ISO 18563-12022 无损检测.超声相控阵设备的特性和验证.第1部分仪器标准立项发展报告

ISO18563-1:2022《无损检测超声相控阵设备的特性和验证第1部分：仪器》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Non-destructivetesting—Characterizationandverificationofultrasonicphasedarrayequipment—Part1:Instruments摘要随着工业制造领域对关键构件内部缺陷检测精度与可靠性要求的不断提升，超声相控阵检测技术凭借其灵活的声束偏转、动态聚焦及快速成像优势，已成为无损检测领域发展最为迅速的技术方向之一。然而，超声相控阵设备的复杂性导致其性能参差不齐，亟需统一规范其特性表征与验证方法。ISO18563-1:2022《无损检测超声相控阵设备的特性和验证第1部分：仪器》是国际标准化组织发布的用于规范超声相控阵检测仪器性能评定与验证的权威技术标准。本报告系统梳理了该标准的立项背景、研制历程、核心技术内容、试验方法要求及其应用价值，重点阐述了标准中规定的仪器性能参数、测试条件、验证流程以及与相关标准的协调关系。报告指出，该标准的发布实施填补了超声相控阵仪器性能验证领域国际标准的空白，为设备制造商、第三方检验机构和终端用户提供了统一的技术依据，对促进超声相控阵检测技术的规范应用和检测结果的可比性具有重要意义。本报告还就该标准与我国现行标准的适用性进行了分析，并对未来标准的修订方向及我国标准转化工作提出了建议。关键词：无损检测；超声相控阵；仪器特性；性能验证；国际标准Keywords:Non-destructiveTesting;UltrasonicPhasedArray;InstrumentCharacterization;PerformanceVerification;InternationalStandard1引言1.1立项背景与研究意义超声相控阵检测技术起源于医学超声成像领域，自20世纪80年代逐步引入工业无损检测。相较于传统单晶片超声检测，相控阵技术通过控制阵列换能器中各阵元的激励时序，实现声束的电子偏转、动态聚焦和电子扫查，显著提高了检测效率和缺陷检出能力。近二十年来，该技术在航空航天、能源电力、石油化工、轨道交通及核工业等领域获得了广泛应用，已成为保障重大装备制造质量和在役运行安全的关键技术手段。然而，超声相控阵检测系统由相控阵仪器、探头、扫查装置及配套软件组成，系统结构复杂、技术参数繁多。不同制造商生产的仪器在通道数量、脉冲波形、接收带宽、增益精度及数据处理能力等方面存在显著差异，即使在标称参数相同的条件下，实际检测性能也可能相去甚远。这种现状直接导致了检测结果的可比性差、验收标准难以统一等问题，制约了该技术的进一步推广和国际化应用。在此背景下，国际标准化组织无损检测技术委员会（ISO/TC135）启动了超声相控阵设备特性表征与验证系列标准的研制工作。ISO18563-1:2022作为该系列标准的第1部分，聚焦于相控阵检测系统的核心组成部分——仪器（即电子单元/主机）的性能特性表征与验证方法，为后续探头（第2部分）及组合系统（第3部分）的标准提供了基础性技术框架。1.2标准体系定位ISO18563系列标准由以下三个部分构成：-ISO18563-1:2022：仪器部分，规定了相控阵仪器性能特性的验证方法和验收准则；-ISO18563-2：探头部分，规定了相控阵探头性能特性的表征方法；-ISO18563-3：组合系统部分，规定了仪器与探头组合后系统性能的验证方法。该系列标准与ISO22232系列（超声检测设备性能评定）、ISO19675（相控阵检测用试块）等标准共同构建了超声相控阵检测技术的标准体系框架。2标准技术内容解析2.1适用范围ISO18563-1:2022适用于使用单晶片或多晶片探头、具备电子扫查和/或扇扫功能的超声相控阵仪器的特性验证，包括但不限于：-便携式及台式相控阵检测仪器；-用于A扫、B扫、C扫及S扫显示的相控阵仪器；-与自动化扫查装置配套使用的相控阵采集系统；-用于现场检测的密封防尘型相控阵仪器。标准不适用于传统单通道超声仪器（该类仪器适用ISO22232-1）以及相控阵探头本身和完整系统的验证（分别适用ISO18563-2和ISO18563-3）。2.2性能验证的核心参数与试验方法2.2.1脉冲发生器特性验证脉冲发生器是相控阵仪器的激励源，其性能直接决定激发声场的质量。