摘　要　测量不确定度在检测工作中非常重要，ISO等国际组织已有要求。本文分析了超声波探伤纵波检测的误差来源，评定了在探伤过程中的不确定度。
关键词　超声探伤　纵波法　测量不确定度　定量分析
中图分类号TB553The uncertainty Evaluation of the Quantitative Analysis in Longitudinal Wave Inspection

Wu Jianping　Wei Zhihua
　　(JiangLing Motors Co.Ltd,P。R。China 330001)

Abstract:Measurement uncertainty is so important in tesing works that the international systems such as ISO has Special requiremet on it。This paper deduces the errors sources from the process of ultrasonic longitudinal wave testing and evaluates its uncertainty.
　　 Key words:Measurement Uncertainty,Vltrasonic wave,Longitudinal wave,Quantitative analysis.

前言

　　测量不确定度(简称不确定度)是用以表征合理赋予测量值的分散性，它是评定测量结果的重要参数^〔1，2〕，为规范测量结果的正确评定和使用，国际标准化等七家组织93年联合制定了《测量不确定度表达导则》并广泛应用。96年国内在计量检定工作中开始推广不确定度，但在无损检测定量分析中应用尚不广泛。为便于与国际接轨，本文将不确定度应用于无损检测中，与大家探讨。
　　纵波法探伤的误差来源于使用的探伤仪、探头、试块、工件、耦合剂等，在缺陷定位测量和定量分析等过程中均存在测量不确定度，评定不确定度可以表明探伤分析结果的可靠程度，有很好的推广价值。

1　缺陷的定位

　　按1：n调节纵波扫描速度，缺陷波前沿所对的水平刻度值为τ_f，则缺陷至探头的距隔为^〔3〕：

X_f=nτ_f          (1)

1.1　仪器、工件

　　(1)EPOCH-Ⅱ超声波探伤仪；(2)2.25P0.75′探头；(3)CSK-Ⅰ试块；(4)厚度100 mm工件。

1.2　位置的测定

　　仪器按1∶1调节扫描速度，水平刻度值为69.64，缺陷位置：

X_f=nτ_f=69.64 mm

1.3　不确定度评度

　　(1)调节扫描速度引起的不确定度
　　扫描速度调节时会产生因显示屏最小刻度限制的读数误差。所用仪器水平最小刻度为0.1，则读数可至最小刻度1／10即读数误差分布范围为(-1／10，+1／10)刻度，为均匀分布，标准不确定度(以相对不确定度表示)^〔4〕：

；其不可靠性为50%，自由度v₁=-2=2
　　(2)水平影响
　　仪器的水平线性影响缺陷的定位精度，经检定仪器水平线性为5.7×10^-3，服从正态分布(k=3)，其标准不确定度：

(B类)：其值可靠，自由度v₂=∞
　　水平刻度误差受仪器分辩率影响(分辩率0.01)，服从均匀分布，其误差为1／2分辩率，分布范围(-0.005，+0.005)^〔5〕，其标准不确定度(以相对不确定度表示)：

 ；(B类)；读数可靠性为50%，自由度v₃=-2=2
　　水平刻度值分别测量10次，得均值69.64，标准偏差s=0.21，其标准不确定度(相对确定度表示)：

；(A类)：自由度v₄=n-1=9
　　 水平刻度合成标准不确定度为仪器的水平线性、仪器分辩率、水平刻度值重复观测三项标准不确定度的合成，即为以上三项A类和B类的合成：

(3)结果评定
　　各分量的传递函数：

　　缺陷的定位，其合成不确定度：

有效自由度：

取置信水平95%，t_P(0.95)=1.96
　　缺陷位置为：X_f(1±t_Pu_C(X_f))=69.64(1±8.8×10^-3)
　　其绝对不确定度(合成标准)u_C(X_f)=X_f^.u_C(X_f)=0.3127

2　缺陷定量分析

　　缺陷当量大小以下式计算：

从式(2)中可以看出，缺陷当量大小受缺陷位置、工件厚度、衰减量的影响。

2.1　衰减量的变化

　　检测中衰减量变化由垂直线性、探头频率、衰减器误差、耦合剂、介质衰减等引起。
2.1.1　垂直线性的影响
　　由下式得垂直线性与衰减关系：

式中：H₀——理想波高　　H₁——实测波高(以下以H′₁替代H₁为一次实测波高，H″₁替代H₁为二次实测波高)
　　①一次波高的影响
　　传递函数×0.4342944=10.9

