PAGEIGB/TXXX—××××PAGEII超聲波探傷用液浸式換能器特性校準規范編制組主編單位：西安漢唐分析檢測有限公司預審稿202超聲波探傷用液浸式換能器特性校準規范編制組主編單位：西安漢唐分析檢測有限公司預審稿2024-08JJF（有色金屬）XXXX—XXXX超聲波探傷用液浸式換能器特性校準規范(編制說明)1PAGE8工作簡況1.立項目的超聲波探傷用液浸式換能器主要用于水中超聲探傷時，配套超聲探傷機使用。它可以將電信號變換為超聲信號，又能將超聲信號變換為電信號，即具有超聲發射和接收雙重功能。它是諧振于超聲頻率的壓電陶瓷，由材料的壓電效應將電信號轉換為機械振動。主要應用于金屬材料加工企業對其產品的超聲無損檢測，在這種應用場所中，超聲波探傷用液浸式換能器的性能指標能夠滿足工藝要求對能否發現被檢測樣品的內部缺陷起著關鍵作用。目前，可參考對超聲波探傷用液浸式換能器進行校準的有JJF1650-2017《超聲探傷儀換能器聲場特性校準規范》、JJF1294-2011《超聲探傷儀換能器校準規范》等規范。但這些規范的發布日期距離當前已經有較長時間，導致這些規范在當前的實際校準工作中存在校準方法不適用，校準項目不全面等問題，無法保證校準結果的準確性與可靠性。重新編寫更適用于超聲波探傷用液浸式換能器的校準方法，完善相關校準項目，保證超聲波探傷用液浸式換能器校準結果的準確可靠，可以為指定的探傷工藝提供保障，進一步幫助有色金屬行業實現高標準、高質量的的發展目標。2.任務來源為保證用于校準超聲波探傷用液浸式換能器的量值準確、可靠，適應我國有色金屬行業的快速發展和滿足國內外市場的需要，工業和信息化部以工信廳下達了《工業和信息化部辦公廳關于印發2022年行業計量技術規范制修訂計劃的通知》（工廳科［2023］476號），其計劃項目代號為：JJFZ(有色金屬)013-2023，計劃完成年限為2024年。3.項目編制組單位簡況本規范的編制組單位為：西安漢唐分析檢測有限公司、中國計量科學研究院、湖南湘投金天鈦業科技股份有限公司、陜西天成航空材料有限公司、南通友聯數碼技術開發有限公司、西安優耐特容器制造有限公司。西安漢唐分析檢測有限公司是西北有色金屬研究院(集團)控股子公司，屬國有企業，主要從事有色產品的檢測、可靠性評價、失效分析、質量評估、腐蝕性能及表面測試與表征、規范起草、檢測方法的開發、標物的研制、設備的計量校準等。公司于1985年被陜西省質監局授權為陜西省有色金屬產品質量監督檢驗站。1987年被中國有色金屬工業總公司授權為西北質量監督檢驗中心，先后被國家質檢總局確定為鈦及鈦合金、銅及銅合金管材生產許可證檢驗工作實施單位；公司通過CNAS、CMA、國防DiLAC等認證認可，是陜西省有色金屬材料分析檢測與評價中心、陜西省稀有金屬材料安全評估和失效分析中心、工業（稀有金屬）產品質量和技術評價實驗室、陜西省核工業用金屬材料檢測與評價服務平臺掛靠單位。公司是國內最早從事有色金屬材料及其產品分析檢驗檢測與評價研究的專業機構之一，技術裝備水平國內一流、國際先進，在我省優勢產業稀有金屬材料領域的檢測能力和水平處于領先地位；先后承擔了國家、省市多項重大課題，目前已建成國內唯一的核電堆芯材料分析檢測平臺、多層金屬復合材料測試和評價平臺、鈦及鈦合金專業檢測平臺。近10年起草有色金屬國家/行業規范共80余項、發表論文120余篇、授權專利30余項。先后榮獲中國有色金屬工業一等獎、二等獎20余次。本單位積極組織編制組各次工作會議，開展相關的校準，有效組織參編單位多次對規范的各版《征求意見稿》進行認真的討論和審議，提出大量有益的意見和建議，在編制組中發揮了牽頭作用。中國計量科學研究院成立于1955年，隸屬國家市場監督管理總局，是國家最高的計量科學研究中心和國家級法定計量技術機構，屬社會公益型科研單位。