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聽蔣危平先生談國(guó)產(chǎn)超聲波探傷儀

發(fā)布時(shí)間：2018-04-20  點(diǎn)擊次數(shù)：人次  分享：

蔣危平先生（1935-2012）：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì)創(chuàng)始人之一，開創(chuàng)了中國(guó)數(shù)字化超聲波檢測(cè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化道路，研發(fā)了中國(guó)第一代數(shù)字化超聲波探傷儀；中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研究員；曾任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì)第四、五、六、七屆副理事長(zhǎng)，湖北武漢無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事長(zhǎng)；為促進(jìn)中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)，多項(xiàng)國(guó)家獎(jiǎng)獲得者，被授予學(xué)會(huì)首屆“百人獎(jiǎng)”杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

       從第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)超聲波探傷儀問(wèn)世，至今已有六十多年的時(shí)間，期間國(guó)產(chǎn)超聲波探傷儀伴隨著我國(guó)超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。在每個(gè)發(fā)展階段都凝聚了科研和檢測(cè)人員的大量心血和智慧。

1 便攜式超聲波探傷儀的發(fā)展歷程

從1955年起，我國(guó)經(jīng)歷了電子管式、晶體管式和數(shù)字式超聲波探傷儀三個(gè)發(fā)展階段，國(guó)產(chǎn)儀器技術(shù)不斷成熟，產(chǎn)品性能不斷提高。從1979年開始，主要技術(shù)指標(biāo)和性能已與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)，滿足國(guó)內(nèi)常規(guī)超聲波探傷的技術(shù)要求。

1.1 電子管式超聲波探傷儀

自20世紀(jì)40年代中期，美英兩國(guó)研制成功脈沖反射式超聲波探傷儀后，到20世紀(jì)50年代，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家相繼推出超聲波探傷儀，并用于機(jī)械、造船和鋼鐵行業(yè)的鋼板和鑄件探傷。

作為一項(xiàng)新技術(shù)，超聲檢測(cè)技術(shù)很快得到我國(guó)的重視。1953年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春機(jī)電研究所組成了以笪天錫和向明等人為主的專業(yè)組，仿制加拿大制造的超聲波探傷儀，開始從事超聲波探傷儀的研制。1953年，上海材料研究所派人去長(zhǎng)春學(xué)習(xí)和仿制了一臺(tái)超聲波探傷儀。1954年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春機(jī)電研究所人員協(xié)助上海材料所、熱處理所和鑄造所等單位，組成超聲波探傷工作組，分別在哈爾濱和上海等地工廠進(jìn)行超聲波探傷試驗(yàn)和推廣。

當(dāng)時(shí)碰到的難點(diǎn)是，少數(shù)昂貴的進(jìn)口設(shè)備無(wú)法滿足企業(yè)探傷要求，且設(shè)備均采用石英晶片的超聲波探頭，推廣起來(lái)有一定困難。

1955年，我國(guó)引進(jìn)蘇聯(lián)生產(chǎn)的超聲波探傷儀，其使用的是鈦酸鋇壓電陶瓷晶片的超聲探頭，與石英晶片的探頭相比，靈敏度有了很大的提高。很快江南造船廠吳繩武等人參照蘇聯(lián)產(chǎn)品研制成功江南Ｉ型超聲波探傷儀，標(biāo)志著我國(guó)第一代定型超聲波探傷儀的誕生。與此同時(shí)，上海材料研究所也參照蘇聯(lián)Y3Д-1型超聲波探傷儀研制了26臺(tái)超聲波探傷儀，提供給機(jī)械工業(yè)系統(tǒng)的工廠使用。隨著江南Ｉ型及后續(xù)的江南II型超聲波探傷儀的面市并小批量投產(chǎn)，推進(jìn)了我國(guó)超聲探傷事業(yè)的發(fā)展。