　　线性误差为4.7×10^-2，服从正态分布(k=3)，标准不确定度(相对不确定度表示)：

(B类)；其值稳定，自由度v₅=∞。
　　读数误差为分辩率的1／2，服从均匀分布范围(-0.5，+0.5)，标准不确定度(以相对不确定度表示)：
；(B类)其估读可靠性50%，自由度v₆=-2=2
　　一次波高的不确定度由以上两项A类与B类的合成，即： 10^-2

　　②二次波高的影响
　　传递函数

　　二次波高其线性误差为4.7×10^-2，其标准不确定度：
　　u₇=u₅=1.57×10^-2(B类)；自由度v₇=v₅=∞
　　读数误差同一次波，u₈=u₆,v₈=v₆

　　线性误差产生的不确定度为一次波高和二次波高标准不确定度的合成，即：

2.1.2　频率引起的衰减
　　频率对衰减的影响：

　　传递函数：

　　频率误差10%，服从正态分布(k=3)，标准不确定度：
　　；其值稳定，自由度v₉=∞
引起衰减的标准不确定度：

2.1.2　耦合剂影响
　　改变耦合剂厚度，测量其衰减量，用统计方法分析得到其不确定度(本次试验次数为10次)，试验得均值5.5 dB，标准偏差s=0.566，标准不确定度：

　　以相对不确定度表示：10^-2；自由度v₁₀=10-1=9
　　读数引起的误差为分辩率的1／2，服从均匀分布，其分布范围为(-0.05，+0.05)，标准不确定度：

以相对不确定度表示：；读数可靠性50%，自由度v₁₁=-2=2
　　衰减器精度的影响(在12dB下测得)：
　　衰减器误差0.5dB，服从正态分布(k=3)，标准不确定度：

　　以相对不确定度表示10^-2；其值稳定，自由度v₁₂=∞。
　　耦合剂造成衰减量的不确定度为以上三项A类与B类的合成：

2.1.4　介质衰减
　　对工件重复检查(10次)，得介质衰减，均值为5.3，标准偏差s=0.2 dB，标准不确度定：

以相对不确定度表示：;自由度v₁₃=10-1=9
　　读数引起的标准不确定度：u′₁₄=u₁₁=0.029 dB(B类)
　　以相对不确定度表示：10^-3;自由度v₁₄=v₁₁=2
　　衰减器的影响：u₁₅=u₁₂=0.167 dB(B类)
　　以相对不确定度表示：×10^-2；自由度v₁₅=v₁₂=∞。
　　介质衰减的不确定度为以上三项A类与B类的合成：

2.1.5　衰减量重复观测结果的变化
　　对工件测量10次，得均值6.2，标准偏差s=0.58,其标准不确定度：

以相对不确定度表示：;自由度v₁₆=10-1=9
　　读数误差引起的标准不确定度：u₁₇=u₁₁=0.029 dB(B类)
　　以相对不确定度表示：10^-3;自由度v₁₇=v₁₁=2
　　衰减器的影响，其标准不确定度：u₁₈=u₁₂=0.167 dB(B类)
　　以相对不确定度表示：10^-2；其值稳定，自由度v₁₈=∞。
　　合成标准不确定度：

　　至此，各类因素影响衰减量的不确定度为：

2.2　厚度影响

　　10次测量得均值100，标准偏差s=0.15 mm，标准不确定度：

以相对不确定度表示：u′₁₉=4.74×^-4;自由度v₁₉=10-1=9
　　卡尺最小读数为0.02，其误差服从均匀分布，分布范围(-0.01，+0.01)，其标准不确定度：

以相对不确定度表示：u′₂₀=5.8×10^-5;自由度v₂₀=-2=2
　　卡尺不确定度为0.05(k=3)，服从正态分布，标准不确定度：

以相对不确定度表示：10^-4;其值稳定，自由度v₂₁=∞。
　　工件厚度合成标准不确定度由以上三项合成，即：

2.3　缺陷当量大小

传递函数：

合成标准不确定度：

以相对不确定度表示：u′_c(Φ)=3.08×10^-2
　　有效自由度：

置信水平取95%，则覆盖因子：t_P(4)=2.78

U=t_P^.u_c(Φ_f)=2.78×0.0613=0.17

　　当量尺寸大小最终结果为Φ_f＝1.99±0.17 mm(其中0.17 mm为试验结果的测量不确定度)

3　结论

　　通过对纵波法探伤定量分析的测量不确定度的计算与评定，可知晓探伤定量分析结果的可靠性程度，并可判定试验过程与结果分析的误差来源及其结试验结果的影响程度。测量不确定度的评定作为试验结果的重要组成部分，可应用于无损检测定量分析的各个领域。