GB/T 19800-2005 无损检测 声发射检测换能器的一级校准

ics19.100一一

’“‘S珍

中华人民共和国国家标准

Gs／T19800-2005/ISO12713：1998

无损检测声发射检测

换能器的一级校准

Non-destructivetesting-Acousticemissioninspection-

Primarycalibrationoftransducers

（ISO12713：1998，IDT>

2005-06-08发布2005-12-01实施

一～．－．－一～．－－－．～－～，－．－～～～．－．－．．．－．．～－－～～．－．－．～．－～曰．－－．～－．．～－一曰～曰－－～－～～一－－州～．－．～．～－

率督冒瞥臀瓣譬壕臀臀暴发”

GB/T19800-2005/ISO12713：1998

．JJ口．日‘．

目U胃

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ISO12713:19989

为便于使用，本标准做了下列编辑性修改：

a)“本国际标准”一词改为“本标准”；

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。

本标准由全国无损检测标准化技术委员会(S（AC/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、李光海。

GB/T19800-2005/ISO12713：1998

无损检测声发射检测

换能器的一级校准

1范围

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。

本标准为藕合在固体介质表面接受弹性波的声发射换能器建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声波频率的响应。换能器的电压响应在大约10kH：至IMH：的分立频

率间隔中来确定。输人是在藕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/T12604.4无损检测术语声发射检测G（B/T12604.4-2005,ISO12716:2001,IDT)"

ASTME114-95接触式超声脉冲回波直射检测U（ltrasonicPulse-EchoStright-BeamExamina-

tionbytheContactMethod)2'

ASTME494-95材料超声速度测量M（eeasuingUltrasonicVelocityinMaterials)"

ASTME650-850992）压电式声发射传感器的安装M（ountingPiezoelectricAcousticEmission

Sensors)

BRECKENRIDGE,F.R,GREENSPAN,M．表面波位移：电容换能器测量。美国声学学会杂志，69:

1177一1185B（RECKENRIDGE,F.RandGREENSPAN，M.Surface-WaveDisplacement:Absolute

MeasurementsUsingaCapacitiveTransducer,JournalAcousticSocirtyofAmerica,Vol.69，pp.1177-

1185)

3术语和定义

GB/T12604.4确立的术语和定义适用于本标准。

1)ISO12716;2001是以ASTME610为标准草案而制定的，故ISO12716:2001与ASTME610是等效的，两者的

术语和定义基本一致。

2）与ASTME114对应的我国标准为JB/T4009-1999(neqASTME114-96),

3）与ASTME494对应的我国标准为JB/T7522-1994(neqASTME494-85),

GB/T19800-2005/ISO12713：1998

4符号和缩略语

4.1符号

D
A SmmrmknSaf?fffc,.))jI"iNAU

Tw-T*4mmma-0

AAh4Y(6(RnA奩%-N-7$-D-0f
M'潲'Ta,lAp

沘mm10^

,W2?0'sI}MiIf,1fill8At)Ran.<1?KRLa%"-,.-*i'1

1}ia€lY01[t0

l^l111(1(

',

4.2趼略杂

AE⑸

5一般阋梦募

位5.1移换能器
爛EU?P]Y\YY
(^1?U

本校准方法适用于法向位移换能器的绝对校准，而这些换能器作为二级标准可用于谖无匏鹌兰鄣纳

发射传感器的校准。因此，传递标准宜是高保真和非常稳定的。这样才能保证直到1MHz频率范围内

准的校准确度。
餙`SE@
垐^8Y
8X

校准准确度注：仅鲈在下旅面的情况中得到保证，即标准换能器在接收到瞬时输人后，而尚未接收到从校准块边界反射

幕夭ㄇ埃?00ps）的全部响应。对低频段的校准结果尚有疑问。

5.2⑸浯衅
Y爞^
h\SE琸aw


橃

勲

p

\

H

4

本标准也适用于无损评价中声发射传感器鞯的校Ｗ准，其中胁部糠稚⑸浯感衅鞑不蝗绫曜即葑爸梦榷ā

对于校

不高。'
爛E??埦]鸈Z<ZB
爂Y

对机械／注：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人。使用该校准方法，输人的

运动参数可以由两种方法确定—理论计算和使用绝对位移换能器进行实际测量。

理5．3论计算5
XC????$.€6658B

GB/T19800-2005/ISO12713：1998

确定了表面上任一点的位移一时间的函数关系，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1〔〕和2［]。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。

5.4绝对位移的测皿

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Greenspan见（第2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。对于被测表面无可察觉到的微小动态载荷。

校准时，标准换能器和待检换能器放置在试块的同一个表面上，距离瞬时冲击输入点相同的距离，

但位于相反的方向上。换能器这样放置可以保证它们经历了同样的位移一时间过程。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准。

这种方法同样也适用于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而不适宜用

作参考标准传感器。这种校准装置在100kHz到1MHz可以保证校准准确度，但是在100kHz以下的

校准准确度就要差一些。

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

响应基础上。

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

阻抗相互作用决定，在该处的应力和应变都不能直接进行测量。然而在没有传感器的情况下，试块表面

上的位移可以根据弹性理论计算或在表面的其他地方测量得到。因为声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间的相互作用，所以通常将结构表面的自由运动作为传感器的输人

变量。因此，校准的单位是电压每自由运动单位，例如：V/mo

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一频率曲线在形状和平均幅度上是不

同的。结果可能相差悬殊。比如，在一块钢质试块上进行校准过的换能器，如果在玻璃试块或者是铝质

试块上进行校准，其平均灵敏度只有钢质试块的50%至10000；如果在有机玻璃试块上进行校准，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，那么校准的灵敏度也越低。

对于表面波校准，试块中的瑞利波速会影响校准结果。对于表面灵敏度一致的圆形传感器，在

.]1(ka)的零点处不存在孔径效应(k（=2c7f/c)o

因此，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。.1ps。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。

GB/T19800-2005/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。

B＿之DcFME-`I--,F

H_11，、、tIw－%.o．111IL--'"'.

A一｝…｝

A－一一～钢质转换试块；

B—玻璃毛细管；

c—加载螺杆；

DPZT晶片；

E一一～电荷放大器；

F—存储示波器；

G—标准换能器，

H—待检换能器；

I瞬态记录器；

J—计算机。

圈1装皿结构图

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ASTME114或相当标准中要求，用2.25

MH：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100o。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而确定见（ASTME

494)。纵波和横波的波速与各自的平均波速相差应大于士100。和士3%o。试块和校准仪器如图2所示。

6.3阶跃函数源

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20No

毛细管应水平放置在一片显微镜防护用玻璃片0（.08mmX1.5mmX1.5mm）上，玻璃片用水杨

酸苯醋或者氛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号。

此声信号只包含2MH：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。

GB/T19800--2005/1S012713：1998

r7}ti

图2校准装置的照片

3一5

1—加载螺杆；

2—PZT盘；

3—玻璃棒；

4—玻璃片；

5—毛细管。

图3玻璃毛细管源

GB/T19800-2005八SO12713：1998

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46）所示，关键部件是一个