蔣危平先生（1935-2012）：中國機械工程學會無損檢測分會創(chuàng)始人之一，開創(chuàng)了中國數(shù)字化超聲波檢測技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化道路，研發(fā)了中國第一代數(shù)字化超聲波探傷儀；中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所研究員；曾任中國機械工程學會無損檢測分會第四、五、六、七屆副理事長，湖北武漢無損檢測學會榮譽理事長；為促進中國無損檢測學會發(fā)展做出重要貢獻，多項國家獎獲得者，被授予學會首屆“百人獎”杰出貢獻獎。
從第一臺國產(chǎn)超聲波探傷儀問世，至今已有六十多年的時間，期間國產(chǎn)超聲波探傷儀伴隨著我國超聲檢測技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。在每個發(fā)展階段都凝聚了科研和檢測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發(fā)展階段，國產(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)指標和性能已與國外同類產(chǎn)品相當，滿足國內(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40年代中期，美英兩國研制成功脈沖反射式超聲波探傷儀后，到20世紀50年代，世界主要發(fā)達國家相繼推出超聲波探傷儀，并用于機械、造船和鋼鐵行業(yè)的鋼板和鑄件探傷。
作為一項新技術(shù)，超聲檢測技術(shù)很快得到我國的重視。1953年，中國科學院長春機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春學習和仿制了一臺超聲波探傷儀。1954年，中國科學院長春機電研究所人員協(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行超聲波探傷試驗和推廣。
當時碰到的難點是，少數(shù)昂貴的進口設(shè)備無法滿足企業(yè)探傷要求，且設(shè)備均采用石英晶片的超聲波探頭，推廣起來有一定困難。
1955年，我國引進蘇聯(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，標志著我國第一代定型超聲波探傷儀的誕生。與此同時，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臺超聲波探傷儀，提供給機械工業(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)，推進了我國超聲探傷事業(yè)的發(fā)展。
隨著國產(chǎn)鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛和鈦酸鉛等多種壓電陶瓷晶片的問世，極大地提高了探頭的性能，促進了探傷儀性能的提高。20世紀60年代初，我國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、遼陽無線電廠和武漢電子儀器廠等我國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，我國開始建立相關(guān)的標準和技術(shù)規(guī)范。1964年4月，在蘇州召開的機械工業(yè)系統(tǒng)全國無損檢測年會中，制定了無損探傷應用條例和超聲波縱波探傷標準試塊技術(shù)條例，加快了超聲波探傷技術(shù)的推廣，促進了超聲波儀器的發(fā)展。
當時的電子管超聲波探傷儀存在的問題是：雖稱是便攜式，但其重量重、體積大、搬運困難且易出故障。在儀器的放大器線性動態(tài)范圍和水平線性等方面均沒有具體的性能指標要求，而且儀器沒有設(shè)置衰減器等結(jié)構(gòu)。該設(shè)備對鋼件使用縱波探出缺陷的問題不大，但很難對缺陷進行當量測定。
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、動態(tài)范圍、靈敏度余量和當量讀數(shù)精度等主要技術(shù)指標都有了大幅度提高，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)指標已達到國際同類產(chǎn)品的水平，并在相當長的時間成為我國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，而汕頭也成為當時國內(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
