CN108680651A - 脉冲反射式超声设备的检定/校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种脉冲反射式超声设备的检定/校准系统，包括将待测设备的输出信号转化为触发信号的匹配器；将所述触发信号转化为相应的模拟信号的函数信号发生器；以及用于改善所述模拟信号的衰减器；所述匹配器包括：至少具有低压模式和高压模式的电压匹配模块；至少具有不同工作参数的第一工作模式、第二工作模式以及第三工作模式的DDS信号源；用于调节所述电压匹配模块和所述DDS信号源至相应模式的控制模块。此外本申请还公开了脉冲反射式超声设备的检定/校准方法。本申请提供的检定/校准系统和方法能够采用一套专用匹配器并依据不同规程和标准的要求输出符合函数信号发生器的DDS信号，其根据待测设备调整自身频率，以保证相应时间。

Description

脉冲反射式超声设备的检定/校准系统及方法

技术领域

本发明涉及脉冲反射式超声设备检定/校准系统及方法，特别涉及声波检测仪检定/校准和超声探伤仪检定/校准。

背景技术

声波检测仪的发展和计量现状：

当前超声波被广泛应用于无损探伤这一领域，声波检测仪主要应用于混凝土、岩体及岩芯式样、陶瓷、石墨等非金属材料与结构的声波或超声无损检测，可进行强度检测、结构内部缺陷检测、裂缝检测、结合面质量与破损层厚度检测、匀质性检测等。对于声波检测仪的计量工作十分重要，依据JJG 990-2004《声波检测仪检定规程》对声波检测仪的各项性能指标的规定，必须利用电信号模拟实际声信号来分析、确定声波检测仪的各项性能指标是否符合检定规程。

声波检测仪的工作原理是利用高压脉冲激励具有固定频率的晶片，从而产生相应频率的超声波，利用超声波对不同物质的声速不一样，回声也不相同的原理来判断物质特性及裂缝等特性。因此应用电信模拟声信号，就必须通过一个高压脉冲匹配器转换与标准信号源匹配的信号，才能检定/校准各项电信号指标。目前，全国范围内对声波检测仪的计量检测大多都局限在空气(或水)声中进行小声时的计量。并且多数计量机构都只能校准声波仪的声时。

超声探伤仪的发展和计量现状：

超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷(裂纹、疏松、气孔、夹杂等)的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。广泛应用在锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、管道、军工、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力、高校等行业。随着数字技术的发展，数字超声探伤仪已经广泛应用了，所以对数字探伤仪的性能检定、校准、检验也是计量非常重要的一环。

2005年国家颁布最新标准《GB/T10061-1999：A型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件》。在这部新标准启用的同时，还颁布了《JJG746-2004超声波探伤仪检定规程》。国家首次对数字超声波探伤仪的检定规程作了详细解释。对数字探伤仪的计量要求相对模拟探伤仪的要求较高，因此对计量标准器的要求也相应提高。目前国内对超声探伤仪的计量多数采用的标准器是中测院研制的超声探伤仪检定装置，此装置对数字探伤仪的计量具有一定局限性，特别是其仅能够按照《JJG746-2004超声波探伤仪检定规程》的标准进行检定/校准，不能够按照欧标EN 12668进行校准。

其他脉冲反射式超声设备的计量现状：

超声设备大多数都是通过高压脉冲激励超声换能器输出超声波，再通过检测反射回来的超声波进行分析实现检测仪的，此类超声设备具有共同的特点，但是目前尚未制定检定规程。

基于此，目前亟待解决的是提供一种能够对于声波检测仪、超声探伤仪以及其他脉冲反射式超声设备进行检定/校准的系统及方法，该系统及方法不仅能够适用于不同的脉冲反射式超声设备，而且能够适用于不同的检定规程。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种脉冲反射式超声设备的检定/校准系统，其特征在于，包括：

