JJF1731-2018超声C扫描设备校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 7 3 12 0 1 8超声C扫描设备校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rU l t r a s o n i cCS c a nE q u i p m e n t s 2 0 1 8 - 1 2 - 2 5发布2 0 1 9 - 0 3 - 2 5实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布市场监管总局市场监管总局超声C扫描设备校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rU l t r a s o n i cCS c a nE q u i p m e n t sJ J F1 7 3 12 0 1 8 归 口 单 位:全国声学计量技术委员会 起 草 单 位:中国计量科学研究院奥瑞视 ( 北京)科技有限公司北京化工大学北京长城计量测试技术研究所 本规范委托全国声学计量技术委员会负责解释J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局本规范起草人:邢广振 ( 中国计量科学研究院)阙开良 奥瑞视 ( 北京)科技有限公司祝海江 ( 北京化工大学)王洪博 ( 北京长城计量测试技术研究所)杨 平 ( 中国计量科学研究院)J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语和计量单位(1)3 . 1 A轴(1)3 . 2 B轴(1)3 . 3 W轴(1)3 . 4 轴线行程(1)3 . 5 轴线单向定位精度(1)3 . 6 轴线双向定位精度(2)3 . 7 轴线单向重复定位精度(2)3 . 8 轴线双向重复定位精度(2)3 . 9 系统标称灵敏度下信噪比(2)3 . 1 0 系统综合机械误差(2)3 . 1 1 图像过渡区域(2)3 . 1 2 图像畸变系数(2)3 . 1 3 扫查轴机械误差系数(2)4 概述(2)5 计量特性(2)5 . 1 水平线性误差(2)5 . 2 垂直线性误差(2)5 . 3 衰减器衰减误差(3)5 . 4 动态范围(3)5 . 5 最大使用灵敏度(3)5 . 6 探伤灵敏度余量(3)5 . 7 分辨力(3)5 . 8 轴线行程(3)5 . 9 轴线单向/双向定位精度(3)5 . 1 0 轴线单向/双向重复定位精度(3)5 . 1 1 系统标称灵敏度下信噪比(3)5 . 1 2 图像畸变系数k(3)5 . 1 3 扫查轴机械误差系数Es(3)6 校准条件(3)6 . 1 环境条件(3)6 . 2 测量标准及其他设备(3)J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局7 校准项目和校准方法(4)7 . 1 校准项目(4)7 . 2 校准方法(4)8 校准结果的表达(7)8 . 1 校准结果的处理(7)8 . 2 校准证书(7)8 . 3 校准结果的不确定度评定(7)9 复校时间间隔(7)附录A 校准证书的内容(8)附录B 扫查轴机械误差系数的测量不确定度评定示例(1 0)附录C 超声C扫描设备校准试块(1 2)J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局引 言本规范依据J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则所给出的规则和格式进行编制。本规范参照了J J G7 4 62 0 0 4 超声探伤仪 ;J J F1 2 5 12 0 1 0 坐标定位测量系统校准规范 ;G B/T1 7 4 2 1 . 2 机床检验通则 第2部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定中描述的超声探伤性能和坐标定位系统校准方法。本规范为首次发布。