JJF(有色金属)-相控阵超声换能器校准规范编制说明

PAGEIGB/TXXX—××××PAGEII相控阵超声换能器校准规范编制组主编单位：西安汉唐分析检测有限公司预审稿相控阵超声换能器校准规范编制组主编单位：西安汉唐分析检测有限公司预审稿2025-05JJF（有色金属）XXXX—XXXX相控阵超声换能器校准规范(编制说明)1PAGE6工作简况1.立项目的相控阵超声换能器主要用于超声探伤时，配套相控阵超声探伤仪使用。相控阵超声换能器能将电信号变换为超声信号，又能将超声信号变换为电信号，即具有超声发射和接收双重功能。它的结构组成主要有晶体、匹配层、声透镜、吸声块，超声换能器由若干晶体组成（如64、128、256、512个晶体）并与一定数目的通道对应。晶体数是超声换能器的重要指标，也是决定整机具体使用结果的关键技术之一。晶体数量多理论上成像质量越好，高密集换能器使声束扫描线密度高，不需要进行插补处理，图像细腻，分辨力好。主要应用于金属材料加工企业对其产品的超声无损检测，在这种应用场所中，相控阵超声换能器的性能指标能够满足工艺要求对能否发现被检测样品的内部缺陷起着关键作用。目前，可参考对相控阵超声换能器进行校准的技术规范有JJF1650-2017《超声探伤仪换能器声场特性校准规范》、JJF1294-2011《超声探伤仪换能器校准规范》，但相控阵超声换能器与普通超声探伤用超声换能器存在差异，导致在实际校准工作中存在校准方法不适用，校准项目不全面等问题，无法保证相控阵超声换能器校准结果的准确性与可靠性。针对JJF1650-2017《超声探伤仪换能器声场特性校准规范》、JJF1294-2011《超声探伤仪换能器校准规范》中校准方法不适用，校准项目不全面的问题，重新编写更适用于相控阵超声换能器的校准方法，完善相关校准项目，保证相控阵超声换能器校准结果的准确可靠，为相控阵超声探伤所指定的探伤工艺提供有力保障，进一步帮助有色金属行业实现高标准、高质量的的发展目标。2.任务来源为保证用于校准超声波探伤用液浸式换能器的量值准确、可靠，适应我国有色金属行业的快速发展和满足国内外市场的需要，工业和信息化部以工信厅下达了《工业和信息化部办公厅关于印发2024年行业计量技术规范制修订计划的通知》（工信厅科函［2024］602号），其计划项目代号为：JJFZ(有色金属)013-2024，计划完成年限为2025年。3.项目编制组单位简况本规范的编制组单位为：西安汉唐分析检测有限公司。西安汉唐分析检测有限公司是西北有色金属研究院(集团)控股子公司，属国有企业，主要从事有色产品的检测、可靠性评价、失效分析、质量评估、腐蚀性能及表面测试与表征、规范起草、检测方法的开发、标物的研制、设备的计量校准等。公司于1985年被陕西省质监局授权为陕西省有色金属产品质量监督检验站。1987年被中国有色金属工业总公司授权为西北质量监督检验中心，先后被国家质检总局确定为钛及钛合金、铜及铜合金管材生产许可证检验工作实施单位；公司通过CNAS、CMA、国防DiLAC等认证认可，是陕西省有色金属材料分析检测与评价中心、陕西省稀有金属材料安全评估和失效分析中心、工业（稀有金属）产品质量和技术评价实验室、陕西省核工业用金属材料检测与评价服务平台挂靠单位。公司是国内最早从事有色金属材料及其产品分析检验检测与评价研究的专业机构之一，技术装备水平国内一流、国际先进，在我省优势产业稀有金属材料领域的检测能力和水平处于领先地位；先后承担了国家、省市多项重大课题，目前已建成国内唯一的核电堆芯材料分析检测平台、多层金属复合材料测试和评价平台、钛及钛合金专业检测平台。近10年起草有色金属国家/行业规范共80余项、发表论文120余篇、授权专利30余项。先后荣获中国有色金属工业一等奖、二等奖20余次。本单位积极组织编制组各次工作会议，开展相关的校准，有效组织参编单位多次对规范的各版《征求意见稿》进行认真的讨论和审议，提出大量有益的意见和建议，在编制组中发挥了牵头作用。3.3.1西部超导材料科技股份有限公司西部超导材料科技股份有限公司(简称“西部超导”)2003年注册成立于西安经开区,现有创新产业园区四个、下属控股公司六家。2019年作为首批企业之一,在上交所科创板上市。西部超导是国内领先、国际先进的超导材料、超导磁体、高端钛合金、高性能高温合金创新研发生产企业。