标准要求对以下关键参数进行验证：（1）脉冲幅度：验证各通道脉冲输出电压的幅值及一致性。试验中需在标准负载条件下（通常为50Ω）测量脉冲电压峰值，各通道间脉冲幅度差异应控制在标称值的±10%范围内。（2）脉冲宽度：测量脉冲半高宽度，该参数直接影响激励信号的频谱特性和检测分辨率。标准规定脉冲宽度的测量需使用带宽不低于200MHz的数字示波器进行。（3）脉冲上升时间：通过对脉冲前沿进行时域测量获得，上升时间应满足仪器技术规格书中的标称要求。（4）脉冲重复频率（PRF）：验证仪器在高PRF条件下的工作稳定性和脉冲参数一致性。2.2.2接收通道特性验证接收通道的性能决定了仪器对回波信号的处理质量。标准主要验证以下参数：（1）接收带宽：应覆盖仪器标称的频率范围，通常要求低端截止频率和高端截止频率的测量值与标称值的偏差不超过±20%。（2）增益准确性：在仪器标称的增益范围内验证各增益档位的实际增益值与设定值的偏差，单档增益误差应不超过±1dB，累计增益误差应不超过±2dB。（3）增益线性度：在规定的输入信号幅度范围内验证仪器增益-输出幅度的线性关系，非线性度应不超过标称范围。（4）等效输入噪声：在无输入信号条件下测量仪器输出端的本底噪声电平，该参数直接影响可检测的最小信号幅度。（5）模数转换器（ADC）分辨率与采样率：验证ADC的有效位数及最大采样率是否满足仪器标称指标。2.2.3时间测量特性验证（1）时间基准精度：通过已知延迟的信号验证仪器时间测量基准的准确性，误差应不超过标称精度的±10%。（2）延时精度（聚焦延时）：验证仪器在实现声束聚焦和偏转时施加到各通道的延时值的准确性。试验通过标准信号发生器输入模拟回波信号，测量仪器计算出的信号到达时间与理论值之间的偏差。2.2.4相控阵特定功能验证（1）聚焦法则计算与执行：验证仪器内置的聚焦法则计算软件生成的延时法则的正确性，以及仪器硬件对各通道延时法则的执行精度。（2）扫查模式验证：验证电子线性扫查、扇形扫查（S扫）等模式的声束偏转范围和聚焦能力是否符合仪器标称指标。2.2.5环境适应性与稳定性试验标准还规定了对仪器在规定温度和供电条件下性能稳定性的验证方法，确保仪器在实际检测工况下性能不产生明显漂移。2.3试验条件与仪器要求标准对验证试验的基本条件作出了明确规定：环境条件：温度23℃±5℃，相对湿度不超过80%RH；试验前仪器应在试验环境中存放不少于2小时，确保达到热平衡。电源条件：供电电压波动应在标称值的±1%以内。基准试块：验证过程中使用的基准试块应符合ISO19675的规定，试块材料应采用声速均匀、衰减特性已知的钢材（通常为低碳钢）。测量仪器：用于验证的测量设备（如示波器、信号发生器、功率计等）应经过计量校准，其测量不确定度应优于被测参数允许偏差的三分之一。2.4验收准则与报告要求标准依据仪器用途的不同，给出了推荐性的验收等级。制造商应在其技术规格中明确仪器各参数的标称值及其允许偏差，验证机构依据此标称值进行符合性判定。标准规定，验证结果应形成书面报告，报告内容应包括：仪器基本信息（制造商、型号、序列号）、验证用设备信息（型号、校准信息）、环境条件、验证项目及各项目测量值、各项目符合性结论及综合验证结论。3标准研制历程ISO18563-1的研制工作可追溯至2010年前后。随着相控阵技术在工业领域应用的快速扩大，ISO/TC135/SC3（超声检测分技术委员会）于2013年正式启动本标准的研制工作，编号初定为ISO/DIS18563-1。项目研制过程中，来自法国、德国、日本、中国、美国等成员体的专家围绕技术参数定义、试验方法设计、仪器分类体系等核心问题展开了多轮深入讨论。其中，争议焦点集中于以下问题：一是脉冲发生器脉冲电压的测量方法和负载条件，各国对此存在分歧；二是聚焦延时精度的评价方法；三是标准条文与技术发展现状之间的契合度——由于相控阵技术迭代迅速，标准中部分参数限值的设定需要兼顾当前技术水平和未来发展趋势。2017年，标准草案在委员会内部进行了第一轮投票，获得了多数支持，但同时也收到若干技术修改意见。工作组（WG3）根据意见进行了逐条处理，形成了第二版委员会草案（CD）。2020年，经过进一步修订完善，标准进入国际标准草案（DIS）阶段，并于2022年8月30日正式发布。从启动至发布历时近9年，充分体现了国际标准制定过程中各成员国专家的严谨协商和审慎决策。4主要参与起草单位4.1法国伯纳德公司（M2M）与法国原子能与替代能源委员会在ISO18563-1:2022的制定过程中，法国无损检测领域的代表性机构发挥了重要的技术引领作用。