将待测设备的输出信号转化为触发信号的匹配器；

将所述触发信号转化为相应的模拟信号的函数信号发生器；以及

用于改善所述模拟信号的衰减器；

所述匹配器包括：

至少具有低压模式和高压模式的电压匹配模块；

至少具有不同工作参数的第一工作模式、第二工作模式以及第三工作模式的DDS信号源；

用于调节所述电压匹配模块和所述DDS信号源至相应模式的控制模块。

在本发明的一些实施方式中，所述函数信号发生器具有可调的延时时间、频率和幅值。

在本发明的一些实施方式中，当所述DDS信号源处于第二工作模式时，其频率根据如下关系设置：以及

当所述DDS信号源处于第三工作模式时，其频率根据如下关系设置：以及

其中，s：仪器设定的声程；

v：仪器设定的声速；

t：时间；

f：需要设定的DDS信号源的频率。

在本发明的一些实施方式中，所述控制模块采用STC89C52RC单片机。

此外，本发明提供了一种脉冲反射式超声设备的检定/校准方法，包括：

将待测设备的输出信号通过匹配器转化为触发信号，所述匹配器至少包括具有不同工作参数的第一工作模式、第二工作模式以及第三工作模式的DDS信号源，以使得所述输出信号能够转化为与之对应的触发信号；

将所述触发信号通过函数信号发生器转化为相应的模拟信号；

通过衰减器改善所述模拟信号。

在本发明的一些实施方式中，所述匹配器包括至少具有低压模式和高压模式的电压匹配模块以及用于调节所述电压匹配模块和所述DDS信号源至相应模式的控制模块，所述匹配器能够根据待测设备的声程和声速改变自身的频率。

本发明提供的脉冲反射式超声设备的检定/校准系统及方法主要优点如下：

1、研制了一套专用匹配器，此匹配器能够有效地匹配脉冲反射式超声设备的发射信号，并依据不同规程和标准的要求输出符合函数信号发生器的DDS信号。

2、研究了基于函数信号发生器触发模式下的脉冲反射式超声设备的检定/校准系统和方法。其中完成了声波检测仪、超声探伤仪按JJG746和EN12668检定/校准的方法，并通过实践获得验证，也研究了声速测定仪的校准方法。

3、本项目实现了超声探伤仪数字化检定/校准。目前国内对超声探伤仪的检定和校准用的超声探伤仪检定装置是采用可调电位器进行调节水平线性的，这种方法的不确定度比较大，而且在改变声程的时候，始波的位置会随着声程的变化而改变，同时其能调节的最大的声程比较有限。本发明的匹配器能够对声程和声速之间的关系进行计算，改变声程或声速最终计算具体的频率，始波的位置决定于整个匹配器电路硬件的响应时间，保持稳定，不至于改变。所以采用数字化之后的匹配器，校准数字超声探伤仪的指标非常有必要。

附图说明

图1为本本发明提供的脉冲反射式超声设备的检定/校准系统框架图；

图2为匹配器的框架组成图；

图3为匹配器原理图；

图4为单片机控制编程框图；

图5为声波检测仪检定/校准LabVIEW程序框图；

图6为超声探伤仪检定/校准LabVIEW程序框图；

图7为声波检测仪检定/校准系统框图；

图8为超声探伤仪检定/校准系统。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻的理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1～图3分别为本发明提供的脉冲反射式超声设备的检定/校准系统框架图、匹配器的框架组成图以及匹配器原理图。该检定/校准系统包括依次连接的匹配器、函数信号发生器以及精密衰减器。其中，匹配器包括电压匹配模块、DDS(直接数字频率合成DirectDigital Synthesis)信号源以及控制模块。进一步地，该匹配器还可以包括键盘输入模块和显示模块。

具体而言，匹配器用于将待测设备的输出信号转化为触发信号，函数信号发生器将所述触发信号转化为相应的模拟信号，衰减器用于改善所述模拟信号。

函数信号发生器的选择关系到该检定/校准系统的性能指标，其可以采用进口安捷伦33250A型函数信号发生器，此型号函数信号发生器具有失真度小，幅值准确度高，频率准确度高等特点，完全能够符合要求。

衰减器选择精密衰减器，分辨率0.1dB，频率范围DC～30MHz。

DDS信号源具有不同工作参数的第一工作模式、第二工作模式以及第三工作模式，该DDS信号源根据不同的规程、标准中规定的功能要求，输出不同的触发信号给函数信号发生器，进而再通过函数信号发生器产生高精度的模拟信号，实现信号模拟进行检定、校准或性能检验。DDS技术能够把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。

本实施例中采用DDS信号源主要功能是根据需求输出不同频率的脉冲信号，此脉冲信号在不同的规程和标准之间要求不同，同时跟待测超声设备的参数也不同，经过单片机的计算，可以准确地控制DDS信号源输出脉冲的频率和幅值。