公司坚持“服务国家,造福人类”的企业宗旨,坚持自主创新,坚持高质量发展,瞄准国家重大领域需求,形成了超导锭棒、线材、磁体的全流程生产基地;以及我国高端钛合金材料和高性能高温合金的主要研发和生产基地。公司产品定位于“国内空白、国际先进”,主要产品均服务于国家战略关键用途。西部超导为国家做成了四件事,走出了一条科技成果产业化的成功道路。在超导线材领域:西部超导代表国家为国际热核聚变反应堆项目研发并批量生产了超导线材、为中国聚变堆工程堆建设提供超导线材;实现了医用核磁共振人体成像仪用超导线材的全面商用和国产化。在超导磁体领域:西部超导是全系列高品质单晶硅用超导磁体的设计生产制造商,典型产品应用于能源、医疗、科研等关键领域,填补了多项国内空白。在高端钛合金领域:西部超导是我国航空、航天、发动机、舰船用高端钛合金棒丝材的技术引领者、领先供应商。在高性能高温合金领域:西部超导是国内高性能高温合金质量引领者,填补了发动机、核电、燃气轮机用高性能高温合金的国产化空白。西部超导拥有国际先进的生产装备和大型材料检测中心,是国家级企业技术中心,拥有一支从事新材料及装备研发、中试和产业化的高端人才队伍。西部超导坚持“生产一代、开发一代、储备一代”的技术创新理念,创新成果丰硕,先后荣获国家技术发明奖、国家科学技术进步奖、中国工业大奖、制造业单项冠军等多项重要荣誉。面向未来,西部超导将充分发挥人才、技术、装备优势,向着“打造国际一流企业”,成为“国家重要科技战略力量、产业战略力量”的发展目标不断奋进。西部超导2003年成立于西安经济技术开发区,专业从事超导材料及应用、高端钛合金材料、高性能高温合金材料的研发、生产和销售。公司产品定位于“国内空白、国际先进”,瞄准国内紧缺、空缺领域,解决了航空、能源、医疗的多项国家“卡脖子”急需。该所积极参加国内外科技合作与交流，按时参加与编制组的各项工作会议，对本规范提出了诸多专业性的建议，完善了校准规范中不确定度的测量模型、对校准规范中校准项目和计量标准器的选择提出了修改的建议，在编制组中发挥了主要作用。3.3.2陕西天成航空材料股份有限公司陕西天成航空材料有限公司天成航材成立于2007年，是专业从事钛合金材料研发、生产的高新技术企业。公司于2008年投产，目前拥有自主知识产权及各项成果100余项，研发人员占比15%，累计研发投入上亿元，是国内较早涉足钛合金产业的技术队伍之一。公司产品定位于高端钛材应用，主营产品包含钛合金棒材、线材、锻件等，以一流的“航空标准”管理体系支撑钛产业高质量发展。公司自主研发、设计了国内首条航空级钛合金全流程动态多向控温控轧生产线，可为航空、医疗等高端领域用户提供超细晶钛棒及高品质钛盘卷，从材料端创新突破，解决了多项航空材料“卡脖子”难题；大规格棒材生产线采取“以轧代锻、锻轧结合”的方式，进一步优化生产工艺，可为航空终端提供发动机盘、轴件及飞机结构件用原材料，赋能中国航空业态升级。公司致力于通过先进材料的开发及应用推动航空航天事业的进步与发展，先后获得航天特种工艺Nadcap无损检测认证及AS9100D、ISO13485、ISO14001、ISO45001等资质认证。公司努力寻求高附加值、高技术含量的钛合金产业新突破，投资12.8亿建成的现代化、智能化生产基地已于2019年投入使用，建筑面积达80000㎡，项目配套3000㎡先进材料实验室及企业研发中心，预计到2025年，公司年产能将达到20000吨。该单位积极参加编制工作，开展相关的验证试验，提供修改意见。3.3.3宝鸡钛业股份有限公司宝鸡钛业股份有限公司(以下简称“宝钛股份”或“公司”)成立于1999年7月21日,由宝钛集团有限公司(原宝鸡有色金属加工厂,代号902)作为主发起人,并作为中国钛工业第一股于2002年4月12日在上海证券交易所上市。公司是国家高新技术企业,专业从事钛及钛合金生产、科研,所在地被誉为“中国钛城”、“中国钛谷”。截至2021年底,公司总资产118亿,员工3700余人。建立起“海绵钛、熔铸、锻造、板材、带材、无缝管、焊管、棒丝材、精密铸造、原料处理”十大生产系统,形成40000吨钛铸锭和30000吨钛加工材生产能力。公司主体装备由美、日、德、奥等十五个国家引进,这也使我国成为继美、日、俄后第四个拥有完整钛工业产业链的国家。