第4章TOFD技术的盲区和测量误差20165

1、 第四章 TOFD技术的盲区和测量误差 许遵言许遵言 4.1 TOFD技术的盲区概述技术的盲区概述nTOFD技术的所谓盲区是指应用TOFD技术实施检测时，被检体积中不能发现缺陷的区域。n对上表面缺陷，因为缺陷信号可能隐藏在直通波信号下而漏检.n对下表面缺陷，其信号有可能被底面反射信号淹没而漏检。n盲区和测量误差的共同作用导致TOFD检测的近表面问题。这里近表面是指探头扫查面附近区域，该区域是TOFD技术应用效果最差的区域。近表面检测有两个主要问题：n一是直通波的存在影响缺陷信号显示，产生检测的上表面盲区，上表面盲区范围比下表面盲区更大，对检测可靠性的影响也更大；n二是由于近表面区域的时间测量不

2、准导致深度分辨力变差，不仅影响缺陷位置测定的准确性，而且影响缺陷高度测量精度。n盲区和深度测量不准的叠加作用使得近表面区域的TOFD技术的应用效果特别差。4.1.1 直通波盲区直通波盲区n扫查面附近的内部缺陷信号可能隐藏在直通波信号之下，导致无法识别，因此上表面盲区就是直通波信号所覆盖的深度范围。n如果声速为c，探头中心距为2 s，直通波的传输时间是TL (= 2s/c)，直通波脉冲时间宽度为Tp，则盲区的深度可按下式算出： D Z = (c/2)2(TL + Tp)2 -s21/2 = (c/2)2(2s/c + Tp)2 -s21/2 = (cTp/2)2 +csTp1/2 (4-1)图图

3、4.1 直通波的传输时间直通波的传输时间n问题： 为什么直通波的盲区不等于TPc？A型扫描缺陷定位1、声程定位 s=ct2、水平定位 L=ssin3、深度定位 d= scos图图4.2 A型扫描缺陷定位示意图型扫描缺陷定位示意图检测过程中定位偏差原因之一图图4.3 A型扫查定位偏差示意图型扫查定位偏差示意图nTOFD直通波盲区计算 TOFD检测显示的是深度而不是声程，设盲区为Dz，则有：n由式(4-1)可以看出，盲区的大小与三个量有关：c、Tp和s，其中c为材料中纵波的声速，为一定值；Tp是直通波脉冲时间宽度，与频率和探头带宽有关；s是探头中心间距的一半，取值与工件尺寸有关。n用公式计算直通波

4、盲区，Tp取值对结果影响很大。以往资料提出Tp取直通波两倍周期。n实测结果表明，如果使用脉冲长度不超过一个半周期的短脉冲探头，且缺陷信号足够大（大于直通波振幅的50%），缺陷波与直通波相差1周期，就可以发现缺陷信号（图4.4）。n如果使用的探头的脉冲长度很长，周期很多，则缺陷波与直通波相差2个周期甚至更多，也不能发现缺现信号，因此Tp取值与探头的脉冲长度和带宽有关。图4.4 缺陷波与直通波相差1周期的A扫信号和图像n进一步研究表明，Tp取直通波1个信号周期的计算值与实际测量的盲区值也不一致，实测盲区大于Tp值取1个信号周期的计算值而小于Tp值取2个信号周期的计算值，大致在Tp值取1.5个信号周

5、期和2个信号周期的计算值之间。n究其原因，认为是由于TOFD技术使用宽频带宽波束探头，信号频率是变量，处于声束边缘的直通波的频率低于探头标称频率，声波传输过程中又有频散现象，回波频率低于发射频率而导致，因此直通波的周期时间按探头标称频率取值计算是不准的。n取纵波声速取纵波声速c5.95mm/ s，Tp值分别取值分别取1个和个和2个信号个信号周期，按式周期，按式(4-1)计算不同频率（计算不同频率（5MHz、10MHz）和不）和不同探头中心间距（同探头中心间距（PCS）的盲区大小，有关数据见表）的盲区大小，有关数据见表4.1。n表表4.1 不同探头频率，不同不同探头频率，不同PCS时的盲区大小时

6、的盲区大小5MHz探头不同探头不同PCS(mm)6080100120160200Tp取取1个周期（个周期（0.2 s）计算的盲区值计算的盲区值 (mm)6.006.927.738.479.7710.9Tp取取2个周期（个周期（0.4 s）计算的盲区值计算的盲区值 (mm)8.539.8210.9712.0113.8515.4710MHz探头不同探头不同PCS(mm)6080100120160200Tp取取1个周期（个周期（0.1 s）计算的盲区值计算的盲区值 (mm)4.234.895.465.986.907.72Tp取取2个周期（个周期（0.2 s）计算的盲区值计算的盲区值 (mm)6.00

7、6.927.738.479.7710.9由表4-1的数据可以看出：1、无论Tp值取1个周期或是2个信号周期，计算得到的直通波盲区数值都很大。实际上，对50mm以下的焊缝检测，如果只进行一次扫查，盲区大致要占检测厚度的1525，因此直通波盲区是检测不能忽视的问题。2、减小PCS值或提高探头频率都能显著地减小盲区深度。3、采用短脉冲探头也是十分重要的，如果使用的探头频带较窄，脉冲长度较大，则Tp取值就应更大，计算的盲区也更大。4、用公式（4-1）计算直通波盲区虽然简便易行，但不够准确。用计算机仿真软件来计算直通波盲区，结果要准确一些，但软件价格较贵。最可靠和实用的方法是通过对比试块来测定盲区大小。