隨著國(guó)產(chǎn)鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛和鈦酸鉛等多種壓電陶瓷晶片的問(wèn)世，極大地提高了探頭的性能，促進(jìn)了探傷儀性能的提高。20世紀(jì)60年代初，我國(guó)先后形成了上海中原電器廠、天津電子儀器廠、汕頭超聲電子儀器廠、遼陽(yáng)無(wú)線電廠和武漢電子儀器廠等我國(guó)第一代超聲探傷儀的專業(yè)制造廠家。

隨著探傷儀的研究和發(fā)展，我國(guó)開始建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。1964年4月，在蘇州召開的機(jī)械工業(yè)系統(tǒng)全國(guó)無(wú)損檢測(cè)年會(huì)中，制定了無(wú)損探傷應(yīng)用條例和超聲波縱波探傷標(biāo)準(zhǔn)試塊技術(shù)條例，加快了超聲波探傷技術(shù)的推廣，促進(jìn)了超聲波儀器的發(fā)展。

當(dāng)時(shí)的電子管超聲波探傷儀存在的問(wèn)題是：雖稱是便攜式，但其重量重、體積大、搬運(yùn)困難且易出故障。在儀器的放大器線性動(dòng)態(tài)范圍和水平線性等方面均沒(méi)有具體的性能指標(biāo)要求，而且儀器沒(méi)有設(shè)置衰減器等結(jié)構(gòu)。該設(shè)備對(duì)鋼件使用縱波探出缺陷的問(wèn)題不大，但很難對(duì)缺陷進(jìn)行當(dāng)量測(cè)定。

1.2 晶體管式便攜超聲波探傷儀

晶體管式超聲波探傷儀的研制始于20世紀(jì)60年代末到70年代。晶體管化使超聲探傷儀的技術(shù)性能(如穩(wěn)定性和可靠性)得到提高，放大線性、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度余量和當(dāng)量讀數(shù)精度等主要技術(shù)指標(biāo)都有了大幅度提高，基本解決了電子管式探傷儀的諸多不足，滿足了焊縫探傷等多種探傷技術(shù)的要求。

特別需要指出的是，1980年汕頭廠推出CTS-22型超聲波探傷儀，其主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的水平，并在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間成為我國(guó)超聲波探傷儀的主流產(chǎn)品。姚錦鐘同志在這方面做出了很大的貢獻(xiàn)，而汕頭也成為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)主要的超聲波探傷儀生產(chǎn)基地。

1.3 數(shù)字式超聲波探傷儀

微機(jī)問(wèn)世和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為超聲波儀器設(shè)備的發(fā)展提供了新的條件。20世紀(jì)70年代末，發(fā)達(dá)國(guó)家相繼推出計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)超聲檢測(cè)裝置。這些設(shè)備充分利用了微機(jī)的高精度運(yùn)算、控制和邏輯判斷功能，除提高了機(jī)電運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性之外。還提高了當(dāng)量讀數(shù)和缺陷位置的精度，并較好地解決了存儲(chǔ)、記錄和打印輸出的問(wèn)題。與此同時(shí)，國(guó)外還相應(yīng)開展了信號(hào)處理技術(shù)的研究。

1983年，德國(guó)推出了第一臺(tái)便攜式USD-Ｉ型數(shù)字化超聲波探傷儀。盡管其體積較大，重量較重，功能還不完善，但是已經(jīng)具備了自動(dòng)設(shè)置DAC曲線、自動(dòng)判傷、數(shù)據(jù)存貯和打印輸出等功能。USD-Ｉ的問(wèn)世，標(biāo)志著超聲波探傷儀開始進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代。隨即自1986年起，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的數(shù)字式超聲波探傷儀得到了迅速發(fā)展。

我國(guó)于1979年開始，進(jìn)行微機(jī)技術(shù)在超聲檢測(cè)中的應(yīng)用和研究。研究了超聲信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、量化和信號(hào)處理；計(jì)算機(jī)輔助的超聲Ｃ掃描、P掃描和成像系統(tǒng)的研制；管材和棒材等自動(dòng)超聲檢測(cè)裝置以及晶粒度檢測(cè)的開發(fā)。

