GB T 19800-2005 无损检测 声发射检测 换能器的一级校准.pdf

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1、ICS 19. 100 J 04 道自中华人民共和国国家标准GB/T 19800一2005/ISO12713: 1998 无损检测声发射检测换能器的一级校准Non-destructive testing-Acoustic emission inspection一Primary calibration of transducers (ISO 12713: 1998 , IDT) 060121000056 2005-06-08发布2005-12国01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局也士中国国家标准化管理委员会.c.，IJ GB/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 目

2、次皿11122378919 件U文语川口理u果用义略U处结引定缩求u据析准性和和要数分校t围范语号般置准差型明言范规术符一装校误典和前123456789参I GB/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 前言本标准等同采用ISO12713: 1998(无损检测声发射检测换能器的一级校准)(英文版)。本标准等同翻译ISO12713 :1 9980 为便于使用，本标准做了下列编辑性修改za) 本国际标准一词改为本标准气b) 用小数点代替作为小数点的逗号，;c) 删除国际标准的前言和引言;d) 用GB/T1. 1规定的引导语代替国际标准中的引导语。本标准由中国机械工业联合会提出。本

3、标准由全国无损检测标准化技术委员会(SAC/TC56)归口。本标准起草单位:国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心、清华大学、广州声华科技有限公司、北京科海恒生科技有限公司。本标准主要起草人:沈功田、刘时风、段庆儒、李光悔。皿GB/T 19800一2005/ISO12713: 1998 1 范围无损检测声发射检测换能器的一级校准本标准规定了声发射换能器绝对校准的方法。其目的是为声发射检测建立统一的标准，为实现数据相关建立基础，并且对不同(在不同时间不同地点所获得)的检测结果提供解释。描述声发射换能器的性能必须规定一种可接受的方法。本标准为搞合在固体介质表面接受弹性波的声发射换能器建立

4、一套级校准方法。校准是换能器对在声发射检测中经常接收的声波频率的响应。换能器的电压响应在大约10kHz至1MHz的分立频率间隔中来确定。输入是在搞合表面上已知的动态位移。校准单位是输出电压每机械输入(位移、速度、如速度)。本标准适用于二级标准换能器和用于检测的换能器的校准。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T 12604.4无损检测术语声发射检测(GB/T

5、12604.4一2005.1S012716:2001.IDT) ASTM E 114-95 接触式超声脉冲回波直射检测(UltrasoncPulse-Echo Strght-Beam Examna tion by the Contact Method) ASTM E 494-95 材料超声速度测量(MeeasuingUltrasonic Velocity in Materials) ASTM E 650-85 (1992) 压电式声发射传感器的安装(MountingPiezoelectric Acoustic Emission Sensors) BRECKENRIDGE.F. R.GREENS

6、PAN .M.表面波位移:电容换能器测量.美国声学学会杂志.69:1177-1185 (BRECKENRIDGE. F. R and GREENSPAN. M. Surface-Wave Displacement: Absolute Measurements Using a Capacitive Transducer.Journal Acoustic Socirty of America. Vol. 69.pp. 1177-1185) 3 术语和定义GB/T 12604. 4确立的术语和定义道用于本标准。1) IS0 12716:2001是以ASTME 610为标准草案而制定的，故IS0127

7、16: 2001与ASTME 610是等效的，两者的术语和定义基本一致。2)与ASTME 114对应的我国标准为JB/T40091999(n吨ASTME 114-96)。3)与ASTME 494对应的我国标准为JB/T7522-1994(neq ASTM E 494-85)。1 G/T 19800-2005/ ISO 12713: 1998 4 符号和缩畸语4. 1 符号符号a A |标准换能器的绝对灵敏度C 瑞利波速度D(!m) 被测f 频率!m J 11 k 11 rm S1 5(!m) T Uj U(!m) /:;.t m 缩略语5 一般要求5. 1 位移换能器本校准方法适用于法发射传感

8、器的校准。因此，传的校准准确度。术语的回波前(100s)的全部响应。对低频段的校准结果尚有疑问。5. 2 声发射传感器单位口1V . m-1 盯151MHz MHz m -1 V s V s 标准可用于无损评价的声瞬时输入后，而尚未接收到从校准块边界反射本标准也适用于元损评价中声发射传感器的校准，其中部分声发射传感器不如标准传递装置稳定。对于校准装置所说的校准准确度是指频率在100kHz到1MHz之间，而在100kHz以下校准准确度不高。注:对机械/电子换能装置进行校准的主要困难在于如何确定换能器件的机械运动输入。使用该校准方法，输入的运动参数可以由两种方法确定一一理论计算和使用绝对位移换能器