8、4.1.2 底面盲区底面盲区1、焊缝中心底面盲区、焊缝中心底面盲区n国外文献提出在焊缝中心存在着底面盲区,并给出了一个焊缝中心底面盲区高度D dz的计算公式： D dz = (c/2)2(TD + Tp)2 - s21/2 - Dn公式中的D是底面反射深度，TD是回波信号传输时间，Tp是底面回波信号宽度。图4.5 底面盲区示意图n但理论分析和实测结果均表明，所谓“焊缝中心的底面盲区”与上表面直通波盲区性质不同。位于底部的缺陷的上尖端信号应在底面信号之前，不应被底面信号淹没。n该盲区的存在只是由于缺陷信号与底面信号不重叠度的分辨能力造成的。这种分辨能力取决于D扫描图像的分辨率和肉眼观察能力，同时

9、与缺陷信号大小，以及底面的平整程度等因素有关。图4.6 缺陷信号与底面信号不重叠n当今使用的TOFD仪器已能提供足够高分辨率的D扫描图像，用其测量底面平整试块上的足够长的槽，只要缺陷信号超前底面信号1个周期，甚至0.5个周期，就可以识别。因此，焊缝中心的底面盲区的计算公式不准确，也无计算的必要，该盲区即使存在，也是很小的，一般不超过1mm，甚至小于0.5mm。n以上是底面平整的情况，如果底面有焊缝余高，则盲区会增大，由于余高部分处于盲区范围，其中的缺陷不能检出。 2、轴偏离底面盲区、轴偏离底面盲区n对TOFD技术检测可靠性影响较大的底面盲区主要是轴偏离底面盲区，即偏离两探头中心位置的底面区域存

10、在的盲区。n对处于轴偏移盲区的缺陷，例如X型坡口焊缝下坡口处或热影响区的缺陷，其信号迟于底面反射波信号到达，被底面反射波信号淹没，从而无法识别，也就不能检出。n按TOFD检测一收一发的探头布置，超声衍射信号传输时间相等位置为一个椭圆轨迹。图4.7所示的椭圆轨迹是与底波信号传输时间相等的衍射点位置，如果缺陷在椭圆以下区域，则信号出现在底面反射波之后，因此无法检出。n此外还需说明，椭圆曲线上超声衍射信号传输时间相等的特性除了会导致轴偏离底面盲区外，还会导致深度测量出现误差。图4.7 轴偏离底面盲区的计算n该盲区的重要特点是其高度与距两探头中心线的相对距离，即轴偏离值有关，由图4.7可知，距中心线越

11、远，盲区高度就越大。在声束范围内，椭圆曲线的最大深度差在两个探头中轴线上最大深度和声束边缘最小深度之间。在针对焊缝检测时，检测区域的最大轴偏离是焊缝中心到热影响区的距离。n如果底面反射波深度是H mm（工件厚度），两探头中心距是2S，则偏离两探头中心x处的轴偏离底面盲区H可按式4.2计算： h =H-y=H-H【1-x2/(s2+H2)】1/2 = H1-【1-x2/(s2+H2)】1/2 (4.2)图图4.8 椭圆方程椭圆方程式式4.2推导推导n推导过程：n由图和公式可以看出，轴偏离底面盲区除了与轴偏离值有关外，还与工件厚度和PCS有关，在工件厚度一定时，增加PCS可以减小轴偏离底面盲区。n

12、在实际检测中，要特别注意焊缝型式和形状对轴偏离底面盲区高度的影响。X型坡口焊缝的熔合线处的盲区高度显然大于V型坡口根部的盲区高度。X型坡口焊缝热影响区缺陷的轴偏移位置最大，最不利于检出。n对底面有余高的X型坡口双面焊焊缝，还应注意底面焊缝余高对盲区的影响。如图4.9所示，余高使底面反射波信号延迟，椭圆轨迹降低，也就减小了焊缝熔合线处的盲区高度。仿真和实测均表明，余高的存在使熔合线处的盲区高度减小，但却使焊缝中心位置的盲区增大。图图4.9 底面焊缝余高对底面盲区的影响底面焊缝余高对底面盲区的影响n在TOFD检测方案设计时，为防止下表面附近缺陷漏检，就必须明确需要检测的最小缺陷尺寸、检测区域、焊缝

13、类型等，对于底面焊缝宽度较宽的焊缝实施检测，应考虑是否需要几条非平行扫查。例如采用两次偏置扫查，一次针对焊缝中心线左侧，另一次针对焊缝中心线右侧，以防止盲区内缺陷的漏检。4.1小结1、TOFD检测近表面问题检测近表面问题盲区和深度测量误差。2、上表面盲区上表面盲区 公式D Z = (cTp/2)2 +csTp1/2 。产生原因：直通波宽度TP。盲区大小与三个量有关：c、TP、s，其中TP（与探头带宽和频率有关）。用公式计算不准，原因：声束边缘直通波频率低于标称频率，频散现象。减小上表面盲区的措施：减小PCS、使用宽频带探头、 使用较高频率探头。3、底面中心盲区、底面中心盲区原则上不存在，因为缺

14、陷的上尖端始终在底波之前。观察到的焊缝中心底面盲区，原因：仪器、探头的分辨力和人眼的识别能力，与常规超声相同。4、轴偏离底面盲区、轴偏离底面盲区产生原因：TOFD检测中，传输时间相等的位置为一个椭圆，偏离PCS中心的缺陷出现在底波后，不能发现。公式公式h =H1-【1-x2/(s2+H2)】1/2，相关因素：工件厚度、PCS以及偏离值。增加PCS可减小轴偏离底面盲区。5、焊缝底面余高对底面盲区的影响、焊缝底面余高对底面盲区的影响焊缝型式和形状对轴偏离盲区有影响，X型坡口焊缝轴偏离盲区大于V型坡口焊缝。余高的存在使熔合线处轴偏离盲区高度减小，使焊缝中心盲区增大。4.2 TOFD测量的精度 4.2