早在1986年，全國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)就數(shù)字化超聲波探傷儀的問(wèn)題展開了學(xué)術(shù)和技術(shù)討論。當(dāng)時(shí)，各位專家對(duì)我國(guó)發(fā)展數(shù)字化探傷儀存在不同的看法，但各種意見對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)字化超聲波探傷儀的研制起到了促進(jìn)作用。

隨著大規(guī)模集成電路和CPU技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)開展數(shù)字化超聲波探傷儀的研制條件逐漸成熟。1988年，中科院武漢物理所研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)數(shù)字化超聲波探傷儀的原理樣機(jī)，并借全國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)第四屆年會(huì)在武漢召開之際，聽取了部分專家的意見。經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，1989年，中科院武漢物理所武漢科聲技術(shù)公司研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)全數(shù)字化超聲波探傷儀(KS1010)，并于1990年小批量推向市場(chǎng)。與此同時(shí)，中科院聲學(xué)所也研制成功數(shù)字-模擬組合式電腦超聲波探傷儀并推向市場(chǎng)。為推進(jìn)國(guó)內(nèi)數(shù)字化超聲波探傷儀的發(fā)展，全國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)超聲專業(yè)委員會(huì)于1990年5月在常州市召開了智能超聲波探傷學(xué)術(shù)討論會(huì)。武漢科聲技術(shù)公司和中科院聲學(xué)所分別在討論會(huì)上演示了兩種類型的儀器。

隨著數(shù)字化超聲波探傷儀的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，其自動(dòng)設(shè)置DAC曲線、自動(dòng)判傷、數(shù)字存貯和打印輸出探傷報(bào)告等特有的性能深受用戶的好評(píng)，市場(chǎng)前景看好。從1993年開始，逐步形成了一些數(shù)字化超聲波探傷儀的專業(yè)廠，而傳統(tǒng)的超聲波儀器生產(chǎn)廠家也紛紛推出各自品牌的數(shù)字化超聲波探傷儀。到如今，數(shù)字化超聲波探傷儀已成為超聲波探傷的主流產(chǎn)品。

2 自動(dòng)超聲波探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)60年代，我國(guó)就開始應(yīng)用機(jī)械來(lái)代替手工超聲波探傷。例如，1963~1964年間，中科院中南物理研究所就曾協(xié)助大冶鋼廠建立帶有機(jī)械傳動(dòng)和缺陷自動(dòng)報(bào)警的水浸法鋼坯探傷裝置。其后，用于鋼坯和圓餅鍛件等金屬材料的機(jī)械化探傷設(shè)備紛紛投入產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)。

20世紀(jì)70年代初，上海材料所研制成功四通道無(wú)縫鋼管超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。至20世紀(jì)80年代，自動(dòng)超聲檢測(cè)裝置已較廣泛用于坯材、棒材、厚壁和薄壁管材、鋼軌和螺旋管焊縫探傷。由于超聲探傷性能的提高，探頭隨動(dòng)跟蹤方法的改進(jìn)，檢測(cè)速度和可靠性均有了較大提高。

與此同時(shí)，由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)得到發(fā)展，并用于管材、輪軸、鋼坯和晶粒度檢測(cè)。

20世紀(jì)90年代至今，隨著多通道數(shù)字化超聲探傷技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和機(jī)電傳動(dòng)裝置的發(fā)展，我國(guó)自動(dòng)超聲檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性、可靠性、缺陷判別能力、當(dāng)量誤差精度和缺陷定位精度等均得到了較大的提高。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力加強(qiáng)，為數(shù)據(jù)的后處理、審查以及復(fù)核探傷結(jié)果提供了良好的條件。

值得一提的是，相控陣超聲波探傷儀的研制成功和TOFD技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了我國(guó)焊縫自動(dòng)探傷技術(shù)的發(fā)展，并取得了良好的效果。