9、进行实际测量。5. 3 理论计算弹性理论已经被用于计算由法向点力师、阶跃函数引起的半无限大介质表面的动态位移。这种方法2 G/T 19800-2005/ ISO 12713 : 1998 确定了表面上任一点的位移时间的函数关系，产生了位移波形，我们称之为振动表面脉冲。该校准方法使用了近似理论解的实验方法。参见参考文献lJ和2J。半无限大介质用一个大的圆柱形金属块近似，点力源阶跃函数由金属块平面上一个毛细玻璃管的破裂来近似。位移时间函数可由检测状态下传感器的安装位置(传感器与瞬时信号的输入在金属块的同一平面)计算得出，位移的计算可以通过阶跃力的测量以及由金属块中的声速确定的弹性模量来实现。5.

10、4 绝对位移的测量本校准方法要求对试块表面法线方向的动态位移进行绝对测量。用于动态位移测量的换能器对于待检换能器来说是标准换能器。该标准换能器应符合或者超过Breckenridge和GreenspanC见第2章)所描述的电容换能器的性能。标准换易如亘安性能也时也真、高灵敏度和经得起理论计算的检验。对于被测表面无可察觉到的他何动态载荷。校准时，标准换能器和待但位于相反的方向上。换响应基础上。声发射传地阻抗相互作用由表面的运动，变量。因此，校、5. 6 试块材料由于校准过程E墨、同的。结果可能相差，试块上进行校准，其平只的值将只有钢质试块上的、。对于表面波校准，试块中、JICka)的零点处不存在孔

11、径效应战42f/c)。因此，在零点处的频率由瑞利波速6 装置6. 1 概述瞬时冲击输入点相同的距离，叶间过程。比较待检传感器传黠器和试块的机械典型的校准装置如图l所示。一个直径约0.2mm的玻璃毛细管B，被压在加载螺杆C的尖端和钢质试块A上表面之间。当毛细管破裂的时候，突然释放的冲击力是一个阶跃函数，上升的时间大约是0.1问。冲击力的大小可由装配在加载螺杆上的PZT晶片D和连接到存储示波器F上的电荷放大器E测量得出。标准的电容换能器G和待检换能器H放置在与力源同样距离但方向相反的位置(通常是0.1m)。从对称的角度看，很显然如果忽略换能器的加载效应，那么在两个换能器所处位置表面的位移要相同。标

12、准电容换能器的加载效应可以忽略，而待检换能器的加载效应是校准的一部分。3 GB/T 19800一2005/ISO12713: 1998 两个换能器输出的电压瞬态变化被数字记录仪I同时记录，需要处理的信息由计算机J存储。使用这个装置，就可以比较待检传感器与标准换能器或与弹性理论计算的位移波形。两种比较方法的结果宜相似。A一一钢质转换试块$B一一玻璃毛细管zC一一加载螺杆sD一-PZT晶片;E 电荷放大器FF一一存储示波器pG一一标准换能器:H 待检换能器pI一一瞬态记录器;J一一计算机。6.2 试块B H A 固1装置结构图试块应由专门选定的材料制作，应尽量无缺陷，且按ASTME 114或相当标

13、准中要求，用2.25MHz的纵波进行检测。试块缺陷产生的回披不大于第一次底面波的10%。试块材料还要求很高的均匀性，这可通过对规则分布在试块表面上至少15个点进行脉冲回披时间的测量而确定(见ASTME 494)。纵波和横波的波速与各自的平均被速相差应大于士1%0和:!:3%0。试块和校准仪器如图2所示。6.3 阶跃函鼓源阶跃函数力源的产生应通过断裂玻璃毛细管实现(见图3)。玻璃毛细管是普通的由删硅酸盐制成的实验玻璃管。毛细管外径为0.1mm到0.3mm，典型的毛细管外径为0.2mm。当毛细管内径尺寸等于管的厚度时实验效果最好。毛细管断裂产生的力通常在10N到30N之间，通常为20N。毛细管应水