15、.1 TOFD信号测量的精度概述 TOFD信号测量的精度是指测量信号到达时间的准确性。由于TOFD技术是利用衍射信号时差来测定衍射点深度位置的，而缺陷高度又是通过测量上下端点衍射信号时差来确定的，因此也可以说，TOFD技术的测量精度是指测量缺陷深度和高度的准确性。 n在第一章中曾提到，与脉冲反射法相比，TOFD技术的优点之一是对缺陷深度和高度的测量非常准确。n理论上用超声波信号测量缺陷高度尺寸的精度大约是0.1个波长。对频率为5MHz的探头，0.1个波长约为0.1mm。换算成传输时间，时间间隔大约为0.017s，一般认为，这是TOFD测量所能达到的最高精度。实际测量时，由于各种误差的存在，往往

16、达不到这一精度。 n需要强调的是，在TOFD技术中，要想进行精确的尺寸测量，必须参照直通波和底面反射波校准后的信号来测量时间。 n保证缺陷深度和高度测量精度的前提是选择正确的信号取值点。但即使测量点选择正确，在不同区域或不同位置上，TOFD技术的测量精度也是不同的。TOFD信号测量精度除了测量点位置的选取有关外，还与数字采样频率有关。n提高测量精度有以下几个措施，这些措施不仅对提高测量精度有利，而且其中的前面3项对减小近表面盲区也有利：（1）减小PCS；（2）使用短脉冲宽频带的探头；（3）使用更高频率的探头；（4）增加数字化频率。4.2.2 TOFD信号测量点位置的选取nTOFD信号位置测量可

17、以在A扫信号上进行，也可以在图像上进行。在图像上进行测量的优点是方便快捷，在实际工作中，面对大量信号，如不需要很高精度，则快速测量通常是在图像上进行。n当需要仔细分析和研究信号时，应结合图像在A扫信号上选择位置进行测量，这样可以达到更高精度，同时可以获得更多信息。n为了得到最准确的深度值，必须仔细选择以A扫信号上的哪一位置作为信号的到达时间。测量信号有三种选择：n测量A扫信号起始点，即前沿（图4.10的X点）；对应图像中的位置则是信号色带的上缘；n测量信号的峰尖（图4.10的Y点），对应于图像中白色带或黑色带的中间。3. 测量信号第一个半周与时间轴的交点，即信号由正变负的那一点（图4.10的Z

18、点）；对应于图像中色带由白变黑或由黑变白的界限。 图图4.10 测量不同信号到达时间的取值点位置测量不同信号到达时间的取值点位置使用交点法测量信号应注意以下规则：n如果直通波信号以正半周开始，时间读数取值点就选在该信号第一周期的半周由正变负的那一点。n由于底面反射波的信号相位与直通波相反，按照常取值点应选在第一个负半周的由负变正的那一点，但底面反射信号周期有时变得很多，信号发生紊乱，有时选取底面反射波的第二个波起点测量更准确（图4.10的W点）。n测量裂纹尖端衍射信号时，则选取第一个负半周的由负变正的那一点位置作为裂纹顶端的时间读数取值点，选取第一个正半周由正变负的那一点位置作为裂纹下端点的时

19、间读数取值点。n信号位置测量可以从上述三种方法中任选，关键是反复实践熟练掌握，验证测量准确性最方便的试验是测量试块厚度，精确应达到0.1mm。选择测量位置有时会遇到困难。例如：nTOFD图像的灰度是由A扫信号的幅度转换得到的，由于图像中白色带或黑色带有一定宽度，所以在TOFD图像中测量，有时找不准A扫的峰值。n另一种情况是在A扫信号上测量，有些信号前半周微弱，无法确定是信号的前沿还是噪声。还有一种情况是底面反射信号经常会饱和，采集不到底面反射波的峰尖。n遇到上述情况时，可通过图像与A扫信号的对照，以及改变信号测量位置等方法予以解决。4.2.3 数字采样频率对数字采样频率对TOFD测量精度的影响

20、测量精度的影响n影响信号测量精度的另一因素是数字采样频率。图4.11中数字化频率是信号频率的2倍，也就是每一个周期进行2次采样。这样的采样频率能够保证重建的数字波形频率不失真，却不能保证波形和波幅不失真。图4.11 数字采样频率对测量精度的影响n重建后的A扫波形与模拟信号存在较大不相似度：数字信号与模拟信号峰值点位置存在偏差1，数字信号与模拟信号与横轴的交点位置存在偏差 2，因此在仅满足奈奎斯特极限的数字化采样频率（例如采样频率是信号频率的3倍）所采集的数据重建的A扫图形上测量，即使测量位置选择是正确的，也不能得到准确的信号到达时间。由此可见，数字化频率低会影响信号测量精度。 n在第二章我们曾

21、经说过，TOFD信号的数字化频率至少应是信号频率的5倍。选择标称频率5倍的数字采用频率，即每个信号周期采集5个样本，可以使峰值信号的平均误差在10%以内。n 数字采样频率越高，A扫波形或TOFD图像精度就越高，重建的A扫图形的峰尖或信号与横轴的交点位置与模拟信号的相似程度也就越高，测量的结果也就越精确。 4.3 TOFD测量误差测量误差nTOFD技术的测量包括缺陷在工件中位置（深度）的测量和缺陷尺寸的测量，而缺陷尺寸的测量又包括缺陷的高度和长度的测量，因此测量误差也包括了位置（深度）的测量误差，以及缺陷高度尺寸和长度尺寸的测量误差。 n在缺陷长度方面，TOFD技术是利用在D扫描中信号保持的距离