3 值得關(guān)注的若干問(wèn)題

我國(guó)NDT人員的培訓(xùn)與資格認(rèn)證已與國(guó)際接軌，國(guó)產(chǎn)超聲波探傷儀也理應(yīng)與國(guó)際接軌。為了走出國(guó)門，走向國(guó)際市場(chǎng)，筆者認(rèn)為應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題，以進(jìn)一步提高我國(guó)的產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化

應(yīng)盡快制修訂和完善與國(guó)際接軌的數(shù)字化超聲波探傷儀的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格執(zhí)行。

3.2 提高儀器性能，增加產(chǎn)品品種

在認(rèn)真分析與國(guó)外同類產(chǎn)品在性能和技術(shù)指標(biāo)上的差距后，國(guó)內(nèi)的超聲波探傷儀生產(chǎn)廠家應(yīng)加以改進(jìn)，使國(guó)產(chǎn)超聲波探傷儀達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的水平。在此就發(fā)射、接收和放大等模擬電路提出改進(jìn)意見。

3.2.1 發(fā)射電路

研制發(fā)射脈沖幅度多檔調(diào)節(jié)的儀器勢(shì)在必行。

發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖去激勵(lì)超聲探頭，使其產(chǎn)生超聲脈沖。超聲脈沖的幅度隨著激勵(lì)脈沖幅度的提高而提高，但有飽和點(diǎn)。以2.5 MHz探頭為例，超過(guò)500 V就達(dá)到飽和點(diǎn)，而5 MHz探頭的飽和點(diǎn)則在250 V左右。超過(guò)飽和點(diǎn)不僅不能提高超聲脈沖幅度，反而會(huì)改變脈沖形狀，降低儀器的分辨力。因此要求儀器能提供不同的發(fā)射脈沖幅度以對(duì)應(yīng)不同頻率探頭的需要，如400，200，150和100 V等。超聲探頭需要前沿很陡的發(fā)射脈沖激勵(lì)，因此發(fā)射脈沖的上升時(shí)間是一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。在同等的情況下，發(fā)射脈沖幅度低，則脈沖上升時(shí)間短，能更好地滿足高頻探頭激勵(lì)的需要。

3.2.2 接收放大器

對(duì)于高頻窄脈沖超聲波探頭來(lái)說(shuō)，較高頻帶寬度的放大器可保證其回波波形的完整。而頻帶過(guò)寬的放大器往往不能滿足探傷靈敏度和信噪比要求。因此如果儀器有寬帶放大和調(diào)諧放大的功能，就能較好地滿足不同類型的探傷需要。另外應(yīng)重視保證衰減器在不同頻率時(shí)的衰減dB值連續(xù)精度。

3.2.3 超聲波探頭

目前很多人對(duì)超聲波儀器的性能指標(biāo)非常重視，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)超聲探頭性能指標(biāo)的重視程度，甚至忽視了對(duì)超聲波探頭的嚴(yán)格測(cè)量，這是個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題。

超聲波探頭是超聲探傷儀的核心部件，其性能和技術(shù)指標(biāo)直接影響超聲波探傷儀的綜合性能以及探傷結(jié)果的可靠性。我國(guó)曾投入較大的科研力量進(jìn)行壓電晶片的開發(fā)研制、探頭的理論分析和工藝研究以及探頭性能指標(biāo)的測(cè)量研究。至20世紀(jì)80年代左右，國(guó)產(chǎn)換能器基本能滿足常規(guī)探傷的要求，但總體來(lái)說(shuō)與國(guó)際上有較大的差距。

其一，超聲探頭的規(guī)格和品種不夠多，特別是高頻、寬帶窄脈沖、高溫以及相控陣探頭，影響了國(guó)產(chǎn)儀器的良好使用。例如近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的TOFD方法，已到了推廣應(yīng)用階段，但其所需的寬帶窄脈沖探頭多需進(jìn)口。

