衍射时差法超声检测技术课件

衍射时差法超声检测技术(TOFD技术）

第一章TOFD技术的基本知识2018.11.301.衍射时差法：是采用一发一收探头对工作模式、主要利用缺陷端点的衍射波信号探测和测定缺陷位置及尺寸的一种超声检测方法。2.缺陷的衍射信号与哪些因素无关？①与衍射信号的角度无关②与衍射信号的幅度无关因为衍射信号与角度和振幅无关，所以，TOFD技术在原理和方法上与传统脉冲反射超声波检测技术有根本性的区别。3.传统超声检测技术是：1、根据缺陷反射信号检出缺陷；2、根据缺陷幅度评定缺陷尺寸4.传统超声检测技术影响缺陷的定量因素：1、入射声束角度；2、检测方向；3、缺陷表面粗糙度；4、工件表面状态；5、探头的压力。5.TOFD仪器性能：1.更宽的接收放大系统频带；2.更快的数字化采样频率；3.更高的信号处理速度；4.更大的存储量6.TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》于2009年12月1日起施行，做出如下规定：无损检测人员应当按照相关技术规范进行考核取得相应资格证书后，方能承担与资格证书的种类和技术等级相对应的无损检测工作。7.压力容器焊接接头无损检测方法的选择：压力容器的对接接头应当采用射线检测或者超声检测，超声检测包括衍射时差法超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法超声检测（自动检测）和不可记录的脉冲反射法超声检测（手动检测）；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测（手动检测）时，应当采用射线检测或者衍射时差法超声检测做为附加局部检测；8.衍射现象：波在传播路径中遇到障碍物，发生绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象，称为波的衍射。衍射也是波在传输过程中与界面作用而发生的不同于反射的另一种物理现象。9.裂纹的上下端点都可以产生衍射波。衍射波信号比反射波信号弱得多，向空间的各个方向传播，没有明显的指向性、能量低、衍射方向不取决于入射角。10.惠更斯－菲涅尔原理：惠更斯提出，介质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加。裂纹中部的反射波接近平面波，其波阵面由众多子波源反射波叠加构成;裂纹尖端则没有叠加现象发生。定义：尖端独立的子波源发出的超声波即为衍射波。衍射波是球面波。11.衍射波的重要特点：1.没有明显的方向性；2.衍射波强度很弱。12.缺陷端点形状对衍射的影响：1.端点越尖锐，衍射特性越明显；2.端点越圆滑，衍射特性越不明显；3.当端点圆半径大于波长（d>λ)时，主要体现的是反射特性（对大一点的气孔或夹渣类，检测不敏感）。13.不同角度下衍射信号波幅的变化：裂纹下尖端信号在折射角20°和65°时,波幅曲线出现两个波峰；在38°时,波幅下降很大几乎为零；裂纹上尖端信号在0~65°区域单调增大，在65°时波幅达到最大值，从65°~85°单调降低；折射角为65°时，裂纹上、下尖端信号波幅均达到最大值，在45°~80°区间，裂纹下尖端的信号波幅大于上尖端的信号波幅。在此区间内，由角度变化而引起的信号波幅变化不大于6dB综上所述：1.衍射信号幅度随折射角的变化而变化；2.由角度变化引起的信号波幅变化不大于6dB；3.TOFD技术一般使用45°~70°的探头，避开了38°角度，这就保证衍射信号的强度；因探头角度>70°以上时，会增大测量误差，所以，在实际TOFD检测中一般也不使用75°以上的探头。14.裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响：研究结果：试验中不断改变两探头中心线与裂纹的夹角，即使裂纹走向与两探头中心线不垂直，对衍射信号波幅不会产生严重影响。1、夹角α由90°→60°时，TOFD衍射信号振幅降低1dB；2、夹角α由60°→45°时，TOFD衍射信号振幅降低6dB。15.计算表明当裂纹倾角为±30°时，衍射信号幅度增加不超过3dB，这表明裂纹方向对衍射时差法检测相对不敏感16.即使缺陷偏离两个探头之间的对称中心达到30mm，衍射信号仅比来自对称放置的直径为3mm平底孔的信号降低10dB，这说明裂纹偏离两探头中心对衍射信号幅度没有太大的影响。17.不同位置的信号强度分布：1.在60°的声束聚焦中心区域有最高的信号波幅；2.在45°~74°范围可以得到适中的信号幅度3.