中國計量院主要開展科學計量、法制計量、工程計量三個方面的職責。計量院擁有和平里和昌平兩個院區，其中，和平里院區占地7.4萬平方米、建筑面積6.1萬平方米，昌平院區占地55.3萬平方米、建筑面積4.8萬平方米；設置14個研究所、8個職能管理機構、4個服務保障機構。截至2013年，中國計量院在職職工741人，其中\t"/item/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E9%99%A2/_blank"中國工程院院士2人。中國計量科學研究院力學與聲學計量科學研究所下設六個研究室：質量密度研究室、測力研究室、容量研究室、硬度研究室、振動沖擊研究室、聲學研究室。現有科技人員52人，其中，高級技術職務17人。本所保存國家計量基準22項、國家計量副基準12項、計量標準33項。1995年至今參加國際關鍵量比對的項目為25項。全所106項校準和檢測項目于1999年至2000年通過了\t"/item/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E9%99%A2%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E4%B8%8E%E5%A3%B0%E5%AD%A6%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E6%89%80/_blank"中國實驗室國家認可委員會的實驗室認可。質量及相關量和聲學校準/測試（CMC’s）能力通過了國際各地區計量組織和國際計量局的審查，已被列入國際互認協議（MRA）的附錄C中，并被登入國際計量局網頁。1998年完成了與荷蘭國家計量研究院（NMI）非自動衡器\t"/item/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E9%99%A2%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E4%B8%8E%E5%A3%B0%E5%AD%A6%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E6%89%80/_blank"型式試驗報告的互認工作；2001年完成了與德國PTB進行非自動衡器和\t"/item/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E9%99%A2%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E4%B8%8E%E5%A3%B0%E5%AD%A6%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E6%89%80/_blank"稱重傳感器型式試驗報告的互認工作；2006年經\t"/item/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E9%99%A2%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E4%B8%8E%E5%A3%B0%E5%AD%A6%E8%AE%A1%E9%87%8F%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%A0%94%E7%A9%B6%E6%89%80/_blank"國際法制計量組織審查批準為非自動衡器和稱重傳感器型式試驗報告互認的試驗機構，可以出具國際互認的非自動衡器和稱重傳感器型式試驗報告。