【国家标准(GB)】 无损检测 声发射检测 换能器的一级校准

ICS 19. 100
中华人民共和国国家标准
GB/T 198002005/IS0 12713:1998无损检测
声发射检测
换能器的一级校准
Non-destructive testingAcoustic emission inspection-Primary calibration of transducers(ISO12713:1998,IDT)
2005-06-08发布
中华人民共和国国家质量盐督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2005-12-01实施
GB/T 19800—2005/ISO 12713:1998本标推等向采用1S012713：1998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 ISO12713：1998。为便于使用，本标准做了下列编辑性修改：a）“本国际标难”一词改为“术标难”b）用小数点“.代替作为小数点的逻，”：c）删除国际标准的前言和引言：d）用GB/1.1规定的引导语代替国际标准的引导请：本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国无揽检测标准化技术委员会(SAC/TC56)归口本标准起草单位：国家质悬监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究心、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.段失儒、李光海。1范围
GB/T19800—2005/IS012713:1998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，为实现数据相关建文基础，并1对不同（在不同时问不同地点所获得）的检测结果携供解释。描述也发射换能器的性能必须规定一种可接受的方法。本标准为耦合在固体介质表面接受弹性波的产发射换能器键立一套一级校准方法。校准是换能器对在声发射检测中经常接收的岂波频率的响应。换能器的电压响应在大约1.0kHz至1MHz的分立频率间隔中来确定。输人是在耦合表面上已知的动态位移。校准单位是输出电压每机械输人（位移、速度、加速度）。本标准适用于一级标准换能器和用丁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推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难，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。凡是不注口期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T2604,4无损检测术语声发射检测（GB/T12604.4—2005,IS012716：2001.IDT)1)ASTMEll4-95接触式超声脉冲回波直射检测(Ultrasonic Pulse-Eeho Strighr-Beam Examinatian bythe Contact Method)?
ASTME49495材料超声速度测量（MeeasuingCltrasonicVelocityinMaterials)sASTM F 650-85(1992）压电式声发射传感器的安装(Moulnting Piezaelectric Acaustic: FmissiorSensors)
BRECKENRIDGE,F.R,GREENSPAN.M.表面被位移：电容换能器测量，美国声学学会杂志，69：1177-1185(BRECKENRIDGE,F.R and GREENSPAN,M.Suriace-Wave Displacenvent:AbsplutcMeasurements Using a CapacitiveTransducer,Journal Acousiic Socirty of Amcrica,VoL69,pp.J177-11853
3术语和定义
GB/T12604.4确立的术语和定义适用于本标推。1）ISO12716：2001是以ASTME610为标准草案而制定的，救ISO12716:2001与ASTME610是等效的，两者的术语和定义基本致。
2)与 ASTM E 114对应的我国标准为 JB/T 10091999(neq ASTM E 114-96)。3)与 ASTME494对应的我国标准为JB/T7522:1994(nFA5EM E404-85)。GB/T19800—2005/IS012713:1998符号和缩略语
4.1符号
4.2缩略语
AE声发射
5一般要求
5.1位移换能器
传感器表面有效半径
标准换能器的绝对灵敏度
瑞利波速度
被测换能器复值频谱响应