14、平放置在一片显微镜防护用玻璃片(0.08mmX 1. 5 mmX 1. 5 mm)上，玻璃片用水杨酸苯醋或者佩基丙烯酸盐粘合剂粘合在试块表面上。作用力通过一个实芯的玻璃棒(直径12mm)加载在毛细管上，玻璃棒与毛细管相互垂直放置。玻璃棒通过加载螺杆向下施加作用力，直到毛细管断裂。加载螺杆上安装有一个已在静载荷下校准过的陶瓷换能器。所以，尽管毛细管破裂产生的冲击力事先不能估计出来，但可以测量得出，并将其用于表面位移的弹性理论计算。理想状态下，毛细管宜直接放置在试块上而无需中间加防护玻璃片。但是使用防护玻璃罩可以避免对试块表面的损坏。玻璃片对弹性波的影响很微弱;弹性波在其边界的反射会产生轻微的声信

15、号。此声信号只包含2MHz以上的频率成分。因此，它对标准换能器和待检传感器的影响相同，对校准结果没有影响。4 1一一加载螺杆;2-一-PZT盘;3一一玻璃棒;4-一玻璃片;5-一毛细管。3 GB/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 图2校准装置的照片5 图3玻璃毛细管源5 GB/ T 19800-2005/ ISO 12713 : 1998 6. 4 标准换能器在校准中用来测量绝对位移的标准换能器至少应具有Breckenridge和Greenspan所描述的电容换能器相同的性能。该装置如图4a)和图4b)所示，关键部件是一个装配柔性支撑上的惯性块(约40g) , 它和试块

16、表面具有大约4m的间隙。这个间隙是通过使用Breckenridge和Greenspan所描述的电桥来测量换能器和试块之间的电容而确定。惯性块是一个水平放置的黄铜柱。当试块表面振动频率大于处在柔性支撑上惯性块的固有频率时(约为1kHz)，黄铜柱基本保持稳定。用100V直流电源通过一个大电阻对黄铜柱进行极化，因此换能器和试块之间的电容的变化会引起黄铜柱上电压的变化。a)照片(在钢质试块重的反射)X 的N，。X Y J一振动电极的长度;2a一一振动电极的直径;g一一保护间隙的宽度。b)纵截面图4电窑换能器6 GB/ T 198 00-2005/ISO 12713: 1998 作为一级校准，待检换能器

17、灵敏度是能计算得出的。为了使计算简便，黄铜柱被认为是无限长圆柱的一部分，其两端附有电保护部分以消除边界效应的严重影响。标准换能器的敏感区为12.4mm长，有效宽度小于1mm。这个区域的长轴与毛细管破裂产生的弹性波的波阵面相切。换能器的灵敏度大约为12X106V/m，可检测到的最小位移为4X10一12m。针对换能器有效孔径尺寸计算出的频率响应和它相对于波前由率的偏移如图5所示。在1MHz处振幅下降了不到10%，相位延迟大约为80。公式(4)和公式(5)可以用于计算在特定频率上的响应。对于位移测量的总体估计误差约为土5%。使用标准换能器得到的位移测量值与通过弹性理论计算得出的位移值误差在5%之内。

18、的位置(见ASTME 650)，否则标准换能器和待检换能器放在每次校准结果报告中要进6.5 数据记录和处理设备校准中，用于计算的续采样102.4间。质上。的瞬态记录仪来记录。样率，并且至少可以连在软盘等的储存介n UT 5 J U j Sj和Uj的单7.2 复值频i蕾数据宜按照以下号的(复值)频谱仪儿，) 和待检换能器输出信. ( 1 ) . ( 2 ) 式中:f m=m/ T ,m =0 , 1 ,2 , , (/2) -1，是第m个频率。待检换能器的响应D(儿)与标准换能器的响应相互关系为U(f,) D(f, ) =一一一一5(f, ) . ( 3 ) 7. 3 幅度和相位幅度和相位是由U

19、Cfm)、5C儿)和DC儿，)计算得出:rm = DCfm)的幅值=I DCf, ) I C 4 ) Im DC f , )J = DCfm)的幅角-arct an C 5 ) Re DC f , ) GB/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 式中zImD(!m)J-一回表示D!m)的虚部pReD(!m)J-一一表示D!m)的实部。7.4 圈形表示在第9章中给出了典型校准中如前述步骤的图解。以绝对单位表示的待检换能器的灵敏度为Arm这里A是标准换能器的绝对灵敏度。7.5 特殊事项计算中有几个方面需要特别注意。从标准换能器获得的频谱宜根据前面所述的孔径效应和波前曲率的影响进