國家質檢總局下設在本所的專業計量技術委員會秘書處有三個，分別為：“力值硬度計量技術委員會秘書處”、“聲學計量技術委員會秘書處”、“質量密度計量技術委員會秘書處”；下設在本所的標準化委員會為“振動標準化技術委員會第三分委會秘書處”。經過四十多年的發展，本所在計量科學研究方面取得了較為顯著的成績，1995年以來獲局以上科技成果獎18項，其中20MN基準測力機達到了國際領先水平，獲國家科學技術進步一等獎。該所積極參加國內外科技合作與交流，按時參加與編制組的各項工作會議，對本規范提出了諸多專業性的建議，完善了校準規范中不確定度的測量模型、對校準規范中校準項目和計量標準器的選擇提出了修改的建議，在編制組中發揮了主要作用。湖南湘投金天鈦業科技股份有限公司是一家專注于高端鈦及鈦合金材料的研發、?生產和銷售的高新技術企業。?該公司隸屬于湖南湘投控股集團全資子公司湖南湘投金天科技集團有限責任公司，?擁有強大的研發和生產能力。?公司注冊資本為3.7億元人民幣，?位于常德經濟技術開發區，?占地450畝，?是國家級專精特新小巨人、?湖南省專精特新中小企業，?并擁有多項資格認證，?如國家級專精特新“小巨人”企業、?湖南省企業技術中心、?湖南省高端裝備特種鈦合金工程技術研究中心等。?湖南湘投金天鈦業科技股份有限公司的發展方向是瞄準國家戰略目標，?打造高端裝備鈦合金材料先進制造平臺與人才集聚創新高地。?公司秉持“以人才為根本、?客戶需求為導向、?創新驅動為動能、?產品質量為生命”的經營理念，?擁有國際先進的鈦合金材料生產線與檢測實驗室。?其產品廣泛應用于航空航天、?海洋艦船、?車輛、?醫療器械等領域，?是中國高端裝備鈦合金材料與零部件的重要供應商。?此外，?該公司還積極參與產學研用合作，?培育自主創新體系建設，?致力于研制生產的鈦及鈦合金棒材、?鍛坯、?零部件等產品的高質量發展。?通過不斷的科技創新和產品研發，?公司已成為中國高端鈦合金材料三家主要供應商之一，?以及大型綜合鈦材加工企業之一。該單位積極參與編制組的各項工作會議，提供了穩定性優異的液浸式超聲換能器用于本規范驗證實驗，在編制組中發揮了主要作用。陜西天成航空材料有限公司天成航材成立于2007年，是專業從事鈦合金材料研發、生產的高新技術企業。公司于2008年投產，目前擁有自主知識產權及各項成果100余項，研發人員占比15%，累計研發投入上億元，是國內較早涉足鈦合金產業的技術隊伍之一。公司產品定位于高端鈦材應用，主營產品包含鈦合金棒材、線材、鍛件等，以一流的“航空標準”管理體系支撐鈦產業高質量發展。公司自主研發、設計了國內首條航空級鈦合金全流程動態多向控溫控軋生產線，可為航空、醫療等高端領域用戶提供超細晶鈦棒及高品質鈦盤卷，從材料端創新突破，解決了多項航空材料“卡脖子”難題；大規格棒材生產線采取“以軋代鍛、鍛軋結合”的方式，進一步優化生產工藝，可為航空終端提供發動機盤、軸件及飛機結構件用原材料，賦能中國航空業態升級。公司致力于通過先進材料的開發及應用推動航空航天事業的進步與發展，先后獲得航天特種工藝Nadcap無損檢測認證及AS9100D、ISO13485、ISO14001、ISO45001等資質認證。公司努力尋求高附加值、高技術含量的鈦合金產業新突破，投資12.8億建成的現代化、智能化生產基地已于2019年投入使用，建筑面積達80000㎡，項目配套3000㎡先進材料實驗室及企業研發中心，預計到2025年，公司年產能將達到20000噸。該單位積極參加編制工作，開展相關的驗證試驗，提供修改意見。西安優耐特容器制造有限公司是一家由西北有色金屬研究院控股的國家級高新技術企業，?