微機問世和大規(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70年代末，發(fā)達國家相繼推出計算機輔助的自動超聲檢測裝置。這些設(shè)備充分利用了微機的高精度運算、控制和邏輯判斷功能，除提高了機電運行的穩(wěn)定性和可靠性之外。還提高了當量讀數(shù)和缺陷位置的精度，并較好地解決了存儲、記錄和打印輸出的問題。與此同時，國外還相應開展了信號處理技術(shù)的研究。
1983年，德國推出了第一臺便攜式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)具備了自動設(shè)置DAC曲線、自動判傷、數(shù)據(jù)存貯和打印輸出等功能。USD-Ｉ的問世，標志著超聲波探傷儀開始進入數(shù)字化時代。隨即自1986年起，美國等發(fā)達國家的數(shù)字式超聲波探傷儀得到了迅速發(fā)展。
我國于1979年開始，進行微機技術(shù)在超聲檢測中的應用和研究。研究了超聲信號的數(shù)據(jù)采集、量化和信號處理；計算機輔助的超聲Ｃ掃描、P掃描和成像系統(tǒng)的研制；管材和棒材等自動超聲檢測裝置以及晶粒度檢測的開發(fā)。
早在1986年，全國無損檢測學會就數(shù)字化超聲波探傷儀的問題展開了學術(shù)和技術(shù)討論。當時，各位專家對我國發(fā)展數(shù)字化探傷儀存在不同的看法，但各種意見對國產(chǎn)數(shù)字化超聲波探傷儀的研制起到了促進作用。
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內(nèi)第一臺數(shù)字化超聲波探傷儀的原理樣機，并借全國無損檢測學會第四屆年會在武漢召開之際，聽取了部分專家的意見。經(jīng)過多次改進，1989年，中科院武漢物理所武漢科聲技術(shù)公司研制成功國內(nèi)第一臺全數(shù)字化超聲波探傷儀(KS1010)，并于1990年小批量推向市場。與此同時，中科院聲學所也研制成功數(shù)字-模擬組合式電腦超聲波探傷儀并推向市場。為推進國內(nèi)數(shù)字化超聲波探傷儀的發(fā)展，全國無損檢測學會超聲專業(yè)委員會于1990年5月在常州市召開了智能超聲波探傷學術(shù)討論會。武漢科聲技術(shù)公司和中科院聲學所分別在討論會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用范圍擴大，其自動設(shè)置DAC曲線、自動判傷、數(shù)字存貯和打印輸出探傷報告等特有的性能深受用戶的好評，市場前景看好。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 自動超聲波探測系統(tǒng)的發(fā)展歷程
早在20世紀60年代，我國就開始應用機械來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械傳動和缺陷自動報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械化探傷設(shè)備紛紛投入產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。
20世紀70年代初，上海材料所研制成功四通道無縫鋼管超聲自動檢測系統(tǒng)。至20世紀80年代，自動超聲檢測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，探頭隨動跟蹤方法的改進，檢測速度和可靠性均有了較大提高。
與此同時，由于微機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助的自動超聲檢測系統(tǒng)得到發(fā)展，并用于管材、輪軸、鋼坯和晶粒度檢測。
20世紀90年代至今，隨著多通道數(shù)字化超聲探傷技術(shù)、信號處理技術(shù)和機電傳動裝置的發(fā)展，我國自動超聲檢測裝置的穩(wěn)定性、可靠性、缺陷判別能力、當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)存儲能力加強，為數(shù)據(jù)的后處理、審查以及復核探傷結(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)的應用，推動了我國焊縫自動探傷技術(shù)的發(fā)展，并取得了良好的效果。
3 值得關(guān)注的若干問題
我國NDT人員的培訓與資格認證已與國際接軌，國產(chǎn)超聲波探傷儀也理應與國際接軌。為了走出國門，走向國際市場，筆者認為應注意以下幾個問題，以進一步提高我國的產(chǎn)品質(zhì)量。
3.1 標準化
應盡快制修訂和完善與國際接軌的數(shù)字化超聲波探傷儀的國家標準，并嚴格執(zhí)行。
3.2 提高儀器性能，增加產(chǎn)品品種
在認真分析與國外同類產(chǎn)品在性能和技術(shù)指標上的差距后，國內(nèi)的超聲波探傷儀生產(chǎn)廠家應加以改進，使國產(chǎn)超聲波探傷儀達到國際同類產(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)的儀器勢在必行。