20、行修正(见图5)。如果函数的初始值和终值不同，在对有限长数据进行离散傅立叶变换时就会出现一些问题。傅立叶变换认为该函数是周期性的，并且周期等于数据的长度。如果初始值和终值不同，那么就需要在各个周期的接点时间要进行人为处理。得到的结果中产生了在变换中不存在的频率。一种简单的解决方法是给数据加入一个线性函数，如下所示:5;=SJ十(j/n)(s。一Sn-1) ( 6 ) U) = Uj + (j/n) (uo - Un-1) .( 7 ) 修正函数5;和u;中没有引入人为因素。通过分析可看出这种方法和其他两个常用的处理阶跃函数的方法在除零值点外是相同的。计算相位时，使用四象限坐标系就会发现-arg

21、 D (! m ) 的值在-到之间。计算S(!m)和U(!m)的相位时，时间原点的选择最为重要。公式(1)和公式(2)隐含着时间原点在k，t=O的假设。这是记录的开始时间，它和试块表面振动的物理现象没有任何实际的联系。如果起始时间是标准换能器中瑞利波峰值到达的时间，那么数据处理会更加简单。可以对民!m)和U(!m)进行三角变换以移动起始时间。很明显地.D(!m)的相位并不受这种变换的影响，因为S!m)和U!m)的相位变化量相等。由于相位是由复数的幅角表示，那么它在2的整数倍内有唯一的对应值。相位就是一argD(!m)J的值，在到之间。这就意味着随着频率增大，若D!m)经过了负实轴，则相位跳变2

22、。为了消除这种跳变，规定以频率增加的顺序计算相位，这样每个相位值就最接近前一个值。对于具有稳定的相位特性的换能器来说，这种规定很适合。然而有时候，换能器具有比较宽的振荡相位特性或者在某些频率时相位非常接近于零值，那么相位就会存在2仰的误差。对于校准的数据有两种表述方式。在上面提到的形式中，幅度的单位是输出电压(V)每表面位移(m) .因为标准换能器是位移传感器。另一种表达方法是把它转换成为电压(V)每速度(m/s)。可以通过把从标准换能器中得出的民!m)乘以2!m实现，这相当于初始时间函数的微分。把待检换能器的频率响应转换成时域内的波形或者是脉冲响应，可以通过离散傅立叶逆变换实现。待检换能器的

23、脉冲响应也可以直接由待检换能器和标准换能器的时域波形反卷积得出。除了得到频率响应信息外，还得到脉冲响应信息。8 误差分析8. 1 误差来源存在着一些误差影响这种校准方法的准确度和重复性，比如采集处理过程和待检传感器安装情况的变化。8.2 换能器的灵敏度在6.4中描述的电容换能器的绝对灵敏度在士5%之间，因此校准的误差也是土5%.但校准曲线的形状不会受到影响。8.3 可估计的误差放大器噪声、信号采集中的量化噪声、信号源的随机变化和对连续傅立叶变换的离散近似等都会产8 GB/T 19800一2005/ISO12713: 1998 生可估计的误差。这些误差很难估计，但宜通过实验对安装好的换能器进行多

24、次重复标定来进行估计。当对数据进行有限时间(102s)的采集，对该时间段之后来自于换能器的信号将被忽略，这样也会产生可估计的误差。对于具有快速响应的换能器来说，此误差可以忽略，但误差大小取决于在数据采集结束时换能器的响应速度。经过傅立叶变换得到离散的频率成分，频率间隔为1fT，近似为10kHz，这是对实际的连续频谱的近似。那么实际低于100kHz频率的信号，经过傅立叶变换其结果就会很粗略。对于高保真和稳定性的换能器来说，在10kHz到100kHz的频率中存在着有用的信息。对于谐振换能器来说，在这个范围内很难得到理想的精度。在高于1MHz的频率，放大器和量化噪声变得很严重，以至于不可能达到预期的

25、精度。在100kHz到1MHz之间，放大器噪声、量化噪声、傅立叶变换的有限性和时窗的有限性，在90%的置信度下，宜在:1:5%以内。对于近似理想化的换能器来说，这样的误差估计可以在0.01 MHz到1MHz的频率范围内达到。8.4 校准的重复性重新安装比不重新安装换能器而进行的重复校准的重复性差。很明显重新安装换能器会出现新的问题。在校准过程中，要特别注意减小由于以下情况所引起的变化。一一传感器安装表面的不平整;一一试块表面的小毛剌;一一-搞合面的污垢;搞合处过大秸度;一一冲击力作用点及大小的变化(参考值为9.8N)。对这些情况的了解可以通过多次安装换能器进行重复校准实现。在大于0.1MHz频

