显示器满屏的80%，测量出回波波形的宽度L与高度h，如图9所示。测试获得的回波波形的宽度L应在制造商给出的技术指标10%范围内。图9 典型的超声导波回波波形 7.4.2 距离-幅值曲线测试 按图2所示位置将传感器安装到试件1上，并与超声导波仪器相连接。根据传感器的标称中心频率 和要求的脉冲周期数N设置仪器的激励参数。调整超声导波仪器的发射功率和增益，使试件1上9%横截面损失比的环形切槽1的回波幅值达到仪器显示器满屏的80%
19、，并根据两个横截面损失比为9%的横向环形切槽绘制距离-幅值曲线，如图10所示。对横截面损失比为1%的通孔进行距离-幅值曲线定量分析，获得其横截面损失比测量值。标引序号说明：X导波声程，单位：米；Y导波信号幅值；1判废线；T/CSTM 004232022 10 2评定线；3记录线；4背景噪声线。图10 DAC 曲线示意图 7.4.3 灵敏度及信噪比 超声导波测试信号的采集方法见7.4.2。根据采集到的信号，获取横截面损失比为1%的通孔的信号幅值 ，同时记录在距离通孔0.3米范围内的背景噪声幅值 ，必要时可通过图像的方式记录该波形，按公式（7）计算出信噪比。20lgsnVdBV （7）7.4.4
20、方向控制性 按图2所示位置将传感器安装到试件1上，并与超声导波仪器相连接。根据传感器的标称中心频率 和要求的脉冲周期数N设置仪器的激励参数。调整超声导波仪器的发射功率和增益，使试件1上9%横截面损失比的环形切槽1的回波幅值达到仪器显示器满屏的80%，并记录该切槽回波幅值 。然后仪器采用相同激励和接收参数对试件1进行反方向检测，并记录反方向上镜像波的幅值 ，并通过公式（8）计算获得频率为 时的方向控制性参数。000fsetfsetfsetVDV （8）对于具有扫频功能的超声导波仪器及其检测传感器，应在其带宽范围内按照其扫频步长进行扫频测试，选择适当的频率测试点，但整个频率范围或各个不连续频段的最
21、低和最高的频率点为必选，并通过公式（9）计算获得各个频率下的方向控制参数。fififiVDV （9）式中：频率为 的方向控制参数；频率为 的切槽回波幅值；频率为 的切槽镜像波幅值；T/CSTM 00423-2022 11 附录 A（资料性）起草单位和主要起草人 本文件起草单位：浙江大学、中国特种设备检测研究院、浙江大学湖州研究院、杭州浙达精益机电技术股份有限公司、中特检仪器（嘉兴）有限公司、中北大学、北京工业大学、清华大学、天津大学、浙江省特种设备检测研究院。本文件主要起草人：唐志峰、郑阳、吕福在、陈会明、张宗健、周进节、吕炎、黄松岭、李素军、张鹏飞、伍建军、谭继东、骆苏军、凌张伟、夏立、刘洋、寇治国、杨斌。_