ISO 18563-22024 无损检测超声相控阵设备的特性和验证第2部分阵列探头标准立项发展报告

无损检测超声相控阵设备的特性和验证第2部分：阵列探头标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Non-destructivetesting—Characterizationandverificationofultrasonicphasedarrayequipment—Part2:Arrayprobes摘要超声相控阵检测技术作为现代无损检测领域的重要方法，在航空航天、能源电力、石油化工及轨道交通等关键行业得到广泛应用。阵列探头作为相控阵系统的核心部件，其性能特性直接影响检测结果的可靠性与准确性。然而，由于缺乏统一的国际标准，各制造商生产的阵列探头在性能表征方法和验证程序上存在显著差异，导致检测结果的可比性和互认性不足。ISO18563-2:2024《无损检测超声相控阵设备的特性和验证第2部分：阵列探头》由国际标准化组织（ISO）于2024年9月24日正式发布，该标准系统规定了超声相控阵阵列探头的性能特性参数、测量方法及验证程序，填补了该领域国际标准的空白。本报告全面梳理了该标准的立项背景、制定历程、核心技术内容和预期应用价值，分析其对全球无损检测行业的深远影响，并介绍主要参与单位在标准制定中的技术贡献。该标准的实施将有效促进超声相控阵检测技术的规范化发展，提升检测结果的国际互认水平，为各行业的质量控制与安全评估提供更加坚实的技术支撑。关键词：无损检测；超声相控阵；阵列探头；特性验证；国际标准；性能评估Keywords:Non-destructivetesting;Ultrasonicphasedarray;Arrayprobes;Characterizationandverification;Internationalstandard;Performanceevaluation1引言超声相控阵检测技术通过电子控制多个独立压电晶片的激发时序，实现超声束的偏转、聚焦和扫描，具有检测速度快、覆盖范围广、灵敏度高等显著优势，已成为现代工业无损检测领域发展最为迅速的技术方向之一。在航空航天领域，该技术被广泛应用于飞机结构部件、发动机涡轮叶片及复合材料层压结构的检测；在能源电力行业，用于核电站管道焊缝、压力容器和汽轮机部件的在役检测；在石油化工领域，涉及储罐底板、管道环焊缝及高温高压设备的定期检验。随着相控阵检测技术在更多领域的推广普及，对检测设备性能的一致性和可靠性提出了更高要求。阵列探头作为相控阵检测系统的核心前端部件，其声学性能特性（如晶片尺寸、中心频率、带宽、串扰等）直接决定了超声束形成的质量和检测结果的准确性。在ISO18563-2:2024发布之前，不同制造商对阵列探头的性能表征方法各异，缺乏统一的性能指标定义和验证程序，这给设备选型、性能对比及检测结果的跨设备互认带来了诸多困难。为解决这一问题，国际标准化组织无损检测技术委员会声发射检测分技术委员会（ISO/TC135/SC7）启动了对超声相控阵设备标准化体系的系统构建工作，ISO18563系列标准应运而生。本报告旨在全面分析ISO18563-2:2024标准的立项背景、技术内容、制定过程和应用价值，为国内相关单位理解和应用该标准提供系统参考，同时为我国无损检测标准化工作与国际接轨提供有益借鉴。2标准立项背景与意义2.1行业需求与技术发展驱动超声相控阵检测技术自20世纪90年代进入工业应用领域以来，经历了从简单的线性扫描到复杂的三维成像的快速发展过程。近年来，随着电子技术、信号处理算法和材料科学的不断进步，相控阵系统在硬件性能、软件功能和数据处理能力方面均实现了跨越式提升。目前，商用相控阵系统已能支持多达256个或更多独立通道，可实现扇形扫描（S扫）、线性扫描（E扫）和动态深度聚焦等多种扫描模式，检测频率范围覆盖0.5MHz至15MHz以上。然而，技术快速发展也带来了标准化需求与供给之间的突出矛盾。在实际工程应用中，用户面临的核心问题包括：如何客观评价不同厂家阵列探头的性能优劣？如何确保同一探头在不同设备上的检测结果具有一致性？如何建立设备定期校验的科学程序？这些问题的解决均亟需统一的国际标准作为技术依据。2.2现有标准体系的不足在ISO18563-2:2024发布之前，超声相控阵设备相关标准存在明显的空白领域。虽然部分国家和区域性标准对相控阵检测系统提出了一些要求，如美国ASME规范案例、欧洲CEN相关标准等，但缺乏系统性和国际一致性。