發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖去激勵超聲探頭，使其產(chǎn)生超聲脈沖。超聲脈沖的幅度隨著激勵脈沖幅度的提高而提高，但有飽和點。以2.5 MHz探頭為例，超過500 V就達到飽和點，而5 MHz探頭的飽和點則在250 V左右。超過飽和點不僅不能提高超聲脈沖幅度，反而會改變脈沖形狀，降低儀器的分辨力。因此要求儀器能提供不同的發(fā)射脈沖幅度以對應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，因此發(fā)射脈沖的上升時間是一個重要技術(shù)指標。在同等的情況下，發(fā)射脈沖幅度低，則脈沖上升時間短，能更好地滿足高頻探頭激勵的需要。
3.2.2 接收放大器
對于高頻窄脈沖超聲波探頭來說，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。另外應重視保證衰減器在不同頻率時的衰減dB值連續(xù)精度。
3.2.3 超聲波探頭
目前很多人對超聲波儀器的性能指標非常重視，遠遠超過對超聲探頭性能指標的重視程度，甚至忽視了對超聲波探頭的嚴格測量，這是個很嚴重的問題。
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。我國曾投入較大的科研力量進行壓電晶片的開發(fā)研制、探頭的理論分析和工藝研究以及探頭性能指標的測量研究。至20世紀80年代左右，國產(chǎn)換能器基本能滿足常規(guī)探傷的要求，但總體來說與國際上有較大的差距。
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，影響了國產(chǎn)儀器的良好使用。例如近年來發(fā)展起來的TOFD方法，已到了推廣應用階段，但其所需的寬帶窄脈沖探頭多需進口。
其二，國內(nèi)已有眾多的超聲探頭生產(chǎn)廠在生產(chǎn)常規(guī)探頭，對超聲波探傷的發(fā)展發(fā)揮過積極作用。但也應看到，除了少數(shù)企業(yè)具備技術(shù)力量和探頭性能測試設(shè)備外，多數(shù)企業(yè)力量薄弱，測量設(shè)備比較陳舊，并很少具備探頭指向性和頻譜特性測量設(shè)備，更談不上聲場分布測量。在低價位激烈競爭的市場條件下，小企業(yè)生存環(huán)境不良，很難通過加強技術(shù)力量改善生產(chǎn)和測量條件。這些實際情況應該得到相關(guān)用戶，特別是質(zhì)檢部門的重視。
目前國產(chǎn)超聲波探頭的價格較進口同類產(chǎn)品相差10倍以上，因此國產(chǎn)超聲波探頭有很大的發(fā)展空間。只要探頭用戶認識到換能器性能在超聲波探傷中的特殊地位，并對探頭生產(chǎn)企業(yè)提出高要求，我國的超聲波探頭質(zhì)量將會得到很大的提高。
3.2.4 重視機械傳動裝置
確定探傷儀器和探傷方法后，在自動探傷系統(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位置和聲耦合狀態(tài)的穩(wěn)定性。在整個傳動過程中，可靠性和穩(wěn)定性需要高精度的機械傳動和探頭隨動裝置，加上進料、出料和分選等，系統(tǒng)要求控制準確，平穩(wěn)運行，因此對機電設(shè)計和加工要求很高。
實際情況是，國內(nèi)很多用戶和生產(chǎn)廠商均對國產(chǎn)自動探傷設(shè)備中的機械傳動部分重視不夠，對其投入的資金不足，造成了目前國內(nèi)系統(tǒng)的價格和性能偏低的現(xiàn)狀，影響了國產(chǎn)自動化探傷設(shè)備的發(fā)展。以一套進口管材超聲波自動探傷裝置為例，少則五百萬，多則上千萬。而我國在20世紀80年代就出現(xiàn)了20多萬元一套的管材自動探傷設(shè)備，其可靠性和穩(wěn)定性可想而知。隨著企業(yè)對探傷的重視程度和財力的提高，目前訂購價格隨之提高到百萬元以上。即使這樣，將多通道超聲波儀器和計算機等主件價格除去后，留給機電部分的資金投入就很少。好在設(shè)計制造者做出了很大努力，使多數(shù)整套設(shè)備得以良好運行，維持了國產(chǎn)自動探傷裝置的可信度，但同時很難造就高水平探傷用機械傳動設(shè)計人員和相對固定的探傷設(shè)備制造商。
為使國產(chǎn)自動超聲波探傷裝置得到提高和發(fā)展，除了應提高超聲波探傷儀和探頭的性能外，增加機電系統(tǒng)方面的投入也是重要的一環(huán)，應為企業(yè)界重視，特別是各行業(yè)的主管部門和質(zhì)檢部門。以促進我國自動超聲波技術(shù)的發(fā)展，為產(chǎn)品的質(zhì)量保證做出貢獻。
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