第 m个频率
下标0,1,2.·．—
一阶贝塞尔两数
循环波个数
单个通道的采样总数
第 m 个 D(fm)的幅度值
标通道中第1个采样值
标信号的复值烦谢
总记录时间（等于倍的)
未知通邀的第，个采样值
未知信号的复值额谐
采样时间间隔
第m个D(F)的相位
木校推方法适用于法间位移换能器的绝对校准，而这些换能器作为二级标准可用无损评价的声发射传感器的校准。因此，传递标准宜是商保真和摄带稳定的。这样才能保证直到1MHz频率范围内的校准准确度。
注：校准准确度仪在下面的情况中得到保证，即标准换能器在接收到瞬时精人后，而尚米接收到从校准块边养反射的回波前<100 us)的全部响应。对低频段的校推结果尚有疑问，5.2声发射传感器
本标准也适用无损评价声发射传感器的校准，其中部分声发射传感器不如标推传递装置稳定。对于校推装置所说的校准准确度是指频率在100kHz到1MHz之间，面在100kHz以下校准准确度不高。
注：对机械/电子换能装置进行校谁的主要困难在于如何确定赖能器件的机械运动输人，使用该校准为法，摘人的运动参数可以由两种方法确定一理论计算和使用绝对位移换能器进行实际测量。5.3理论计算
弹性理论已经被用于计算由法向点力源阶嵌函数引起的半无限大介质表面的动态位移，这种方法GB/T19800—2005/IS0 12713:1998确定广表而上任一点的位移-时间的丽数关系，产生了位移波形，我们称之为振动表厢脉冲。该校准方法使用了近似理论解的实验方法。参见参考文献1和_2了，半无限人介质用一个人的圆柱形金属块近似，点力源除跃函数由金属块平面上：个毛细玻璃管的被裂来近似，位移时间函数可由检测状态传感器的安装位置（传感器与瞬时信号的输人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。5.4绝对位移的测量
本校准方法要求对试缺表面法线方间的动态位移进行绝对测最，用乎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13rcckenridge和Greensan(见第章）所描述的电容换能器的性能。标准换能器的重要性能包括：高保真、高灵敏度和经得起理论计算的检验。对了被测表面无可察觉到的微小动态载荷。校准时，标注换能器和待检换能器放置在试块的同一个表面上，距离瞬时冲击输人点相同的距离：们位于相反的方向上，换能器这样放置可以保证它们经历了同样的位移-时间过程，比较待检传感器和标准换能器的输出，可以对待检传感器进行校难，这种方法同样也适用丁对无损评价中声发射传感器的校准，部分声发射传感器不稳定面不适宜用作参考标准传感器。这种校准装置衣100kHz到1MHz可以保证校准准确度，但展在1COkHz以下的校推推确度就要差-一些。
对于这种力源输人和换能器其他相关的布置方式也是可能的，但是通常只能对这种“同表面”布置方式进行补充，在校准中换能器接收到的AE波主要是表面波，因此校准宜建立在换能器对表面波的响应基础
5.5校准单位
声发射传感器对它前表面的运动做出响应，传感器前表面的应力和应变是由传感器和试块的机械阻扰相互作用决定，在该处的应力和应变都不能直接逆行测鼻。然而在没有传感器的情说下，试块表面上的位移可以根据弹性理论计算或在表廊的其他地方测量得到，因为南发射传感器是用于监测结构自由表面的运动，而忽略传感器和结构闭的相互作用，所以通常将结构表面的白山运动作为传感器的翰入变量。困此，校准的单位是电压每自由运动单依，例如：Vim。5.6试块材料
由于校准过程由试块的声阻抗和声发射传感器的声阻抗相互作用决定，所以校准方法中必须指定试块的材料。在不同材料的试块上进行校准所得的换能器灵敏度-额率哟线在形状和平均幅度上是不同的。结果可能相差悬殊。比如，在…-块钢质试块上进行校推过的换能器，如果在玻离试块者是铝质试块上进行校准，其平均录敏度只有钢质试块的50%至100%：如果在有机玻璃试快上进行校准，得到的值将只有钢质试块上的3%。通常来说，如果试块的刚性和密度越小，那么校难的灵敏度也越低，对于表面波控推，试快中的瑞利波速会影响校准结果：对于表面炭敏度一致的圆形传感器，衔J,(k)的零点处不存在孔经效他(一2f/c此，在零点处的频率由瑞利波速决定。6装置
6.1概述
典型的校准装置如图 1 所求。一个直径约0.2 mm 的玻璃毛纸替B,被压在加载螺杆C的尖和钢质试块A上表面之间。当毛细管破裂的时候，穿然释放的冲击力是一个阶联函数，上升的时间大药是C,」H5。冲击力的大小可由装配在加载螺杆1.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放置在与力源商样距离但方问相反的位罩（通常是0.13！。从对称的角度看，很靠然如果忽略换能器的加载效应，那多在两个换能器所处置表面的位移要悍同：标准电容换能器的排载效应可以忽略，而待检换能器的加载效应是极准的一部分：GB/T19800—2005/012713：1998两个换能器输出的电压瞬态变化被数字记录仪1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推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——钢质转换试块