公司以品牌建设为主线,树立“合作共赢,共同发展”的市场观,注重科技创新和产业升级,产品广泛应用于航空、航天、舰船等高精尖领域和氯碱化工、电力、冶金、医药及海洋工程等国民经济重要领域。公司主导钛产品产量超过3万吨,稳居国内行业之首。同时,公司积极拓展国际市场,产品远销美国、日本、德国、法国、英国、挪威、瑞典、新加坡、意大利、印度、韩国、台湾和香港等几十个国家及地区,与空客、波音等国际知名航空企业建立了长期战略合作关系,逐步成为世界钛工业的重要组成部分。作为中国钛、锆等稀有金属国标、国军标等标准的重要制定者,建立起了完备的质保体系,取得了全国工业产品生产许可等国内外多项认证。通过了欧盟承压设备PED认证、NADCAP热处理特种工艺、无损检测、理化测试项目认证及德国压力容器TUV体系认可;完成了NORSOK产品认证;通过了波音、空客、古德里奇、庞巴迪、罗罗、奥布杜瓦、斯奈克玛等国际知名大公司的质量体系和产品认证,树立了宝钛品牌的国际地位。宝钛被评为“中国驰名商标”,主导钛加工材、钛带先后被评为“中国名牌产品”、“陕西省名牌产品”。公司被海关列入“AA类进出口企业”、国家质监总局质量信用A级企业、陕西省“出口名牌企业”,被航空、航天等多家企业评为“A类/优秀供应商”,“突出贡献供应商”。完备的生产体系、领先的工艺技术、稳定的产品质量、高效的经营管理以及超前的营销理念,铸就了宝钛股份辉煌的业绩。先后承担8000多项新材料研制任务,完成了一大批重点科研课题,取得了692项科技成果,获国家专利18项,国家、省部级科技进步奖152项,国家优质产品金奖3项、银奖4项,省部级优质产品奖21项。相继承担了4500米级、6000米级、万米级载人潜水器钛合金载人球壳的研制工作,奠定了公司在国内深海装备用钛领域的先发优势。历经磨砺的宝钛股份成为中国钛工业的摇篮和旗帜。该单位积极参与编制组的各项工作会议，提供了稳定性优异的水浸相控阵超声换能器用于本规范验证实验，在编制组中发挥了主要作用。3.3.4湖南湘投金天钛业科技股份有限公司湖南湘投金天钛业科技股份有限公司是一家专注于高端钛及钛合金材料的研发、‌生产和销售的高新技术企业。该公司隶属于湖南湘投控股集团全资子公司湖南湘投金天科技集团有限责任公司，‌拥有强大的研发和生产能力。公司注册资本为3.7亿元人民币，‌位于常德经济技术开发区，‌占地450亩，‌是国家级专精特新小巨人、湖南省专精特新中小企业，‌并拥有多项资格认证，‌如国家级专精特新“小巨人”企业、湖南省企业技术中心、湖南省高端装备特种钛合金工程技术研究中心等。湖南湘投金天钛业科技股份有限公司的发展方向是瞄准国家战略目标，打造高端装备钛合金材料先进制造平台与人才集聚创新高地。公司秉持“以人才为根本、‌客户需求为导向、创新驱动为动能、‌产品质量为生命”的经营理念，拥有国际先进的钛合金材料生产线与检测实验室。其产品广泛应用于航空航天、海洋舰船、车辆、医疗器械等领域，是中国高端装备钛合金材料与零部件的重要供应商。‌此外，该公司还积极参与产学研用合作，‌培育自主创新体系建设，致力于研制生产的钛及钛合金棒材、‌锻坯、‌零部件等产品的高质量发展。‌通过不断的科技创新和产品研发，公司已成为中国高端钛合金材料三家主要供应商之一，‌以及大型综合钛材加工企业之一。该单位积极参与编制组的各项工作会议，提供了稳定性优异的液浸式超声换能器用于本规范验证实验，在编制组中发挥了主要作用。4.主要工作过程西安汉唐分析检测有限公司接到有色金属行业计量技术委员会转发下达的制定任务后，成立了计量规范编制组，对计量技术规范编写工作进行了部署和分工，制定了制定原则及计划工作。2024年11月成立了计量规范编制组，明确编制组成员各自的工作内容及任务，对被校对象的使用单位进行了校准需求调研，收集相关资料。2024年12月~2025年4月编制组成员对校准规范中的计量特性及校准方法进行了讨论，确定了校准项目及方法，对关键技术指标提出了修改意见最终行成讨论稿。2025年5月8日~9日，编制组成员参加了由有色金属行业计量技术委员会组织的在河南省洛阳市东山华悦酒店召开的有色金属计量技术规范讨论会，与会专家和各单位代表对《相控阵超声换能器校准规范-讨论稿》提出了修改意见，并且在会上确定了项目负责起草单位明确了各项工作时间进度要求，编制组依据讨论会上提出的修改意见，修改讨论稿并形成征求意见稿，具体内容见表1。修改后形成了《相控阵超声换能器校准规范-征求意见稿》。