原有ISO18563-1:2017主要关注相控阵仪器（主机）的特性与验证，而针对阵列探头这一关键组成部分，国际上长期未能形成统一的技术规范。各制造商沿用各自的测试方法和性能指标定义，导致用户在设备选型和性能比较时面临技术壁垒。此外，在相控阵检测的实际应用中，阵列探头的性能会随着使用时间的增长而产生退化，如晶片老化、匹配层磨损、连接线缆接触不良等。如果没有统一的验证程序，这些潜在的性能劣化难以及时发现，可能成为检测结果的重大隐患。2.3标准制定对产业发展的战略意义ISO18563-2:2024的发布对全球无损检测产业具有多重战略意义。从设备制造商角度而言，该标准为产品设计和出厂检验提供了明确的技术依据，有助于建立公平竞争的市场环境，推动企业持续提升产品质量和性能水平。从检测服务机构和最终用户角度而言，该标准为设备选型、验收和周期核查提供了规范化的方法，能够有效保障检测结果的可靠性和一致性，降低误判和漏判风险。从行业监管和国际贸易角度而言，该标准促进了各国检测结果的技术互认，消除了技术壁垒，为无损检测设备和服务的国际贸易创造了更为通畅的环境。3标准内容概述3.1标准适用范围ISO18563-2:2024适用于超声相控阵检测系统中使用的阵列探头，包括用于接触法和液浸法检测的多种类型。标准涵盖了线阵、面阵（矩阵）及其他几何构型的相控阵探头。需要说明的是，该标准主要聚焦于采用压电材料制作的阵列探头，对于新兴的CMUT（电容式微机械超声换能器）和PMUT（压电式微机械超声换能器）等新型探头技术，标准也提供了通用的适用性说明，但未对其特殊性能参数作详细规定。3.2标准核心技术内容该标准确立的阵列探头特性验证体系涵盖了三个主要技术环节，并通过规范性附录给出了具有高度可操作性的测试方法。标准首先界定了主要性能参数（3.2.1），在此基础上规定了类型验证（3.2.2）和例行验证（3.2.3）的分级要求。值得注意的是，在每个验证阶段均引入了不确定度评定要求，体现了现代计量学的核心思想。3.2.1性能参数体系标准系统定义了阵列探头关键性能参数，包括每个晶片的中心频率、带宽（-6dB和-20dB）、灵敏度、晶片阻抗、串扰（相邻晶片间电气和声学干扰）、阵元间距和有效孔径等。此外，针对液浸检测应用的探头，还规定了聚焦特性参数的要求。每个参数均有明确定义、测试条件和评价准则。3.2.2类型验证类型验证用于评价探头设计是否满足规定性能要求，适用于新型探头设计定型或重大设计变更后的全面评价。标准规定，类型验证应在代表性样品上进行，覆盖所有规定参数，并明确给出了各参数的验收准则和试验方法。类型验证记录应作为产品质量文件的一部分予以保存。3.2.3例行验证例行验证用于确保批量生产中每个探头的一致性。标准规定，例行验证应在每个探头出厂前进行，覆盖项目可依据探头类型和生产工艺确定，但至少应包含中心频率、灵敏度和晶片数量等关键参数的检查。标准还明确了例行验证的抽样方案和判定规则。3.3标准主要技术特点ISO18563-2:2024在技术内容上具有以下显著特点：一是充分吸收和整合了行业内已有的最佳实践，如参考了ASTME2904等标准中的部分测试方法，保证了技术内容的成熟性和稳定性；二是引入了不确定度评定要求，体现了现代计量学的发展方向，使验证结果具有更科学的统计学基础；三是采用了模块化的结构编排，便于后续扩展和修订，为适应新技术发展预留了空间。4标准应用价值分析4.1促进检测结果可靠性与可比性提升通过统一的性能参数定义、测量方法和评价准则，ISO18563-2:2024有效解决了不同制造商探头性能难以横向比较的问题。用户在设备选型时，可以基于标准规定的统一参数体系进行客观对比；在不同检测系统之间进行结果比对时，也有了可靠的技术基础。4.2推动设备管理规范化该标准建立的类型验证与例行验证相结合的分级验证体系，为终端用户实施设备全生命周期管理提供了科学框架。用户可根据标准要求建立完善的设备验收、周期校验和故障诊断制度，有效降低因设备性能劣化导致的检测质量风险。4.3助力国际贸易技术互认作为ISO国际标准，本标准的实施为各国检测结果的相互承认创造了条件。尤其在跨境工程项目、进出口设备检验等领域，统一的设备性能标准是结果互认的重要技术前提。4.4对相关标准体系的补充完善该标准与ISO18563-1:2017（仪器部分）和ISO18563-3（系统部分）共同构成了完整的超声相控阵设备特性与验证标准体系，填补了国际标准体系中阵列探头性能验证的空白，对于完善全球无损检测标准体系具有重要意义。