B—玻璃毛细管;
C-—加载螺杆;
D---PZT 晶片 :
E电荷放大器此内容来自标准下载网
F——存储尔波器,
G标准换能器：
H——特检换能器
.瞬态记录器，
——诈算机。
图1装置结构图
6.2试块
试块应由专门选定的材料制作，应尽量无缺陷，且按ASTME11&或相当标准中要求，用2.25MHz的纵波进行检测。试块缺陷产生的回波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 个点进行脉冲回波时间的测量面确定(见 ASIM E494）。纵波和横波的波速与各自的乎均波速相差应大于主1%和3%。试块和校准仪器如图2所示。6. 3阶联函数源
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硼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。毛细管应水平放置在一片显微镜防护用玻璃片（0.08mm×1.5mm×1.5mm）上，玻璃片用水酸苯酯或者氰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（自径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啊瓷换能器。所以，尽管毛细管破裂产生的冲击力事先不能估计出来，低可以测量得出·并将其用于表面位移的弹性理论计算。理想状态下，毛细管宜直接放暨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徽的声信号。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。
一如载螺杆：
2--PZT 盘
3——玻璃体:
4玻璃片
一毛细管。
校准装置的照片
图3玻璃毛细管源
GB/T 19800—2005/IS0 12713:1998GB/T19800--2005/IS012713:19986.4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利Greenspan所描述的电容换能器相同的性能。该装置如图4a）和图16)所示，关键部件是一个装配举性支撑上的惯性块（约40g）、它和试块表面风有大约4 μm 的间隙。这个间隙是通过使用Breckenrilge和(ireespen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往，当试块表面振动频率大丁处在柔性支撑上惯性块的固有频率时(约为】kHz),黄铜柱基本保持稳定。用 100 V占流电源通过一个大电阻对黄柱进行极化，困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）2.54
·振动级的长度，
振动电圾的立径；
\一一保护间腺的宽度。
）纵截面
图4电容换能器
GB/T 19800--2005/IS0 12713:1998作为一级校推，待检换能器灵敏度是能所算得出的。为厂使计算简便，黄铜柱被认为是无限长圆样的一部分，其两端渐有电保护部分以消除界效应的严重影响：标推换能器的敏感区为12.4mm长，有效宽度小士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12×E06V/m，可检测到的最小位移为4×10:n1。针对换能器有效孔径尺小计算出的频率响应和它相对于波前曲率的偏移如图5所示。在1MHz处握幅下降了不到10%，相位延退大约为8。公式（4）和公式（5)可以用于计算在特定频率上的响应。对于位移测录的总体估计误差约为主5%。使用标准换能器得到的位移测童值与通过弹性现论计算得出的位移体误差在5%之内。
标换能器和待检换能器放置在距离冲击力作用点0.1m土1mm的位置（见ASTME650)，否则在每次校准结果报告中要进行说明。6.5数据记录和处理设备
校准中，用丁计算的标准换能器和待检换能器的输出信需要双通道同步的瞬态记录仪来记录。至少要有 8 位的精度和 20 MII2z 的来样率或者至少 10 位的精度和 1) MHz的采样率,并且至少可以连续采样102.4μS。记录的数据再传输到微祖上进行数据处理，也可以1永久保存在软盘等的储存介质上。
7校准数据处理
7.1符号
在得到校准结果的数据处理中用到下列符号(见4.1)：72
单通道采样总数；
采样时间间隔（us);
总记录时间(μs，等于n培的At);标推通道的第，；个来样值，
待测通道的第；个采样值；
-0,1,2,.,n-1.