序号标准章条编号意见内容提出单位处理意见16章节6.2.2中反射体描述不够详细，加一个具体的反射体要求；宝鸡钛业股份有限公司采纳26章节6.2.3中，补充水浸相控阵超声换能器校准示意图；西部超导材料科技股份有限公司采纳3附录A、附录B按照格式要求进行修改；陕西天成航空材料股份有限公司采纳编制原则和依据编制原则本规范是以JJF1071-2010《国家计量校准规范编写规则》编制。本规范是以JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》、ISO18563-2《Non-Destructivetesting——Characterizationandverificationofultrasonicphasedarrayequipment》、为基础，共同构成支撑对该校准规范的制定工作。确定主要内容1范围本规范适用于中心频率范围在0.5MHz~15MHz的金属材料无损检测用相控阵换能器校准。2引用文件JJF1001通用计量术语及定义JJF1034声学计量名词术语及定义GB3102.7声学的量和单位3概述无损检测用相控阵换能器广泛应用于超声无损检测等领域，相控阵换能器由若干压电阵元组成的阵列，通过相控阵超声探伤仪的主机独立控制换能器中的各个真元，实现换能器声束的相控发射与接收，在介质指定空间区域内实现超声波的偏转和聚焦。常用换能器分为直换能器与斜换能器，此外还有与换能器配套使用的各种楔块等。4计量特性在进行计量特性部分内容，参考了超声换能器检测、校准标准，无损检测标准中涉及液浸式超声换能器检测、校准部分的内容以及液浸式超声换能器产品标准等。主要有：ISO18563-2《Non-destructivetestingCharacterizationandverificationofultrasonicphasedarrayequipmentPart2:Probes》、ISO22232-2《无损检测超声波检测设备的特征和验证第2部分：探头》（Non-destructivetesting——Characterizationandverificationofultrasonictestequipment）、ASTME1065M-20《超声波搜索单元的特性评价》（StandardforPracticeforEvaluatingCharacteristicsofUltrasonicSearchUnits）、IEC62127-3:2022《超声波.水听器.第3部分:超声场用水听器的特性》（Ultrasonics-Hydrophones-Part3:Propertiesofhydrophonesforultrasonicfields）、。结合有色金属行业无损检测特点以及近三年开展校准工作得到的客户反馈情况，综合考量得出下列计量特性。4.1相对脉冲回波灵敏度偏差相对脉冲回波灵敏度与标称值的偏差一般不超过±5dB。参考ISO18563-2中8.3.3表三。4.2频率、相对带宽中心频率与标称值的偏差一般不超过±10%；相对带宽与标称值的偏差一般不超过±15%。参考ISO18563-2中8.4.3。4.3换能器灵敏度换能器灵敏度与标称值的偏差一般不超过±5dB。参考ISO18563-2中8.5.3.3。4.4阵元间串扰阵元间串扰应≥25dB。参考ISO18563-2中8.6.3。5校准条件校准时的环境条件应满足以下要求：室温：（18~28）℃；水温：（15~33）℃。测量标准及设备应满足如下表1要求.表1测量标准及其他设备序号仪器设备名称技术要求1脉冲发生器/接收器频率范围：0.5kHz~35MHz；上升时间：不大于10ns；脉冲幅值（空载）：负向脉冲不小于100V。2数字示波器工作频率上限不低于100MHz，采样频率应高于200MHz；至少应有两个通道，具备时间延迟测量（时间分辨力优于0.1μs）、幅值测量功能和快速傅里叶变换（FFT）功能。3标准试块纵波声速为（5920±50）m/s和横波声速为（3255±30）m/s的钢试块。4水听器水听器组带宽应至少覆盖（0.5~15）MHz,水听器有效直径一般应小于介质中工作频率所对应波长的2倍。5水槽及多自由度调节机构夹持机构应能够将相控阵换能器固定并调整姿态。6校准项目和校准方法6.1校准项目校准项目见表2。