J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局超声C扫描设备校准规范1 范围本规范适用于规则工件 ( 板、棒、管)超声C扫描设备的校准,其他类似设备的校准也可以参照采用。2 引用文件本规范引用了下列文件:J J G7 4 62 0 0 4 超声探伤仪J J F1 0 0 12 0 1 1 通用计量术语及定义J J F1 0 3 42 0 0 5 声学计量名词术语及定义J J F1 2 5 12 0 1 0 坐标定位测量系统校准规范G B/T3 1 0 2 . 71 9 9 3 声学的量和单位G B/T3 9 4 71 9 9 6 声学名词术语G B/T1 2 6 0 4 . 12 0 0 5 无损检测 术语 超声检测G B/T1 7 4 2 1 . 2 机床检验通则 第2部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本 ( 包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语和计量单位本规范采用G B/T3 1 0 2 . 71 9 9 3、G B/T1 7 4 2 1 . 2中规定的量和单位。本规范采用J J F1 0 3 42 0 0 5、J J F1 2 5 12 0 1 0、J J F1 0 0 12 0 1 1和J J G7 4 62 0 0 4中界定的和以下术语及定义。3 . 1 A轴 Aa x i s绕X轴旋转的轴。注:扫查轴为X轴。3 . 2 B轴 Ba x i s绕Y轴旋转的轴。注:步进轴为Y轴。3 . 3 W轴 Wa x i s绕Z轴旋转的轴。注:垂直于扫查面的轴为Z轴。3 . 4 轴线行程 a x i s t r a v e lJ J F1 2 5 12 0 1 0在数字控制下运动部件沿轴线移动的最大直线行程或绕轴线回转的最大行程。3 . 5 轴线单向定位精度 u n i d i r e c t i o n a la c c u r a c yo fp o s i t i o n i n go fa na x i sJ J F1 2 5 11J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局2 0 1 0由单向定位系统偏差和单向定位标准偏差的2倍的组合来确定的范围。3 . 6 轴线双向定位精度 b i - d i r e c t i o n a la c c u r a c yo fp o s i t i o n i n go fa na x i sJ J F1 2 5 12 0 1 0由双向定位系统偏差和双向定位标准偏差的2倍的组合来确定的范围。3 . 7 轴线单向重复定位精度 u n i d i r e c t i o n a lr e p e a t a b i l i t yo fp o s i t i o n i n gJ J F1 2 5 12 0 1 0单向沿轴线或绕轴线的某一位置Pi的重复定位精度的最大值。3 . 8 轴线双向重复定位精度 b i - d i r e c t i o n a lr e p e a t a b i l i t yo fp o s i t i o n i n gJ J F1 2 5 12 0 1 0双向沿轴线或绕轴线的某一位置Pi的重复定位精度的最大值。3 . 9 系统标称灵敏度下信噪比 s i g n a l t on o i s er a t i o nu n d e rn o m i n a l s e n s i t i v i t y在标配探头和标准试块下,系统一般以最高标称速度、步进间距不超过声束直径(-6d B)1/2扫查时设备的信噪比。注:反映了设备动态下的电气综合性能。3 . 1 0 系统综合机械误差 i n t e g r a t e dm e c h a n i c a l e r r o r在标配探头和标准试块下,系统所得到的图像尺寸与反射体标准圆尺寸的误差值。系统综合机械误差校准包括C扫描图像畸变系数k和扫查轴机械误差系数Es校准。注:反映了设备动态下的机电综合性能。3 . 1 1 图像过渡区域 t r a n s i t i o nr e g i o no f i m a g e扫描图像中介于背景和目标之间的区域,其中像素的灰度也在对应的背景和目标之间。