專注于稀有金屬裝備的研發、?制造及工程化服務。?該公司成立于2010年，?注冊資本為1.5億元，?由西部材料、?西部超導、?凱立新材等三家上市公司參股。?西安優耐特容器制造有限公司在稀有金屬裝備制造領域內具有世界領先的鉭、?鈮裝備制造技術，?以及國內一流的鈦、?鋯、?鎳裝備制造技術。?公司的業務重點服務于核化工、?新能源和高端精細化工等國家戰略需求及新興產業領域。?公司擁有多項資質和認證，?包括民用核安全機械設備制造許可證、?A2類壓力容器設計及制造許可證、?管道元件（?元件組合裝置）?制造許可證、?ASMEU證、?PED證書等。?這些資質和認證證明了公司在行業內的專業能力和技術水平。?西安優耐特容器制造有限公司還擁有陜西省“稀有金屬裝備”共性技術平臺、?陜西省“稀有金屬壓力容器”工程技術研究中心以及陜西省企業技術中心等研發創新平臺。?這些平臺不僅提升了公司的研發能力，?也為公司的技術創新和產品升級提供了強有力的支持。?該單位積極參與編制組的各項工作會議，對規范的技術指標和校準項目中的部分內容提出了有效建議，在編制組中發揮了主要作用。?4.主要工作過程西安漢唐分析檢測有限公司接到有色金屬行業計量技術委員會轉發下達的制定任務后，成立了計量規范編制組，對計量技術規范編寫工作進行了部署和分工，制定了制定原則及計劃工作。本項目主要工作過程經過了以下幾個階段：1）2023年8月成立了計量規范編制組，明確編制組成員各自的工作內容及任務，對被校對象的使用單位進行了校準需求調研，收集相關資料。2）2023年9月~2024年4月編制組成員對校準規范中的計量特性及校準方法進行了討論，確定了校準項目及方法，在2024年4月形成了校準規范討論稿。3）2024年4月24日~26日，編制組成員參加了由有色金屬行業計量技術委員會組織的在湖南省長沙市華晨豪大酒店召開的有色金屬計量技術規范討論會，與會專家和各單位代表對《液浸式超聲換能器特性校準規范》提出了修改意見，并且在會上確定了項目負責起草單位明確了各項工作時間進度要求，編制組依據討論會上提出的修改意見，修改討論稿并形成征求意見稿，具體意見內容如下：1、4章節：計量特性描述統一改為：“一般不超過”；2、6章節圖1中圖示解釋改為“注：1——超聲波接收發射儀；2——自由調節裝置；3——示波器顯示；4——液浸式超聲換能器；5——球靶反射體?！毙问?；3、全文公式格式按照要求調整；4、附錄A，按照格式要求進行修改，同時新增示意圖空白處；5、附錄B，按照格式要求進行修改，同時新增示意圖空白處；6、附錄C，按照格式要求進行修改。4）2024年5月~2024年6月發出征求意見稿，2024年7月匯總征求意見，修改征求意見稿形成預審稿，具體意見內容如下：1、5章節：在5.2測量標準及其他設備表1中儀器設備名稱增加“信號發生器及功率放大器、球靶”技術要求中增加“具備猝發音功能的任意波形發生器，頻率范圍上限高于15MHz；若信號發生器的輸出幅度較低，考慮采用功率放大器來驅動信號，功率放大器的帶寬應優于（0.5~15MHz），總失真不大于2%。表面光滑的金屬小球；被校準換能器頻率：（0.5~3）MHz，球靶直徑：（3~5）mm；被校準換能器頻率：（0.3~15）MHz，球靶直徑：≤3mm?！保?、6章節：圖2修改換能器與水聽器聲程示意圖；3、附錄C：C.2.2測量結果不確定度主要來源分析中，新增“擬合算法u5、聲場不理想u6”；重新評定C.3.1測量重復性引入的標準不確定度分量編制原則本規范是以JJF1071-2010《國家計量校準規范編寫規則》、JJF1001-2011《通用計量術語及定義》和JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》為基礎性系列規范進行編寫。