22、来进行测定的，这非常类似于常规脉冲回波的方法，两者的测量精度也是相似的，因此TOFD技术的测量精度优势主要体现在缺陷的深度和高度测量方面。n与脉冲反射法相比，TOFD技术的优点之一是对缺陷位置和高度的测量非常准确。但在不同区域或不同位置上，TOFD技术的测量精度是不同的。nTOFD技术在测量缺陷高度方面可以达到很高的精度，无论从力学角度还是失效分析角度，通常认为缺陷高度测量的精度比长度测量的精度更有意义。n由于缺陷高度测量精度依赖于深度测量精度，因此本章在对深度测量误差进行分析的同时，讨论保证测量精度的一些措施。n导致TOFD技术产生深度测量误差主要因素有：（1）声束传输时间；（2）轴偏移；（

23、3）探头间距；（4）耦合剂厚度变化；（5）检测表面不平整；（6）声速变化；（7）声束入射点偏移。 4.3.1 声束传输时间引起的深度测量误差声束传输时间引起的深度测量误差nTOFD技术的深度测量误差随着接近表面而迅速增大。由于在近表面区域内衍射波传输路径几乎是水平的，深度上一个较大的变化只会引起时间上一个很小的变化，因此近表面深度测量不准，分辨率差。n【例题】衍射点位于两探头连线的中心线上，设声速为6mm/s，已知两探头中心距80mm，计算衍射点深度1 mm、2mm、4mm的信号传输时间。 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得： d 1 mm ，t1 = 2(402 + 12)

24、1/2/613.3374s； d 2 mm ，t2 = 2(402 + 22)1/2/613.3499s； d 4 mm ，t4 = 2(402 + 42)1/2/613.3998s； 由计算结果可知，深度2mm与1mm的衍射信号传输时间差仅为0.01259s；深度4mm与1mm的衍射信号传输时间差仅为0.0624s，由于深度变化的时间增量太小，一点点时间误差会导致大的深度误差。n根据缺陷深度计算公式（楔块延时忽略不计），假定缺陷尖端处于两个探头中间的对称位置，则时间t由下列公式得出： t = 2(s2 +d2)1/2/c （43） 整理后尖端深度为： d = (ct/2)2 - s21/2

25、（44） 两边平方： d2 = (c/2)2 t2 - s2 求上式关于d和t的微分，深度误差d可以由时间误差t来表示，即： 2dd = (c/2)22tt （45） 用式（43）替代t： d = c (s2 +d2)1/2t/2d （46） 对于近表面 d远小于s，公式可简化为： d = cst/2d （47）n从式(47)可以看出，随着深度d的减少，误差d迅速增加。因此缺陷越接近上表面，测量越不准。由公式还可以看出，减小探头中心距（S）有助于减小误差d。但这样做会使扫查覆盖范围减少，降低工作效率。n利用式(47)计算时，时间误差t可取数字化采样间隔的一半，因为当选择交叉点或者样本顶点附近进

26、行尺寸测量时，误差不会大于采样宽度的一半（图4.12） 。nt与数字化频率有关，又由于数字化频率取探头频率的5倍，所以也可以说t与探头频率有关。可以通过数字化频率或探头频率来减小深度误差。图图4.12 时间误差的图解时间误差的图解【例题】有一50mm厚的焊缝试件，其声速为5.95mm/s，TOFD检测时，PCS为115mm，探头频率5MHz，假设数字化频率为探头频率的5倍，当时间误差为数字化取样间隔的一半时，试计算深度为1mm、3mm、5mm时的深度测量误差。 解：已知：c=5.95mm/s， PCS=115mm， f=5MHz 则数字化频率为55=25MHz， 取样间隔，s04. 0251s

27、04. 0251，s02.0t tdd2cs d=1mm时， mm42. 302. 0125 .5795. 5d d=3mm时， mm14. 102. 0325 .5795. 5d d=5mm时， mm68. 002. 0525 .5795. 5d答：当d=1mm时，深度测量误差为3.42mm； 当d=3mm时，深度测量误差为1.14mm； 当d=5mm时，深度测量误差为0.68mm。n表4.2是以40 mm厚的试块为对象计算出的一些深度误差值，声速是5.95 mm/s，PCS为 100 mm。探头频率为5 MHz，假设数字化频率为25 MHz，采样间隔为0.04 s，t = 0.02 s。根

28、据表4.2数据画出的曲线见图4.13。 表表 4.2 深度误差随深度而变化深度误差随深度而变化d, mm135102040d, mm3.00.990.60.30.160.09图图 4.13 时间不确定引起的深度误差随深度变化的示意图时间不确定引起的深度误差随深度变化的示意图n可以通过深度误差与探头角度的函数关系来进行分析。时间t与探头角度的函数关系见图4.14图4.14 时间t与探头角度的函数关系n由图4.14可见ct/2cos = dn所以声程 ct= 2d/cos， 得到时间t = 2d/ccos ，把t代入公式（45）2dd = (c/2)22tt， 可推导出下式： d =ct/2cos

29、 （48）【例题】TOFD检测时，已知试件声速c=5.95mm/s，探头频率f=5MHz、数字化频率为探头频率的5倍，假设时间误差为数字化取样间隔的一半，试计算60和70声束的深度测量误差值。=60mm时， mm12.002.060cos295.5d1=70mm时， mmd17. 002. 070cos295. 52图图 4.15 时间不确定引起的深度误差随角度变化的示意图时间不确定引起的深度误差随角度变化的示意图n图4.15所示是按公式（4-8）计算得出的深度误差与角度的关系曲线，取t = 0.02 s。从图中可以看出深度误差在接近水平线，即折射角大到一定程度时迅速增大。分辨力在接近水平线时

30、迅速恶化，即角度越大，分辨力越差。例如，由图中曲线可见，深度误差小于0.2mm的点对应的角度大致为70，即如果要求深度误差小于0.2mm，则到达裂纹尖端的声束入射角应该小于70。 n问题： 如果探头折射角为70则深度误差小于0.2mm？n有时会应用另一个准则，即定义一个深度dmin，在这个深度上深度误差等于深度的一半，（小于这个深度值，深度误差大于深度的一半）， 把d =dmin，d =dmin/2代入公式（4-7） d = cst/2d，可以得到关于深度误差的另一公式： (dmin)2 = cst (4-9) dmin是最小可接受的深度. 表4.3中给出了一些按式(4-9)的计算值。表表 4