其既有边界的特点,将不同的区域 ( 背景和目标)分开,也有区域的特点,有宽度且面积不为零。3 . 1 2 图像畸变系数 i m a g ed i s t o r t i o nc o e f f i c i e n t扫描反射体标准圆获得图像的长短轴之比。3 . 1 3 扫查轴机械误差系数 m e c h a n i c a l e r r o r c o e f f i c i e n to f s c a n n i n ga x i s扫描反射体标准圆所得图像过渡区域的内切圆与外接圆半径差与标准圆半径之比。4 概述超声C扫描设备是一种高性能无损自动探伤设备,它由超声探伤仪、超声波探头、机电扫查系统 ( 包括多轴扫查系统和伺服运动控制系统)及扫查分析软件等主要部分组成,广泛用于航空航天、船舶、铁路、桥梁建筑、化工机械等领域的非破坏性检测。5 计量特性5 . 1 水平线性误差一般不超过1%。5 . 2 垂直线性误差一般不超过5%。2J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局5 . 3 衰减器衰减误差一般不超过1d B/1 2d B。5 . 4 动态范围一般不小于2 6d B。5 . 5 最大使用灵敏度一般不大于4 0 0V。5 . 6 探伤灵敏度余量一般不小于4 6d B。5 . 7 分辨力一般不小于2 6d B。5 . 8 轴线行程满足厂家技术要求或用户使用要求。5 . 9 轴线单向/双向定位精度满足厂家技术要求或用户使用要求。5 . 1 0 轴线单向/双向重复定位精度满足厂家技术要求或用户使用要求。5 . 1 1 系统标称灵敏度下信噪比通常要求不低于6d B。5 . 1 2 图像畸变系数k一般不大于1 . 2。5 . 1 3 扫查轴机械误差系数Es一般不大于0 . 1 5。注:由于校准无需作出合格与否的判定,因此上述技术指标仅供参考。6 校准条件6 . 1 环境条件室内温度:(1 53 5);相对湿度:3 0%9 0%;水温:(1 82 8)。6 . 2 测量标准及其他设备6 . 2 . 1 函数信号发生器信号失真:0 . 5%;具有正弦猝发音功能;猝发音包含的正弦波个数不小于1 0;频率范围:(0 . 51 5)MH z;频率稳定度:51 0-4;频率准确度:51 0-4。6 . 2 . 2 标准衰减器衰减范围:(08 0)d B;频率范围:(01 5)MH z;衰减分挡形式:至少应有1 0d B,1d B,0 . 1d B三种衰减分挡形式;衰减误差:(0 . 5%A0 . 1)d B,式中A为衰减量。3J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局6 . 2 . 3 千分表或激光测距仪MP E:(0 . 0 3m+1 . 51 0-6L) ,L为测量长度。6 . 2 . 4 光栅角度编码器或分度台MP E:1 。6 . 2 . 5 标准试块采用型号为D B - P Z 2 0 - 2、D B - P Z 2 0 - 4、C S K - I A的标准试块,或超声C扫描设备校准试块。本规范采用的超声C扫描设备校准试块的规格见附录C。7 校准项目和校准方法7 . 1 校准项目超声C扫描设备的校准项目见表1。表1 超声C扫描设备校准项目一览表序号项目名称技术要求的条款号校准方法的条款号1水平线性误差5 . 17 . 2 . 22垂直线性误差5 . 27 . 2 . 23衰减器衰减误差5 . 37 . 2 . 24动态范围5 . 47 . 2 . 25最大使用灵敏度5 . 57 . 2 . 26探伤灵敏度余量5 . 67 . 2 . 27分辨力5 . 77 . 2 . 28轴线行程5 . 87 . 2 . 39轴线单向/双向定位精度5 . 97 . 2 . 31 0轴线单向/双向重复定位精度5 . 1 07 . 2 . 31 1系统标称灵敏度下信噪比5 . 1 17 . 2 . 41 2图像畸变系数k5 . 1 27 . 2 . 51 3扫查轴机械误差系数Es5 . 1 37 . 2 . 67 . 2 校准方法7 . 2 . 1 校准前的检查超声C扫描设备的外观应完好,无影响正常工作的机械损伤。7 . 2 . 