26、率范围内，对同一个换能器的多次校准结果在90%的置信度下，Arm最大值的波动范围宜在:1:10%以内。8.5 数据验证宜采集重复校准的数据，整个系统的校准精密度要保证在:1:15%以内。9 典型校准结果图6和图7是对一个声发射换能器的两次校准结果，在两次校准中对换能器进行了重新安装。图8到图15表示来自声发射换能器的校准数据的处理过程。至少，类似于图8、图9、图14和图15的图形宜包括在校准报告中，还要包括基本方法提到的文献和与预期过程不同的变化。9 GB/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 1. 3 1. 1 1. 2 且可忽灰黑0.9 0. 8 o. 7 。.6O.

27、5 0 频率/MHz固5一定间隙宽度和波前曲率偏移的电窑换能器(距离冲击源0.1m)的计算频率响应10 G/T 19800一2005/ISO12713: 1998 11 重复安装的声发射换能器两次校准的幅频晌应图630 。20 一3040 20 10 - 10 huM咀瞿GB/T 19800一2005/ISO12713: 1998 。-20 -30 -40 -10 30 20 10 Mm回阳gE特1. 2 0.6 0.8 频率/MHz0.4 0.2 nu nu k 对应于固6幅频晌的应相频晌应圈712 140 100 60 国20iIfI 击 酶耀晴也-20 -60 -100 -140 -18

28、0 。GB/T 19800一2005/ISO12713: 1998 20 40 60 80 100 120 时间/圄8典型校准申，由瞬态记景仪果集的标准换能榻的电压时间波形13 G/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 14 140 100 60 国20-!p 击i酷酶适量 -20 -60 -100 -140 -180 。20 40 60 80 时向/s100 120 固9同样校准中，由瞬态记录仪采集的待检换能器的电压-时间波形GB/T 19800-2005/180 12713: 1998 50 20 10 - 20 10 。40 30 回可倒霉- 30 0 15 1. 2

29、 0. 6 0.8 频率/MHz对固8数据进行快速傅立叶变换得到的幅频固0. 4 O. 2 图10GB/T 19800-2005/180 12713: 1998 -10 -8 6 -4 -2 。M回国阳划导-户一-2 飞句气，._.，-吨，m 呵-4十 0_6 0.8 频率/MHz十斗-6 0 对应于固10的相频圈固1116 GB/T 19800一2005/ISO12713: 1998 50 。-10 -20 40 30 20 10 mq倒摩-30 0 17 1. 2 0.6 0.8 频率/MHz对固9数掘进行快速傅立叶变换得到的幅频图0.4 0.2 圄12GB/T 19800-2005/IS

30、O 12713: 1998 18 10 8 6 4 2 nU M回国阳划娶- 2 - 4 6 频率/MHz圈13对应于图12的相频固i:C .四、暂且30 20 10 。w: -10 20 30 40 - 50 GB/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 图14固12的纵坐标除以固10的纵坐标所得的待检换能器的幅频固19 GB/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 6 4 。-2 -4 8 2 10 Mm回m划要-6 1. 2 固13的纵坐标减固11的纵坐标所得的待幢换能器的相频固0.6 0.8 频率/MHz0.4 0.2 图15。20 G/T 1980

31、0-2005/ISO 12713: 1998 参考文献lJ BRECKENRIDGE, F. R. , Acoustic Emission Transducer Calibration by Means of the Seis mic Surface Pulse, Journal of Acoustic Emission, Vol. 1, pp. 87-94 , 1982 April. 2J Hsu, N. N. and BRECKENRIDGE, F. R. , Characterization and Calibration of Acoustic Emission Sensors, Ma

32、terials Evaluation, Vol. 39 , pp. 60-68 , 1981 January. 3J BRECKENRIDGE, F.孔，WATANABE, T. and HATANO, H. , Calibration of Acoustic Emission Transducers: Comparision of Two Methods,Proceedings of the 6th Acoustic Emission Sym posium, Tokyo, pp. 448-458 , 1982. 中华人民共和国国家标准无损检测声发射检测换能器的一级校准GB/T 19800-2005/ISO 12713: 1998 * 中国标准出版社出版发行北京复兴门外三旦河北街16号邮政编码:100045网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销晤开本880X 1230 1/16 印张1.75 字数43千字2005年11月第一版2005年11月第一次印刷晤书号:155066 1-26513 定价15.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533GB/T 19800-2005 户的FhNF。自山CON-00FF阁。