31、.3 误差为深度一半时的最小深度误差为深度一半时的最小深度s, mm t, sdmin, mm500.022.4500.0152.1250.021.7250.0151.54.3.2 轴偏移引起的深度测量误差轴偏移引起的深度测量误差图图4.16 轴偏移引起的深度测量误差轴偏移引起的深度测量误差n非平行扫查时，如果缺陷不是位于两探头之间的中心位置，会导致深度测量出现误差。如图4.16所示，设裂纹尖端偏离两个探头中心距离为X mm，则传输时间(忽略楔块延时)可用下式表示： t = (L + M)/c 声程 ct = (s + X)2 + d21/2+(s - X)2 + d21/2 (4-10) 这

32、是一个椭圆方程，两探头的声束入射点为椭圆的两个焦点。声程ct在数学上的意义为两个焦点与椭圆上任意点的连线的长度，是一个常数，即椭圆上F1点和F0点衍射的信号声程是相同的。由于在非平行扫查中衍射点偏离中心的位置是不确定的，因此得到的深度会有误差。在ct为恒定的情况下，最大深度d max,是X = 0的直线与椭圆的交点 (即图4.16中F点)， 最小深度d min为超声波声束的边缘与椭圆的交点(即图4.16中E点)。n如果考虑缺陷位置偏移到超声波声束的边缘处，则深度误差将大到不能容忍。但如果认为缺陷只存在于焊缝体积内，误差就小的多，虽然在焊趾上误差会大一些。n由缺陷位置的轴偏移引起的深度测量误差大

33、小同时还与深度、探头中心间距和探头特性有关。当声束中心指向某一深度时，在此深度超声波声束边缘的深度误差大约为8%。所以，对于焊缝根部腐蚀检查，如果探头对着底面，则声束边缘的深度误差是8%,也就是说 (d max d min) / d max = 8%n例如，工件厚度50mm，对于焊缝根部腐蚀扫查，底面的轴偏移反射体深度误差最大值是4 mm。n一般轴偏移缺陷的深度测量绝对误差可以达到几毫米。对于V型坡口，如果从焊缝宽度大的一面进行扫查，焊缝底部通常处于两探头的中间，因此误差很小；即使从焊缝宽度小的一面进行扫查，焊缝体积内的缺陷深度误差大部分也小于3%。n对于X型坡口，其熔合线和热影响区误差可能较

34、大，但焊缝体积内的深度误差大部分小于1%。如果使用大的探头中心间距，声程增大，可以减小误差。n另外需要说明的是，轴偏移误差对缺陷高度测量影响不大，因为当缺陷上尖端和下尖端衍射的轴偏移误差可以相互抵消。如果缺陷相当小，缺陷上端和下端的误差值可能非常接近，则自身高度能够精确测量。n跨越焊缝的平行扫查不存在轴偏移误差。由此可以看出为什么平行扫查对于精度要求高的深度尺寸测量来说是重要的，因为在这种情况下，总可以找到这一点，在缺陷尖端位于两个探头中心时进行测量。4.3.3 探头间距引起的深度测量误差探头间距引起的深度测量误差n计算探头距离的变化或者误差s所带来的影响。根据TOFD基本公式 d2 = (c

35、/2)2 t2 - s2 对d和s微分， dd = -ss d = -ss/d (4-11) d = -s s/d (4-11) 由式(4-11)可见，在探头间距一定的情况下，误差s对深度测量有很大影响。而且对越接近表面的缺陷，深度测量误差越大。例如 s = 50 mm，误差s = 1 mm ，如果缺陷深度为 20 mm，则得到误差d = 2.5 mm；但如果缺陷深度为 10 mm ，得到的误差d = 5 mm。由于深度测量的误差过大，因此实际检测时，需要利用直通波和底面波信号来进行校准。n虽然探头距离的变化或者误差s对深度测量准确性影响很大，但是对缺陷高度测量影响很小。4.3.4 使用直通波

36、和底面反射波校准的重要性使用直通波和底面反射波校准的重要性n从上节知道，探头间距的一个很小的变化可以导致绝对深从上节知道，探头间距的一个很小的变化可以导致绝对深度测量的一个很大的误差。然而如果根据直通波或者底面度测量的一个很大的误差。然而如果根据直通波或者底面反射波信号校准尖端信号到达的时间，能使这个误差大大反射波信号校准尖端信号到达的时间，能使这个误差大大减小。减小。 1、根据直通波测量时间、根据直通波测量时间 设深度设深度d的衍射点的信号声程为：的衍射点的信号声程为： ct = 2(s2 +d2)1/2 直通波声程为：直通波声程为： ctl = 2s 因此这两个信号的时间差为：因此这两个信

37、号的时间差为： ctr = c(t-tl) = 2(s2 +d2)1/2 -2s 因为因为d远小于远小于 s, ctr = 2s(1 + (d/s)2)1/2 -1 d2/s 如果对如果对d和和s求微分，得到求微分，得到 d = ctr s/2d = d s/2s （412）【例题】对60mm厚试件进行TOFD检测， 设 定PCS=120 mm，但实际存在误差S=1mm，现对30mm处的缺陷进行深度测量， （1）测量缺陷深度时已根据直通波校准， 求误差是多少？ （2）如果未进行校准，则误差是多少？解：已知：解：已知：PCS=120mm， mm6021202PCSSS=1mm，d=30mm（1）