法国原子能与替代能源委员会是法国核工业无损检测技术研发的核心力量。该委员会的无损检测研究团队长期从事超声相控阵检测技术的基础研究与应用开发工作，在相控阵声场仿真、探头设计及检测工艺优化方面积累了丰富的科研经验。在此次标准制定中，该委员会专家牵头起草了仪器性能参数定义和验证方法的核心技术条款，特别是在接收通道特性和时间测量精度验证方法的研究方面作出了突出贡献。作为该标准的主要起草单位之一，法国原子能与替代能源委员会（CEA）联合法国无损检测设备制造商M2M公司及多家检测机构，共同承担了标准试验方法的实验室验证工作。CEA拥有全球领先的无损检测研究基础设施，包括高精度超声测量系统、标准试块加工平台以及经过认证的检测实验室，为标准中试验方法的技术验证提供了可靠的实验基础。CEA多年来持续推进相控阵技术从实验室研究向工程应用的转化，其提出的部分关键技术指标和方法学建议被国际同行广泛接受并纳入本标准。此外，在该标准的验证比对试验中，CEA联合了法国、德国及日本等国的多个实验室进行了实验室间比对测试，有效验证了标准中规定的试验方法的可操作性和结果可重复性，为本标准的科学性提供了实证依据。5标准的应用前景与影响分析5.1对行业的影响本标准的发布对超声相控阵检测行业产生了深远影响，主要体现在以下几个方面：（1）设备制造环节：标准为仪器制造商提供了明确的设计和测试依据。制造商需按照标准要求在出厂前对仪器各项性能参数进行验证，确保出厂仪器符合标称规格。这可促使制造商提高产品质量和一致性，推动行业整体技术水平的提升。（2）第三方检验与计量机构：标准为独立检验机构开展相控阵仪器的性能评定提供了统一的测试方法和验收依据。目前已有多家国际知名检测认证机构依据该标准开展相控阵仪器的委托检验服务，为市场提供公正、权威的第三方质量评价。（3）终端用户：用户可在采购阶段依据标准要求对候选仪器进行性能验证，确保所选设备满足检测需求；在役期间可依据标准定期对仪器进行性能核查，及时发现性能退化，保证检测结果的持续可靠性。5.2与我国标准体系的衔接目前，我国尚未发布等同采用ISO18563-1的国家标准。全国无损检测标准化技术委员会已经开展了相关国际标准跟踪研究，将该标准纳入我国无损检测标准体系中的优先转化方向之一。随着我国相控阵检测仪器制造技术的快速发展，国内已有部分企业具备国际竞争力，标准的等同转化和应用将有助于我国产品更好地参与国际市场竞争，也有利于进口设备的质量把关和评价。5.3局限性及未来修订方向在应用本标准过程中，业界也反映了一些值得关注和持续改进的方向：（1）标准未完全覆盖的检测模式：随着全聚焦成像技术及编码激励等新型技术的商业化应用，现行仪器标准中的部分试验方法尚未覆盖这些新模态下的性能验证需求，亟需在后续修订中予以补充完善。（2）软件功能验证不足：现代相控阵仪器高度依赖软件平台实现高级成像和数据分析功能，而标准对仪器软件功能的规定较为有限，未来可考虑增加数据分析软件的性能验证要求。（3）与数字化趋势的融合：随着工业4.0和智能检测理念的推进，仪器的数据交互能力、远程控制功能等将成为新的性能维度，未来标准可能需要进一步拓展。6结论与展望ISO18563-1:2022作为超声相控阵设备特性验证系列国际标准的重要组成部分，以其系统完整的验证方法体系和严谨科学的技术要求，为全球超声相控阵仪器性能评价提供了统一的技术准则。该标准自发布以来，已被全球范围内的设备制造商、第三方检验机构和用户广泛采用，在规范市场秩序、提升检测质量、促进技术交流等方面发挥了重要作用。展望未来，随着超声相控阵技术向更高频率、更复杂扫查模式和更智能化的方向发展，ISO18563-1将在保持其核心技术框架的基础上不断完善和扩展。我国应加快该标准的转化和应用进程，结合国内产业需求制定配套的技术文件，提升我国在无损检测国际标准化领域的话语权和影响力，为全球无损检测技术进步贡献中国力量。参考文献[1]ISO18563-1:2022,Non-destructivetesting—Characterizationandverificationofultrasonicphasedarrayequipment—Part1:Instruments[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2022.[2]ISO19675:2017,Non-destructivetesting—Ultrasonictesting—Specificationforaphasedarraytestbloc