表2相控阵换能器超声换能器校准项目一览表序号项目名称1相对脉冲回波灵敏度偏差2频率、相对带宽3换能器灵敏度4阵元间串扰6.2校准方法6.2.1校准前检查观察相控阵换能器的外观，应符合以下要求：待校准相控阵换能器应无明显的损坏，尤其换能器前端的匹配层应完好；水浸使用的相控阵换能器，水浸部分应密封完好。6.2.2相对脉冲回波灵敏度偏差在进行相对脉冲回波灵敏度偏差校准时，需要对换能器中的每一个阵元进行校准。通过分线板卡连接相控阵换能器、脉冲发生/接收仪和数字示波器，设置发射脉冲时间等于1/2标称换能器频率周期的负方波，也可以是负尖脉冲，设置相控阵超声探伤仪为发射-接收模式。采用接触法校准时，去掉楔块，选择合适的试块作为反射体进行耦合，以得到稳定的反射回波（试块为碳钢试块，上下表面平行，厚度范围在20mm~200mm）。水浸法校准时，选择大平板反射体，调节换能器与反射体的距离为10mm~50mm，以得到稳定的反射回波（大平板反射体推荐尺寸不小于50mm×50mm，上下表面平行，厚度为25mm的光滑玻璃或光滑亚克力块）。调整相控阵超声换能器与反射体的相对位置，当示波器中可接收到波幅稳定的信号时开始测量。用示波器测出每个阵元反射回波的电压幅值Vel，并计算和记录每个Vel的算数平均值Vav。每个阵元的相对脉冲回波灵敏度偏差Sel，可以使用公式（1）进行计算：Sel该部分参考ISO18563.2中8.3.2内容。6.2.3频率、带宽和脉冲持续时间在进行频率、相对带宽、校准时，需要对换能器中的每一个阵元进行校准。接触式相控阵换能器连接方式与仪器设置同6.2.2，水浸式相控阵换能器需要将换能器浸入水中后通过水听器配合水箱及自由调节装置连接，如图1所示。频率校准时，应从频谱幅度最高出下降6dB时确定频率点，从获得的上限频率fu和下限频率fl通过公式（2）获得中心频率：f0=f相对带宽Δfref的计算见公式（3）：∆fref=(fu图1水听器校准频率、带宽连接示意图1.超声波接收发射仪；2.自由调节装置；3.信号同步；4.示波器显示；5.水浸式相控阵换能器；6.水听器该部分参考ISO22232-2中8.6.2部分，声束测量的系统原理。ISO18563.2中8.4部分内容。6.2.4换能器灵敏度在进行换能器灵敏度校准时，连接方式与仪器设置同7.2.2。任意取相控阵换能器上的一个阵元（一般为第一个阵元或最后一个阵元），使用数字示波器测量其激励信号幅度Vref。在相同的激励方式下，依次测量并记录每个阵元的反射回波电压幅值Vel，计算所有阵元的反射回波电压幅值的算术平均值Vav。换能器灵敏度Spt按公式（4）进行计算：Sel=20lgV该部分参考ISO18563-2中8.5部分。6.2.5阵元间串扰阵元数在64个及以内的，需要选择两个位置进行阵元间串扰校准；阵元数超过64个的，需要选择4个位置进行阵元间串扰校准。连接方式同7.2.2，激励信号设置为至少6个周期且频率与换能器标称频率相同的正弦脉冲串。将示波器连接一个相邻阵元进行串扰校准，阵元间串扰CT可以按照公式（5）进行计算：CT=20lgV式中：Vexc——激励电压，mV；Vrec——相邻阵元收到的信号电压，mV。该部分参考ISO18563-2中8.6部分。7校准结果表达经校准后出具校准证书，校准证书由封面和校准数据内页组成，封面由校准机构确定统一格式，校准数据按照附件B要求，并可根据检漏仪的情况进行填写。校准证书应至少包括以下信息：a)标题：校准证书；b)实验室名称和地址；c)进行校准的地点（如与实验室的地址不同）；d)证书的唯一性标识（如编号），每页及总页数的标识；e)客户的名称和地址；f)被校对象的描述和明确标识；g)进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对象的接收日期；h)校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；i)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明；j)校准环境的描述；k)校准结果及测量不确定度的说明；l)对校准规范的偏离的说明；m)校准证书签发人的签名、职务或等效标识以及签发日期；n)校准结果仅对被校对象有效的声明；o)未经实验室书面