38、按式（4-12） d = ds/2smmSSdd25. 060213022 （2）按式（4-11） d = ss/d d = 601/302 mm 答：（1）用直通波校准后，30mm处的深度测量 误差为 0.25mm。 （2）不进行校准，30mm处的深度测量误差 为2mm。2、根据底面反射波测量时间、根据底面反射波测量时间n设深度d的衍射点的信号声程为： ct = 2(s2 +d2)1/2 底面反射波声程： ctb = 2(s2 +D2)1/2 因此这两个信号的时间差为： ctr = c(tb - t) = 2(s2 +D2)1/2 - 2(s2 +d2)1/2 因为 s 大于 D且s 大于

39、d，因此可以得到： ctr (D2 - d2)/s 对d和s求微分，得到： d = - ctrs/2d - D2s/2ds （4-13） 【例题】对60mm厚试件进行TOFD检测，如果 PCS=120mm，测量缺陷深度时已根据 底波校准，求30mm处的深度测量误差。 （假设S=1mm） 解：已知：D=60mmmmd160321602答：30mm处的深度测量误差为1mm。 较为精确的计算公式： d =（D2-d2）s/2ds n计算绝对深度所需条件参数：（1）测量裂纹尖端的时间，把速度、PCS 和探头延迟作为输入参数，可以计算 绝对深度。（2）测量裂纹尖端和直通波的时间，把 PCS 和速度作为输

40、入参数，可计算出相 对于直通波的深度。（3）测量裂纹尖端和底面反射波的时间，把 PCS 、壁厚和速度作为输入参数，可计算 出相对于底面的深度。设设s = 50 mm，D = 40 mm， s = 1 mm， 则可计算出绝对深度测量误差，不同深度则可计算出绝对深度测量误差，不同深度 的误差的比较在表的误差的比较在表4.4中列出。中列出。 表表4.4 一定一定PCS的深度测量误差的深度测量误差深度深度, mm绝对误差，绝对误差，mm相对于直通波相对于直通波的深度测量误的深度测量误差，差，mm相对于底面波的相对于底面波的深度测量误深度测量误差差,mm51003.21050.11.5202.50.20

41、.6401.20.350n以PCS 为基础计算绝对深度，可能产生很大的误差。而相对于直通波和底面反射波进行时间测量时，深度计算的误差要小得多。用直通波校准，在直通波处误差为零，随着深度增加误差缓慢增加。反之亦然，用底面反射波校准，在底面的误差为零，随着深度减小误差缓慢增加。n在实际工作中，应先测量直通波和底面反射波的位置，并且用已知的PCS和壁厚D，计算速度和楔块延时，这些参数是计算尖端信号深度时要使用的。这是自校准的一种形式，因为速度和楔块延时的设置使得金属表面在0mm，底面反射波信号在深度D mm。因此尖端信号的相对位置基本正确，误差也相对较小。 n为了保证校准有效，直通波和底面波的测量点

42、必须在端点信号附近，如图4.17所示。这是由于探头间距的变化或者其它形式的误差，有可能导致在A扫描中的信号传输时间变短或变长。 图4.17 PCS变化时测量直通波和底面反射波的位置4.3.5 耦合剂厚度变化引起的深度测量误差耦合剂厚度变化引起的深度测量误差n超声波在耦合剂中的传输速度远小于在金属中的传输速度，所以如果绝对深度用端点信号到达的时间来测量，则深度将会变大。然而，如果测量的时间是相对于直通波的时间（直通波的位置应该从耦合剂开始发生变化的位置进行测量），可以使误差有很大的降低。图4.18 超声波在耦合剂中传输的路径n超声波在耦合剂中传输的路径如图4.18所示。如果耦合剂的厚度是H mm

43、，超声在耦合剂中总的声程是L，则L = 2H/cos，其中是声束在耦合剂中的角度。如果声束在金属中的角度是，根据公式 sin =s/(s2 +d2)1/2并应用Snell法则，可以得到 L = 2H/1 - (cc/cm)2 s2/(s2 + d2)1/2 (4-14) 其中cc和 cm分别是声束在耦合剂和金属中的传输速度。如果cc cm，则公式可简化为 L 2H1 + 0.5(cc/cm)2 s2/(s2 + d2) n由于耦合剂厚度H的误差H导致时间上的误差t为： t = 2H1 + 0.5(cc/cm)2 s2/(s2 + d2)/cc 对于直通波，当d0时，有： tr = 2H1 +

44、0.5(cc/cm)2 s2/(s2 + d2)/cc - 2H1 + 0.5(cc/cm)2/cc = 2H(cc/cm)2 d2/(s2 + d2)/2cc 应用时间误差引起深度误差的公式(4-6) 2dd = c(s2 + d2)1/2t , 上式可表示为（4-15），即对耦合剂，可以得出： d = ccdH/2cm(s2 + d2)1/2 (4-15)n表表4.5给出了按式给出了按式4.15计算的一些误差数据（计算的一些误差数据（ s = 50 mm, cc = 1.5 mm/ s, cm = 6 mm/ s和和 H = 1 mm）。）。如果时间从直通波开始测量，那么信号到达裂纹端点的

45、如果时间从直通波开始测量，那么信号到达裂纹端点的时间误差就很小，因为已经除去耦合剂的厚度，但是如时间误差就很小，因为已经除去耦合剂的厚度，但是如果用绝对时间来测量深度，那么误差就可能非常大。果用绝对时间来测量深度，那么误差就可能非常大。n表表4.5 耦合剂厚度变化产生的深度误差耦合剂厚度变化产生的深度误差深度深度d, mm用绝对时间测量的深度用绝对时间测量的深度误差误差 d, mm相对于直通波测量的深相对于直通波测量的深度误差度误差 d, mm5210.0110100.025205.40.046403.20.08n探头离开金属或者耦合剂的厚度变化，可能会使直通波信号出现明显的移动，看起来像表面