2 超声探伤性能指标水平线性误差、垂直线性误差、衰减器衰减误差、动态范围、最大使用灵敏度、探伤灵敏度余量、分辨力的校准方法参照J J G7 4 62 0 0 4要求进行。7 . 2 . 3 坐标定位系统性能指标轴线行程、轴线单向/双向定位精度、轴线单向/双向重复定位精度的校准方法参照J J F1 2 5 12 0 1 0要求进行。7 . 2 . 4 系统标称灵敏度下信噪比a)采用随机标配探头,C扫描系统校准试块,调整探头工作距离;4J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局b)关闭抑制、仪器多次平均功能及平滑滤波功能 ( 如果有) ;c)调整仪器增益,使系统标称灵敏度缺陷回波最高值为屏幕满屏值8 0%,如图1所示;图1 缺陷波 ( 闸门2)A扫描图像 d)以标配探头-6d B声束宽度1/2作为扫描步进,以系统标称最高速度扫查标准试块;e)统计标准试块无缺陷区域 ( 不小于1 0 0mm1 0 0mm)的最高幅值H( 屏幕满屏值百分比) ;f)系统标称灵敏度下信噪比见公式 (1) :S N R=2 0 l g(8 0%/H) (d B)(1)7 . 2 . 5 图像畸变系数ka)采用随机标配探头,C扫描系统校准试块,调整探头工作距离;b)关闭抑制、仪器多次平均功能及平滑滤波功能 ( 如果有) ;c)调整仪器增益,使系统标称灵敏度缺陷回波最高值为刻度值8 0%;d)以标配探头-6d B声束宽度1/2作为扫描步进,以系统标称最高速度扫查标准试块,取1 2 . 8mm人工缺陷扫查结果作为分析对象,如图2所示;图2 1 2 . 8mm标准圆C扫描图像5J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局 e)以屏幕5 0%幅值作为阈值,获取C扫描图像;f)测量所得图像的长轴 (a)和短轴 (b)数值,如图3所示;图3 C扫描图像长短轴示意图 g)图像畸变系数k为长短轴之比 (a/b) ,见公式 (2) :k=a/b(2)7 . 2 . 6 扫查轴机械误差系数Esa)采用随机标配探头,C扫描系统校准试块;b)关闭抑制、仪器多次平均功能及平滑滤波功能 ( 如果有) ;c)调整仪器增益,使系统标称灵敏度缺陷回波最高值为刻度值8 0%,如图1所示;d)以标配探头-6d B声束宽度1/2作为扫描步进,以系统标称最高速度扫查标准试块,取D=1 2 . 8mm人工缺陷 ( 记作标准圆直径D)作为分析对象,如图2所示;e)以屏幕5 0%幅值作为阈值,获取C扫描图像;f)以所得C扫描图像为基础,作过渡区域的外接圆和内切圆,分别测得直径为Do和Di,如图4所示;图4 C扫描图像外接圆与内切圆示意图 g)扫查轴机械误差系数:Es=(Do-Di) /D(3)6J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局8 校准结果的表达8 . 1 校准结果的处理所有的数据应先多位计算后修约,出具的校准数据均保留一位小数。8 . 2 校准证书超声C扫描设备经校准后出具校准证书,校准证书应包括的信息及推荐的校准证书内页格式见附录A。8 . 3 校准结果的不确定度评定超声C扫描设备校准结果的测量不确定度按J J F1 0 5 9 . 12 0 1 2的要求评定,测量不确定度评定示例见附录B。9 复校时间间隔建议复校时间间隔为1年。校准时间间隔的长短取决于其使用情况,如环境条件、使用频率、测量对象等,因此使用单位可根据实际使用情况自主决定复校的时间间隔。7J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局附录A校准证书的内容A . 1 校准证书至少应包括以下信息:a)标题,如 “ 校准证书”;b)证书的编号、页码及总页数;c)校准实验室的名称和地址;d)进行校准的日期;e)进行校准的地点;f)送校单位的名称和地址;g)被校超声C扫描设备的描述;h)校准所依据的技术规范的名称及编号;i)校准所用计量标准的名称、技术参数及有效期;j)校准时的环境条件;k)校准结果;l)校准结果的测量不确定度;m)复校时间间隔的建议;n)校准人签名、核验人签名、批准人签名;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经校准实验室书面批准,不得部分复制校准证书的声明。