本規范引用了JJF1650-2017《超聲探傷儀換能器聲場特性校準規范》、ISO22232-2《Non-destructivetesting-Characterizationandverificationofultrasonictestequipment》、ASTME1065《EvaluatingCharacteristicsofUltrasonicSearchUnits》等相關內容。確定主要內容1范圍本規范適用于頻率在（0.5~15）MHz范圍內的液浸式聚焦換能器與液浸式平面換能器。2引用文件本規范無引用文件。3概述超聲波探傷用液浸式換能器由壓電晶片、阻尼塊、接頭、電纜線、保護膜和外殼組成。其關鍵部件是壓電晶片，是一個具有壓電特性的單晶或多晶體薄片，其作用是將電能轉換為聲能，并將聲能轉換為電能。廣泛應用在超聲無損檢測等領域，可分為聚焦換能器和平面換能器。液浸式超聲換能器的特性參數可通過球靶反射體法和水聽器法測量超聲信號和掃描聲場獲得。4計量特性4.1脈沖回波靈敏度與出廠數據相差一般不超過±3dB。4.2中心頻率中心頻率偏差一般不超過標稱值的±10%。4.3相對帶寬偏差一般不超過標稱值的±15%。4.4焦距/近場長度焦距/近場長度偏差一般不超過標稱值/理論值的±15%。4.5場深（焦柱長度）場深（焦柱長度）偏差一般不超過標稱值的±15%。4.6焦點尺寸/聲束直徑焦點尺寸/聲束直徑的偏差一般不超過標稱值的±20%。4.7聲束擴散角偏差一般不超過標稱值的±20%。5校準條件校準時的環境條件應滿足以下要求：室溫：（18~28）℃；水溫：（15~33）℃。測量標準及設備應滿足如下表1要求.表1校準設備序號儀器設備名稱技術要求1超聲波接收發射儀或信號發生器及功率放大器頻帶寬度：0.5MHz~30MHz；激勵電壓：50V~350V；激勵方式：方波、尖波。具備猝發音功能的任意波形發生器，頻率范圍上限高于15MHz；若信號發生器的輸出幅度較低，考慮采用功率放大器來驅動信號，功率放大器的帶寬應優于（0.5~15MHz），總失真不大于2%。2數字存儲示波器工作頻率上限不低于100MHz，采樣率高于200MHz，具有頻譜分析功能。時間分辨力優于0.1μs。3水聽器帶寬：0.5MHz~15MHz；直徑小于2λ，λ為在水介質中聲速波長。4球靶表面光滑的金屬小球；被校準換能器頻率：（0.5~3）MHz，球靶直徑：（3~5）mm；被校準換能器頻率：（0.3~15）MHz，球靶直徑：≤3mm。5水箱及自由調節裝置水箱應滿足聲場掃描范圍的要求，聲場長度方向，水箱尺寸應大于被校換能器的3倍近場區；換能器夾持調節機構，應具有五個自由度的調節能力，包括X、Y、Z的空間定位，以及調節水平偏轉和垂直俯仰功能，其中X、Y、Z的空間定位精度應優于0.02mm，另外兩個自由旋轉角度分辨力應優于0.05°。6溫度計測量范圍：0~40℃；示值誤差應優于±0.1℃。6校準項目和校準方法6.1校準項目校準項目見表2。表2聚焦/平面超聲換能器校準項目一覽表序號項目名稱1脈沖回波靈敏度2中心頻率3相對帶寬4焦距/近場長度5場深（焦柱長度）6焦點尺寸/聲束直徑7聲束擴散角6.2校準方法整個校準過程將換能器和φ4表面光滑小球反射體或水聽器浸在水中進行，校準裝置及原理如圖1、圖2所示。圖1φ4球靶反射體法液浸式換能器校準系統示意圖注：1——超聲波接收發射儀；2——自由調節裝置；3——示波器顯示；4——液浸式超聲換能器；5——球靶反射體。圖2水聽器法液浸式換能器校準系統示意圖注：1——超聲波接收發射儀；2——自由調節裝置；3——信號同步；4——示波器顯示；5——液浸式超聲換能器；6——水聽器。