46、开口缺陷，或者难以辨别是否有缺陷。因此，在设计扫查器时应注意使探头能够平滑地移动。n如果因耦合剂厚度的变化导致直通波随时间上下移动，可以采用软件工具对直通波进行拉直处理，从而使测量缺陷深度变得容易，也更加准确。但是，如果怀疑有上表面开口缺陷，则必须拉直底面反射波，因为此时如果拉直直通波，可能会使缺陷的下尖端变成直通波，从而无法分辨缺陷。4.3.6 检测表面不平整引起的深度测量误差检测表面不平整引起的深度测量误差n检测时，如果工件表面高度有变化h，则测量会产生严重的误差。任意深度上的测量都会产生将近h/2的误差，有关推导如下： 当 ds时，误差近似可以表示为 d = h(1 +d2/2s2)/2

47、 (4-16) 当 ds时，有：d h/2 这样，因工件不平整产生1mm高度的变化，在深度测量时就会有0.5mm的误差。但是，如果测量的是缺陷高度而不是深度，那么误差大部分会抵消。 工件焊缝两边存在错位或者厚度不等时，用标准公式将会造成很大的深度误差。4.3.7 声速引起的深度测量误差声速引起的深度测量误差n当被检工件中的声速与预期的不同时，采用绝对深度计算公式就会造成误差。但如果直通波和底面反射波的扫查距离达到一定长度，则可用直通波和底面反射波自校准，校准后声速误差大部分会被消除，因为仪器系统会自动计算出一个声速使得直通波的位置在0 mm，底面反射波在工件规定的厚度D mm。相对于直通波，信

48、号的时间是： ctr = c(t-tl) = 2(s2 +d2)1/2 -2s 对时间和声速进行微分： t = -2c(s2 +d2)1/2 -s/c2 (4-17) n因为d = c (s2 +d2)1/2t/2d， 所以d = -c(s2 +d2)1/2(s2+d2)1/2-s/cd。 设s=50 mm, c=5.95mm/s和c= 1%c ,即0.06 mm/s，根据上面的公式得到的一组深度误差值见表4.6。 声速误差控制可通过程序以及推荐使用与工件相同材料的参考试块来控制。 表4.6 声速误差达到1%时的深度误差深度，深度，mm5102040误差，误差，mm0.0250.050.10.

49、224.3.8 入射点偏移引起的深度测量误差入射点偏移引起的深度测量误差图图4.19 入射点在金属表面随缺陷位置而改变的示意图入射点在金属表面随缺陷位置而改变的示意图n在深度计算公式中，假设超声波是在一个固定点进入工件的，但事实上，从图4.19可以看出这个假设并不完全准确。n靠近上表面的缺陷，容易被探头楔块的前缘发出的声束检测到，靠近底面的缺陷容易被探头楔块后缘发出的声束检测到，也就是说，探头间距是深度的函数。n例如，60的探头在金属中具有45到90的声束扩散角。如果声束在楔块和金属中传输的速度分别是2.4 mm/s和6 mm/s，那么声束在楔块中的声束中心角是20.44，上下扩散角从16.5

50、到23。假设中心声束在楔块中的声程是10mm，那么探头晶片表面声束发射点的高度Y =10cos(20.44) = 9.3 mm。于是从楔块下表面声束边缘到发射点的距离是： x1 = 9.3tan(16.5) = 2.75 mm x2 = 9.3 tan(23) = 4.06 mm 而 x2 - x1 = 1.3 mm，那么PCS总的变化量是2.6mm。 当探头间距小于两倍的工件厚度时(PCS2D)影响是最大的。但是大部分情况PCS 2D，因此入射点偏移的影响很小，一般小于0.25mm。如需要最准确的深度，可以通过计算方法进行修正，也可以通过对不同深度的人工缺陷进行校准来达到要求。 4.3.9

51、其他误差其他误差n以上已经阐述的是产生误差的主要因素，除此以外，还有许多次要因素会产生一些小误差，它们对总的误差也会产生影响，这些因素包括： 1)探头的改变； 2)探头角度的变化； 3)探头倾斜； 4)超声波衰减； 5)衍射角度； 6)角速度的变化。 以上次要因素产生的误差大部分是由于脉冲形状改变而引起的。从一个回波到另一个回波的测量时间也会有微小误差。一般来说，次要因素引起的误差比前面提到的主要因素引起的误差要小一些。4.3.10 深度测量总误差n上面列出的所有误差对总的深度测量精度都有影响，把每个误差的平方和再开方所得到的就是深度测量精度。表4.7所列的是设 D = 40 mm，PCS =

52、 90 mm，探头角度= 60，数字化频率50 MHz，且假设声速和楔块延时已经根据直通波和底面反射波的位置校准过，而计算出来的误差数据。 表4.7 独立误差和总误差的一组计算数据深度深度, mm时间误差时间误差 t = 0.01 sPCS误差误差, s = 1 mm表面不平误差表面不平误差, h = 1 mm耦合剂深度耦合剂深度误差误差, H = 0.5 mm总误差总误差,mm20.670.020.50.000.8450.270.060.50.000.57100.140.110.50.010.53200.070.220.560.030.61400.040.440.750.040.87图图4.