A . 2 推荐的超声C扫描设备校准证书的内页格式见表A . 1。8J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局表A . 1 校准证书的内页格式校准结果共 页 第 页一、超声探伤性能指标校准项目校准结果不确定度 (k=2)水平线性误差/%衰减器衰减误差/d B垂直线性误差/%动态范围/d B电噪声水平/%最大使用灵敏度/V探伤灵敏度余量/d B分辨力/d B二、坐标定位系统性能指标校准项目校准结果X轴Y轴Z轴A轴B轴W轴轴线行程轴线单向/双向定位精度轴线单向/双向重复定位精度不确定度 (k=2)三、综合性能指标校准项目校准结果不确定度 (k=2)系统标称灵敏度下信噪比/d B图像畸变系数k扫查轴机械误差系数Es校准环境条件:水温: ;相对湿度: %。9J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局附录B扫查轴机械误差系数的测量不确定度评定示例B . 1 测量方法机械扫描机构带动超声探头沿标准试块表面规划好的路径做空间扫描,计算机从运动控制卡实时获取探头的空间坐标,同时采集试块的超声信号,作为图像的原始数据。然后采用面元模型对图像数据进行重建,试件表面可划分成依次排列的微面积元。当数目足够大时,这些面积元按相应的位置排列就可重构形成C扫描图像。作过渡区域的外接圆和内切圆,分别测得直径为Do和Di,如图4所示。B . 2 测量模型扫查轴机械误差系数的测量,是基于重构的C扫描图像分析开展的,其测量模型为:Es=(Do-Di) /D(B . 1) 式中:Es 扫描轴机械误差系数;D 标准圆半径;Do和Di 外接圆和内切圆半径,mm。主要不确定度来源为定位精度、步进间距、探头倾斜角度、-6d B声束直径和边缘提取算法等。B . 3 不确定度的评定(1)由重复性测量引入的不确定度对探头扫描获得的C扫描图像进行分析,测量得到扫描轴机械误差系数如下:0 . 1 2,0 . 1 2,0 . 1 3,0 . 1 3,0 . 1 2,0 . 1 3,0 . 1 2,0 . 1 3,0 . 1 3,0 . 1 2。则单次测量值的相对标准不确定度为ur 1=4 . 2 2%。(2)扫描定位精度引入的分量实验所用步进电机/伺服电机定位精度一般优于1 0m,综合考虑加工后机械结构的振动与变形,及长时间扫描与特殊情况下的脉冲丢失,扫描期间其重复定位精度远优于0 . 0 3mm/3 0 0mm。以标准圆1 2 . 8mm为例,扫描定位精度引起的偏差不超过1%。假设满足均匀分布,则扫描定位精度引起的相对标准不确定度为ur( E定位)=1%/3=0 . 5 8%。(3)步进间距引入的分量C扫描过程过大的扫描间距引起缺陷边缘模糊,而过小的间距影响扫描效率,扫描间距应不超过-6d B声束直径的一半。当探头扫描至标准缺陷孔边缘时,扫描间距会引起C扫描图像边缘展宽。当扫描间距满足使用要求时,其引起的偏差一般不超过0 . 5%。假设满足均匀分布,引起的相对标准不确定度为ur( E步进)=0 . 5%/3 =0 . 2 9%。01J J F1 7 3 12 0 1 8市场监管总局市场监管总局(4)探头倾斜角度引入的分量扫描过程中,探头与扫描平面并不严格垂直,当频率升高时由于指向性变尖锐而引入不确定度分量。以探头工作频率1 0 . 0MH z为例,首先应调节探头使其声轴垂直于扫描平面,然后粗扫试块得到C扫描图像,再次调节探头俯仰以保证尽可能垂直。探头倾斜角 度 引 入的 不 确 定 度 不超 过0 . 5%,假 设满 足 均 匀 分 布,相 对 标 准 不 确 定 度ur( E倾斜)=0 . 5%/3=0 . 2 9%。(5)-6d B声束直径引入的分量探头辐射出的测量声束具有一定直径,不是理想的测量点,导致扫描横向分辨率降低,引起缺陷边缘展宽。标配探头-6d B声束直径引入的测量不确定度小于1 . 0%。假设满足均匀分布,它所引起的相对标准不确定度为ur( E声束)=1 . 0%/3=0 . 5 8%。(6)边缘提取算法引入的分量扫描获得C扫描图像后,