6.2.1校準前檢查檢查換能器外觀，應滿足一下要求：1）被校換能器應無明顯損壞，發射聲波前端匹配層應完好無破損脫落現象；2）被校換能器防水橡膠圈應無老化開裂現象。6.2.2脈沖回波靈敏度脈沖回波靈敏度計算方法見公式（1）：S=20log其中：S——脈沖回波靈敏度，dB；VoutVin進行相對脈沖靈敏度校準時，采用球靶反射體法進行校準。將換能器發生聲波面朝向球靶固定好后，連接超聲波接收發射儀和示波器，調節超聲波接收發射儀激勵信號波形、激勵電壓等參數，通過自由度調節機構帶動球靶，在示波器顯示波形穩定且幅值最高時進行信號測量。不同類型的液浸式超聲換能器脈沖回波靈敏度會因液體介質類型、液體介質溫度、換能器阻抗不同而產生差異。因此，每次校準時，應詳細記錄校準條件。6.2.3中心頻率中心頻率計算方法見公式（2）：fc式中：fcfufl進行中心頻率校準時，采用球靶反射體法進行校準。校準時，穩定回波信號獲取方法參照6.2.2。使用示波器的頻譜分析功能，得到回波信號的頻率響應曲線。上限截止頻率fu和下限截止頻率fl定義為：脈沖回波信號在頻率響應曲線的峰值點（峰值頻率圖3頻率響應曲線6.2.4相對帶寬帶寬計算方法見公式（3）：BW=f式中：BW——相對帶寬，以百分號表示；fuflfc進行帶寬校準時，采用球靶反射體法進行校準。校準時，穩定回波信號獲取方法參照6.2.2。6.2.5焦距/近場長度對聚焦換能器的焦距校準和對平面換能器的近場長度校準時，采用水聽器法進行校準。將待校準換能器固定并確保其向水槽中發射聲波，連接超聲波接收發射儀和示波器，調節超聲波接收發射儀激勵信號波形、激勵電壓等參數，通過自由度調節機構帶動水聽器對超聲換能器的輻射聲場進行沿聲軸方向的縱向剖面掃描，得到沿聲軸方向的聲壓場數據。通過分析聲軸上的聲壓場，得到待校準超聲換能器的焦距/近場長度。焦距為聚焦換能器焦點到換能器表面的距離，近場長度為平面換能器聲軸上的聲壓峰值處到換能器表面的距離。掃描步進間隔一般設置為不超過工作頻率所對應波長的一半。聚焦換能器聲軸上聲壓分布及焦距測量如圖4中FL所示，平面換能器聲軸上聲壓分布及近場長度測量原理如圖5中N0所示。圖4聚焦換能器聲軸上聲壓分布圖圖5平面換能器聲軸上聲壓分布6.2.6場深（焦柱長度）場深的校準僅對于聚焦換能器，根據6.2.5得到聚焦換能器聲軸上的聲壓分布，在焦點前后尋找比焦點處聲壓幅值下降3dB的位置，該兩個位置的距離即為該換能器的場深（焦柱長度），如圖4所示。6.2.7焦點尺寸/聲束直徑對焦點尺寸/聲束直徑校準時，采用水聽器法進行校準。通過多自由度調節機構帶動水聽器對聚焦換能器或平面換能器的輻射聲場進行垂直于聲軸方向的橫向剖面掃描，得到聲壓場的二維圖。在該二維圖像中，找到最大點，在最大點周圍尋找幅度比最大值下降若干分貝的數據點得到封閉曲線，并通過適當的擬合方式得到規則的圓，該圓的直徑即為聲束直徑。針對水聽器法通常得到的是-3dB聲束直徑。如果擬合結果不是規則的圓，以橢圓的長軸短軸方式表達。6.2.8聲束擴散角對聲束擴散角校準時，采用水聽器法進行校準。根據6.2.5得到聚焦換能器聲軸上的聲壓分布，在遠場區選擇位置A、C，如圖6所示。通過計算A、C處的-3dB聲束直徑，并考慮A、C點間的距離得到擴散角。圖6聲束擴散角計算示意圖擴散角計算公式：擴散角計算公式：θ=2φ=2×arctanW/(式中：Za、ZW——Zc位置處-3dB聲束直徑比Z7校準結果表達經校準后出具校準證書，校準證書由封面和校準數據內頁組成，封面由校準機構確定統一格式，校準數據按照附件B要求，并可根據實際情況進行填寫。校準證書應至少包括以下信息：a)標題：校準證書；b)實驗室名稱和地址；c)進行校準的地點（如與實驗室的地