其二，國(guó)內(nèi)已有眾多的超聲探頭生產(chǎn)廠在生產(chǎn)常規(guī)探頭，對(duì)超聲波探傷的發(fā)展發(fā)揮過(guò)積極作用。但也應(yīng)看到，除了少數(shù)企業(yè)具備技術(shù)力量和探頭性能測(cè)試設(shè)備外，多數(shù)企業(yè)力量薄弱，測(cè)量設(shè)備比較陳舊，并很少具備探頭指向性和頻譜特性測(cè)量設(shè)備，更談不上聲場(chǎng)分布測(cè)量。在低價(jià)位激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)條件下，小企業(yè)生存環(huán)境不良，很難通過(guò)加強(qiáng)技術(shù)力量改善生產(chǎn)和測(cè)量條件。這些實(shí)際情況應(yīng)該得到相關(guān)用戶，特別是質(zhì)檢部門的重視。

目前國(guó)產(chǎn)超聲波探頭的價(jià)格較進(jìn)口同類產(chǎn)品相差10倍以上，因此國(guó)產(chǎn)超聲波探頭有很大的發(fā)展空間。只要探頭用戶認(rèn)識(shí)到換能器性能在超聲波探傷中的特殊地位，并對(duì)探頭生產(chǎn)企業(yè)提出高要求，我國(guó)的超聲波探頭質(zhì)量將會(huì)得到很大的提高。

3.2.4  重視機(jī)械傳動(dòng)裝置

確定探傷儀器和探傷方法后，在自動(dòng)探傷系統(tǒng)中，影響探傷結(jié)果可靠性和穩(wěn)定性的因素主要在于探頭性能、探頭與被檢件之間相對(duì)位置和聲耦合狀態(tài)的穩(wěn)定性。在整個(gè)傳動(dòng)過(guò)程中，可靠性和穩(wěn)定性需要高精度的機(jī)械傳動(dòng)和探頭隨動(dòng)裝置，加上進(jìn)料、出料和分選等，系統(tǒng)要求控制準(zhǔn)確，平穩(wěn)運(yùn)行，因此對(duì)機(jī)電設(shè)計(jì)和加工要求很高。

實(shí)際情況是，國(guó)內(nèi)很多用戶和生產(chǎn)廠商均對(duì)國(guó)產(chǎn)自動(dòng)探傷設(shè)備中的機(jī)械傳動(dòng)部分重視不夠，對(duì)其投入的資金不足，造成了目前國(guó)內(nèi)系統(tǒng)的價(jià)格和性能偏低的現(xiàn)狀，影響了國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化探傷設(shè)備的發(fā)展。以一套進(jìn)口管材超聲波自動(dòng)探傷裝置為例，少則五百萬(wàn)，多則上千萬(wàn)。而我國(guó)在20世紀(jì)80年代就出現(xiàn)了20多萬(wàn)元一套的管材自動(dòng)探傷設(shè)備，其可靠性和穩(wěn)定性可想而知。隨著企業(yè)對(duì)探傷的重視程度和財(cái)力的提高，目前訂購(gòu)價(jià)格隨之提高到百萬(wàn)元以上。即使這樣，將多通道超聲波儀器和計(jì)算機(jī)等主件價(jià)格除去后，留給機(jī)電部分的資金投入就很少。好在設(shè)計(jì)制造者做出了很大努力，使多數(shù)整套設(shè)備得以良好運(yùn)行，維持了國(guó)產(chǎn)自動(dòng)探傷裝置的可信度，但同時(shí)很難造就高水平探傷用機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)人員和相對(duì)固定的探傷設(shè)備制造商。

為使國(guó)產(chǎn)自動(dòng)超聲波探傷裝置得到提高和發(fā)展，除了應(yīng)提高超聲波探傷儀和探頭的性能外，增加機(jī)電系統(tǒng)方面的投入也是重要的一環(huán)，應(yīng)為企業(yè)界重視，特別是各行業(yè)的主管部門和質(zhì)檢部門。以促進(jìn)我國(guó)自動(dòng)超聲波技術(shù)的發(fā)展，為產(chǎn)品的質(zhì)量保證做出貢獻(xiàn)。

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