$和出；的单位是伏特乘以-个常数，该常数由所用的电子设备确定。7.2复值频谱
数据宜按照以下方法处理：用快速傅立叫变换，分别计算标推换能器输出信号和待检换能器输出信跨的（复值)频谱S(f)和U(f）。Stf.) = Atsjexp(i2antj/n)
U(fu) - ArZu.exp(i2xmi/m)
fm一m/T,m—0,1,2,-.，(/2）一,是第m个频率，待检换能器的响应D(f，)与标准换能器的响应相万关系为D(f)
7. 3幅度和相位
幅度和相位是由）S()和fm)计算得出：ra = D(f.） 的幅值 =|D(f）1
@。 - D(f.) 的辐角 = arctan [DU)Im[D(f.)
（3）
GB/T19800—2005/IS012713;1998式中：
Im[D——装乐f.的鼠部；
Re[D(f)]-表示D(J）的实部，
7.4图形表示
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+这果A是标准换能器的绝对灵敏度。7.5特殊事项
计算中有凡个方面要特别注意。从梯推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行修正(见图5)。
如巢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。傅立叶变换认为该菌数是周期性的，并且周期等于数据的长度。如果初始值和整值不同，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「在变换中不存在的频率。一种简单的解决方法给数据加人一个线性函数，如下所示：s, — s,+(G/n)(s — )
u; t, +-(j/n)(u —ur-t)
修正函数，和，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argLD(f）的值在… π到 之间。计算 S(f)和U(f）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△=0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。如果起始时间是标难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S（f）和乙（f%）进行三角变换以移动起始时间，很明显地,D(f,)的相位并不受这种变换的影响,因为 S(f.)和U(f)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元 的整数倍内有唯一的对应值。相位就是arg_D(f)的值，在一元到元之间，这就意味着随着频率增大,若D(经过了负实轴，则相位跳变2t。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。对于其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握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%左的误差。对于校谁的数据有两种表述方式。在上面提到的形式中，幅度的单位输出电压（V)每表面拉移(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）。可以通过把从标谁换能器中得出的S(fm)乘以2元f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战时域内的波形或者脉冲响应，可以通过离散傅立叶逆变换实现。待检换能器的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。除了得到频率响府信息外，还得到脉冲响应信息。8误差分析
8.1误差来源
存在着些误差影响这种校准方法的推确度和重复性，比如采集处理过經和待检传感器安装情况的变化。
8. 2换能器的录敏度
在6.4中描述的电容换能器的绝对灵敏度在土5%之间，因此校准的误差也是士5%，但校准曲线的形状不会受到影响。
8.3可估计的误整
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GB/T19800-2005/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次重复标定来进行估计。当对数据进行有限时间（102μs)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的频率成分，频率间隔为1/T，近似为I kHz,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100 kHz的频率中存在着有用的信息。对于谐振换能器来说，在这个范围内根难得到理想的精度。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精度。在10k11z到1MH之间，放大器噪声、量化噪声、痹立叶变换的有限性和时窗的有限性，在90%的置信度下，宜在土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0.01MHz到1 MHz的频率范围内达到：8. 4较准的期复性
重新安装比不新安装换能器而进行的重复校推的重复性差。银明显重新安装换能器会出现新的向题。在校准过程中，要特别注意减小出丁以下情况所引起的变化。一传感器安装表面的不平；
试快表面的小毛刺
耦合面的污垢；
一耦合处过人黏度：
一种击力作用总及火小的变化（参考值为9.8N)。对这些情况的广解可以通过多饮安装换能器进行重复校准实现。在大于 0. 1 MHz频率范围内，对同一个换能器的多次校准结果在90%的置信度下，Ar最大值的波动范围宜在土10%以内。8.5数据验证
宜采集重复校准的数据，整个系统的校推精密度要保证在十15%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表示米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，还要包括基术方法提到的文献和与预期过程不同的变化。GB/T 19800--2005/IS0 12713 19981. 3
频率/MH
5一定间宽度和波前曲率偏移的电容换能器（距离冲击源0.1电）的计算频率响应国5
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