53、20 深度方向上的总误差深度方向上的总误差n由于声束传输时间误差的影响，TOFD技术的最大的深度误差发生在上表面处，随着深度的增加，误差逐渐变小。而其他因素引起的误差在上表面的误差较小，随着深度的增加而逐渐增大。n图4.20所示为典型的总误差图。在上表面总误差很大，下降到10mm深度时，误差值降到最小，此后随着深度的增加误差逐渐增大。除了上表面附近的3至4mm深度范围误差很大以外，在深度方向上总的误差范围都在1mm以下。n因此，我们说TOFD在深度方向上的尺寸测量精度是1mm。4.3.11 监控缺陷扩展的误差控制措施监控缺陷扩展的误差控制措施n测量裂纹尺寸的总误差包括几种系统误差，比如，错误的

54、声速，表面不平以及PCS误差。n在监控缺陷时，减少误差最简便也最有效的措施就是采用相同的探头和检测设置重复检测某一个特定的裂纹以监控它的增长，这样可以避免上述系统误差，可以保证误差不大于0.3mm。如果改变探头和检测设置，则会出现许多难以预料的误差。4.4 缺陷长度的测量误差缺陷长度的测量误差n一般来说，在测量缺陷长度方面，TOFD技术与脉冲回波技术非常相似，其测量精度不高，大约为5mm。n用抛物线指针测量缺陷长度，在不同深度的测量精度是不同的，对近表面缺陷更准确一些，因为抛物线指针在扫查方向上很窄，放置光标时很容易定位。距扫查面越远，抛物线指针弧线就变得越宽，因此对埋藏深度较大的缺陷，测量精

55、度会变差。在这种情况下，可以通过合成孔径技术（SAFT）对数据进行处理，以提高长度测量值的精度。n对弯曲的缺陷或走向倾斜的缺陷的长度测量难度比较大。沿着弯曲缺陷的拟合弧线并不总是在相同的深度，很难得到好的拟合结果。n另外，缺陷末端的信号有时看不到，使拟合难以进行。发生看不见缺陷末端信号的情况可能是因为缺陷末端与底面的角度很大导致衍射信号减弱，也可能因为缺陷末端信号被更大的底面反射波所覆盖。n采用测量与表面平行的平直缺陷的测长方法去测量弯曲的缺陷，将会产生相当大的误差，特别是对不太长的缺陷。nM. G. Silk博士根据实验结果曾指出，采用抛物线指针技术对小于11mm的底面开口缺陷进行测量，如果

56、方法不当，甚至可能产生12mm的标准误差。4.5 TOFD技术的分辨力4.5.1 分辨力的定义分辨力的定义 分辨力与精度是两个不同的概念。n精度是指测量信号到达时间的准确性；n分辨力是指能够识别的2个信号到达的时间间隔，或其所能代表的最小距离，这种分辨力称为纵向分辨力，也称时间分辨力、距离分辨力或深度分辨力。n如图4.21所示。 图图4.21 精度和分辨力图解精度和分辨力图解n分辨力决定了TOFD系统所能分辨的缺陷的高度尺寸的极限，典型的情况是分辨一个小裂纹的顶部和底部的衍射信号的到达时间或距离。 nTOFD系统的纵向分辨力取决于脉冲信号的持续时间。通常一个脉冲包含几个周期，其时间分辨力就是这

57、几个周期的时间，其距离分辨力就是这段时间超声波的传输距离，也就是几个波长的长度。n因此，TOFD探头的脉冲周期数对分辨力的影响很大。探头发出的超声脉冲周期数越少，信号储蓄时间就越短，分辨力就越高。对TOFD探头周期数提出严格的要求：探头发出的超声脉冲应为一个半周期，且在脉冲的头尾端的半周期不大于主半周期波高的-6dB。如果以返回信号10%波幅来测量，直通波和底面反射波的脉冲长度应不超过2个周期。n其次，TOFD探头的频率对分辨力影响也很大。频率提高，一个信号周期的时间也就减少了。在脉冲周期数的情况下，频率5MHz的脉冲信号的持续时间只是频率1MHz脉冲信号持续时间的五分之一，所以前者比后者的分

58、辨力高很多。 n TOFD系统一般使用的频率是5MHz，一般情况下信号的脉冲大致是2-3个波长。对于5MHz的探头来说，一个波长大约为1mm，所以我们说TOFD系统的分辨力大致为2-3mm。由于大多数夹渣和气孔高度小于这一数值，所以TOFD系统一般不能分开其上下端点信号。 4.5.2 TOFD技术在不同深度的分辨率技术在不同深度的分辨率n为了获得上下端点能区分的反射体的最小尺寸，其量值用声学脉冲的长度来确定。如果tp是声学脉冲长度的时间(最大到振幅的10%)，td是深度为d mm的衍射信号的传输时间，如图22所示。图22 不同深度的分辨率不同深度的分辨率n深度分辨率R mm可以按下式计算出来：

59、 R = (ctd + tp/2)2 -s21/2 d （418） n使用5MHz 探头检测40 mm厚的试样，探头中心间距100 mm。脉冲宽度分别取中心频率的2个和1个全周期，即0.4s和0.2s.，则在不同深度的分辨率的计算结果如表4.8所示。 深度, mm5102040脉冲宽度取2个周期的分辨率, mm7.15.03.01.9脉冲宽度取1个周期的分辨率, mm4.222.701.550.95表表4.8 不同深度的分辨率不同深度的分辨率分辨率随着深度的增加而提高；减少探头中心间距或者减小脉冲宽度可以改善分辨率。当反射体接近表面时，能够分开上端和下端的反射体尺寸快速增加。4.5.3提高提高

60、TOFD技术的分辨率的措施技术的分辨率的措施1、使用短脉冲探头，减少信号脉冲周期数，从而减 少脉冲信号持续时间；2、提高探头频率；3、改变探头间距。其他措施：1、用底部以后的信号来观察近表面缺陷信号，这与较深处的缺陷分辨率较高的道理是相同的；2、采用偏置扫查或平行扫查。第五章练习题第五章练习题一、选择题一、选择题1、TOFD深度尺寸测量准确度误差的平均值 大约为： a、1mm； b、0.1mm； c、0.01mm；d、无法给出数值。2、以下关于TOFD技术局限性的叙述，错误 的是：a、近表面深度分辨力不高； b、近表面信号淹没在直通波内导致漏检；c、在进行非平行扫查时底面存在盲区；d、在进行平