5标准制定主要参与单位及其贡献5.1主要参与单位介绍法国国家计量与检测实验室（LaboratoireNationaldemétrologieetd'Essais,LNE）法国国家计量与检测实验室（LNE）是法国国家计量研究院联合体（LNE-CNAM）的核心成员之一，承担法国法定计量和国家计量标准的研究与维护任务。作为欧洲乃至全球知名的计量与检测技术权威机构，LNE长期以来积极参与国际标准化活动，在ISO/TC135（无损检测）和IEC等国际标准化组织中发挥着重要作用。LNE设有专业的超声检测计量实验室，配备了包括光学干涉仪、力脉冲法校准装置、平面扫描水听器等在内的高精度超声测量系统和标准测试装置。该实验室在超声换能器性能表征、声场测量和量值溯源等方面有着深厚的技术积累和丰富的研究经验，为相控阵探头及常规超声探头的计量性能评估提供了权威的技术服务和标准物质支撑。近年来，LNE持续参加欧洲计量研究计划（EMRP和EMPIR）中与超声检测相关的项目，如“超声检测系统性能验证”和“非线性超声计量”等，积累了丰富的前沿研究成果。5.2在该标准制定中的主要技术贡献LNE作为ISO/TC135/SC7/WG3工作组的核心成员之一，深度参与了ISO18563-2:2024的制定工作。其主要贡献体现在以下方面：第一，牵头起草了标准中性能参数测量方法的部分关键内容，特别是探头灵敏度和带宽测量的技术方案；第二，将实验室在超声换能器计量校准领域的多年研究成果融入标准，提升了测试方法的科学性和可操作性；第三，组织了多项实验室间比对试验，为验证标准中规定的测试方法的重复性和再现性提供了关键数据支持；第四，在标准制定讨论中积极推动测量不确定度概念的引入，为提升标准的计量学水平做出了实质贡献。6标准实施展望与建议6.1国际应用前景ISO18563-2:2024作为超声相控阵阵列探头领域的首个ISO标准，预计将在全球范围内得到广泛采用。在航空航天、能源等质量要求严格的行业，该标准预计将较快被纳入供应链质量体系要求。同时，该标准也有望被ISO9712（无损检测人员资格认证）和ISO17025（检测实验室认可）等体系引用，进一步提升其在行业中的影响力和强制约束力。6.2对国内标准化工作的启示对于我国而言，ISO18563-2:2024的发布为国内相关标准化工作提供了重要参考。建议国内无损检测标准化技术委员会及时跟踪研究该标准内容，结合国内产业发展实际，适时启动对应的国家标准或行业标准制定工作。同时，国内检测设备和探头的制造商也应积极对标国际标准要求，提升产品性能和质量管理水平，为参与国际竞争奠定基础。6.3未来发展趋势随着超声相控阵技术的持续演进，特别是全矩阵采集（FMC）和全聚焦成像（TFM）等先进数据处理技术在工业领域的加速推广，对阵列探头性能的要求也在不断提高。未来，ISO18563-2的后续修订预期将进一步涵盖以下方向：适应更高频段（如20MHz以上）探头的新测试方法、增加对探头长期稳定性评价的要求、纳入新材料和新型换能器技术（如单晶复合材料、1-3压电复合材料等）的特殊特性参数等。此外，数字化和智能化的测试方法和自动化验证系统也将会成为未来标准修订的重要方向。7结论ISO18563-2:2024《无损检测超声相控阵设备的特性和验证第2部分：阵列探头》作为超声相控阵检测技术领域首个针对阵列探头的国际标准，具有里程碑式的意义。该标准系统规定了阵列探头的性能参数定义、测量方法、类型验证和例行验证程序，有效填补了国际标准体系的空白，将为全球超声相控阵检测技术的规范化发展提供重要的技术支撑。该标准的实施将带来多方面的积极效益：推动设备制造商提升产品质量和一致性；帮助检测用户建立科学的设备验收和周期核查制度；促进检测结果的国际互认，消除技术贸易壁垒。与此同时，标准的推广应用也需要行业各方共同努力，包括标准化技术组织的宣贯培训、合格评定机构的能力建设、制造企业的技术升级以及与相关标准的有效衔接等。我国作为全球无损检测设备制造和应用的重要国家，应密切关注国际标准化动态，积极采用和转化该国际标准，不断提升国内超声相控阵technology的整体水平和国际竞争力。随着阵列探头性能验证标准的落地实施，超声相控阵检测技术必将在更广阔的工业应用领域发挥更大的作用，为保障工业产品质量和运行安全做出更加重要的贡献。参考文献[1]ISO18563-2:2024,Non-destructivetesting—Characterizationandverificationofultr