电压匹配模块至少具有低压模式和高压模式以使得待测设备的脉冲能够和函数信号发生器的输入端相匹配。

控制模块可以采用STC89S52RC单片机，根据复杂的参数和算法对所述电压匹配单元和所述DDS信号源编程控制，即用于调节所述电压匹配模块和所述DDS信号源至相应模式。

由于该检定/校准系统是多个规程、标准共同使用的，所以对匹配后续电路还需针对不同的规程和标准进行控制编程，这就需要有明确的显示部分，特别是超声探伤仪中的声速、声程参数的设定。因此，可以采用普通的、简单、有效的显示模块——LCD1602液晶屏。

如图4所示，其显示了单片机控制编程框图，即控制模块能够根据需要控制DDS信号源进入不同的工作模式。例如上述的第一工作模式为声波仪模式，第二工作模式为探伤仪JJG746模式(符合《JJG746-2004超声波探伤仪检定规程》)，第三工作模式为探伤仪EN12668模式(符合欧标EN12668)。

当选择第一工作模式(声波仪模式)时，由于声波检测仪激励的脉冲为高压脉冲，有正脉冲也有负脉冲，所以当用户端通过按键选择了声波检测仪检定/校准模式后，可以通过单片机选择为高压模式，此模式下，匹配器会自动匹配正/负高压脉冲，同时匹配声波检测仪输出端的脉冲信号。

结合图5，其显示了在选择第一工作模式时，对于函数信号发生器相关参数的设定方法。具体地，控制延时功能在该检定/校准系统中是极其关键的，声波检测仪的声时检定/校准主要是通过信号源的延时实现。在LabVIEW的33250A的函数库中Congfigure Burst.vi函数，就可以设置33250A触发输出的相应功能，比如外部触发、TTL电平上升沿触发、触发后输出几个周期信号等。调用库中CongfigureTrigger.vi函数，即可以改变延时时间。只需要调用上述两个函数就可以实现对33250A的触发延时输出的设置和延时时间设定。为了检定声波检测仪的频响特性和幅值线性就需要改变输出信号的频率和幅值，在LabVIEW的33250A的函数库中Congfigure Standard Waveform.vi函数就是用来设置信号源输出的信号频率和幅值特性的函数，通过对函数频率接口和幅值单位、幅值大小接口进行编程即可设定频率和幅值大小。

如图6所示，其显示了在选择第二或者第三工作模式时，对于函数信号发生器相关参数的设定方法，其基本设置方式和前述相同，因此不在赘述。特别需要说明的是，当选择第二工作模式(探伤仪JJG746模式)或第三工作模式(探伤仪EN12668模式)时，涉及到被校准的超声探伤仪的参数有声速和声程，这就需要通过计算声速和声程与控制DDS信号源脉冲频率的关系，根据JJG 746中的要求，在满屏中需要显示11个超声回波，根据回波的位置进行判定声程中水平线性误差，所以频率与声速和声程的关系推导如下：

如果依据EN12668.1进行校准时，上述公式为：

式中：s：表示仪器设定的声程，单位：m；

v：表示仪器设定的声速，单位：m/s；

t：表示时间，单位：s；

f：表示需要设定DDS的频率，单位：Hz。

声波检测仪检定/校准方法

1、空气声时/水声时的检定/校准

空气声时的校准采用50kHz的平面换能器在空气声调节装置进行，每60mm一个点进行校准，空气声时的误差要求在±1％以内。

2、电声时检定/校准

电声时的检定/校准是采用33250A模拟声时的一种方法，先将匹配器的模式调整至第一工作模式(声波仪模式)，接线框图如图7

电声时采用33250A的触发延迟模式，可以通过电脑控制，也可以通过手动模式调节延迟时间，每500μs一个声时点进行检定/校准，电声时的误差要求在±0.5％以内。

3、幅值线性和频率响应的检定/校准

采用33250A的幅值和频率的调整进行每一项校准，同时采用精密衰减器进行幅值的辅助调节，依据JJG990一项一项进行校准。

超声探伤仪检定/校准方法：

1、水平线性检定/校准

超声探伤仪的水平线性检定/校准根据依据标准不同，选择匹配器的模式，接线框图如图8所示。

如果依据JJG746进行检定/校准模式时，水平线性的检定/校准采用频率为2.5MHz或者被检仪器的设定频率，将仪器显示幅值为80％，设定被检仪器的声速和声程，或者设定匹配器的声速和声程使得被检仪器与匹配器参数一致，同时调节仪器中探头零位，使得屏幕中11个触发信号与能与屏幕的等分线重合；改变声程，检定/校准不同声程下面的水平线性误差。

如果依据欧标EN12668.1进行校准，匹配器模式调节至欧标模式，操作方法同上，21个脉冲与屏幕等分线重合，改变声程，校准不同声程下的时间线性误差。

2、衰减误差、垂直线性等指标的检定/校准

接线如图8所示，衰减误差和垂直线性误差均采用33250A幅值或精密衰减器进行校准。改变33250A的幅值或精密衰减器的衰减量与仪器的增益或百分量进行校准。

欧标的接收频响

频响的指标校准主要依据33250A改变频率进行，设定好仪器所需要校准的频带，调整好衰减器使得仪器屏幕的信号幅值在80％位置，增大3dB信号幅度，改变频率使得仪器显示信号为80％，此时实测的频带为该频带的3dB频响。

其他超声设备的校准——超声声速测定仪：

以超声声速测定仪为例，其校准接线和图7、图8相同。

声速测定仪的校准主要的指标为超声声速，声速的计算公式如下：

式中：s：表示仪器设定的距离，单位：m；

t：表示33250A触发延时时间，单位：s；

v：表示超声速度测定仪的速度显示值，单位：m/s。

所以采用专用匹配器匹配后的信号触发函数信号发生器进行模拟超声波在材料中传播的时间来进行声速的校准，此系统电信号模拟声速测量的误差可以达到±0.5％以内。

Claims (9)

1.脉冲反射式超声设备的检定/校准系统，其特征在于，包括：

将待测设备的输出信号转化为触发信号的匹配器；

将所述触发信号转化为相应的模拟信号的函数信号发生器；以及

用于改善所述模拟信号的衰减器；

所述匹配器包括：

至少具有低压模式和高压模式的电压匹配模块；

至少具有不同工作参数的第一工作模式、第二工作模式以及第三工作模式的DDS信号源；

用于调节所述电压匹配模块和所述DDS信号源至相应模式的控制模块。

2.根据权利要求1所述的脉冲反射式超声设备的检定/校准系统，其特征在于：所述匹配器能够根据待测设备的声程和声速改变自身的频率。

3.根据权利要求1所述的脉冲反射式超声设备的检定/校准系统，其特征在于：所述函数信号发生器具有可调的延时时间、频率和幅值。

4.根据权利要求2所述的脉冲反射式超声设备的检定/校准系统，其特征在于：

当所述DDS信号源处于第二工作模式时，其频率根据如下关系设置：以及

当所述DDS信号源处于第三工作模式时，其频率根据如下关系设置：以及

其中，s：仪器设定的声程；

v：仪器设定的声速；

t：时间；

f：需要设定的DDS信号源的频率。

5.根据权利要求2所述的脉冲反射式超声设备的检定/校准系统，其特征在于：所述控制模块采用STC89C52RC单片机。

6.脉冲反射式超声设备的检定/校准方法，包括：

将待测设备的输出信号通过匹配器转化为触发信号，所述匹配器至少包括具有不同工作参数的第一工作模式、第二工作模式以及第三工作模式的DDS信号源，以使得所述输出信号能够转化为与之对应的触发信号；

将所述触发信号通过函数信号发生器转化为相应的模拟信号；

通过衰减器改善所述模拟信号。

7.根据权利要求6所述的超声设备的检定/校准方法，其中：

所述匹配器包括至少具有低压模式和高压模式的电压匹配模块以及用于调节所述电压匹配模块和所述DDS信号源至相应模式的控制模块，所述匹配器能够根据待测设备的声程和声速改变自身的频率。

8.根据权利要求6所述的超声设备的检定/校准方法，其中：

所述函数信号发生器具有可调的延时时间、频率和幅值。

9.根据权利要求7所述的超声设备的检定/校准方法，其中：

当所述DDS信号源处于第二工作模式时，其频率根据如下关系设置：以及

当所述DDS信号源处于第三工作模式时，其频率根据如下关系设置：以及

其中，s：仪器设定的声程；

v：仪器设定的声速；

t：时间；

f：需要设定的DDS信号源的频率。