虚线内其余区域虽然可以得到信号，但波幅减小到-24dB，特别是在靠近表面的区域减小的更多；4.波束覆盖范围主要是受探头波束宽度的限制，可以通过使用小直径的探头，或是使用更大折射角探头（例如使用70°折射角探头）来增大波束覆盖的有效区域。二、TOFD技术的基本知识TOFD技术的典型设置1.双探头的优点：①可避免镜面反射信号掩盖衍射波信号，从而在任何情况下都能很好地接收端点衍射波信号；②测定反射体的准确位置和深度；③易于实现大范围扫查，快速接收大量信号；④双探头系统是TOFD技术的基本配置和特征。2.在常规超声技术中采用单探头也能发射超声波和接收衍射波，通常情况下，反射信号比衍射信号波幅高6~24dB,对探头而言,接收到的端点衍射波信号可能被反射信号掩盖，因此衍射波信号是否能看到具有不确定性。总之，单探头对端点衍射波信号接收不利，难以实现大范围检测，也难以快速测定反射体的准确位置和深度，虽然，单探头是可以进行缺陷检测的，但TOFD技术不采用这种方法。TOFD技术使用的探头1.TOFD探头的特点：1.采用小尺寸晶片的大扩散角探头；2.要有良好的发射和接收性能；3.应具有宽频带和窄脉冲特性；2.TOFD探头一般使用的频率范围是1MHz~15MHz，晶片尺寸范围是3mm-20mm，通过楔块在钢铁中形成45°-70°的不同角度的折射纵波。3.纵波探头声场特点：1.纵波与横波同时存在；2.大扩散角和宽波束；3.横波声场的强度比纵波大的多。4.TOFD技术使用的典型超声探头，是将一个压电传感器安装在有机玻璃或其它类似材料的楔块上组成探头。压电传感器大多采用复合材料。5.压电复合材料制作的探头有以下优点：1、横向振动很弱，串扰声压小；2、机械品质因数Q值低;3、带宽大（80%～100%）；4、机电耦合系数值大；5、灵敏度高，信噪比优于普通PZT探头；6、在较大温度范围内特性稳定；7、可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术；8、声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数易于改变（因这些参数相关于陶瓷材料的体积率）；9、易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）；10、可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。6.TOFD技术采用的超声波波型：在各种波中，纵波的传播速度最快，几乎是横波的两倍，从而能够领先于其它种类的波，在最短时间内到达接收探头。使用纵波并利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结果是唯一的。7.为什么TOFD检测使用纵波而不用横波探头?①为了避免回波信号难以识别的困难；②利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结果是唯一的。8.在TOFD检测时，工件中存在多种波：首先是探头发射的纵波和横波；其次在波的传播过程中，遇到缺陷，底面，或其它不同声阻抗的界面，会发生波型转换。因此，到达接收探头的信号包括：所有纵波、所有横波、波型转换后的一部分纵波和一部分横波。TOFD声场中的A扫信号1、直通波：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路程最短，最先到达。当探头间距较大时，直通波可能非常微弱，甚至不能识别。由于TOFD扫查所发射和接收的信号在近表面区有较大的压缩，因此这些区域的一些有用信号可能隐藏在直通波下。直通波的频率比声束中心的频率低。直通波是声束边缘的体积波。2、缺陷衍射信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底面反射波之间，比直通波信号强，比底面反射波信号弱。为提高小缺陷的上尖端和下尖端信号的分辨能力，可采取减少信号周期的措施（1.5-2个周期）。3、底面反射波：纵波在底面的反射波。因传播距离比直通波长，所以在直通波之后出现。如果探头的波束只发射到金属材料的上部分或者工件没有合适底部进行反射，则底面反射波可能不存在。4、波型转换缺陷衍射信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号之间会产生各种波型转换信号，波型转换信号到达接收探头时间比底面纵波反射信号长，但比底面反射波型转换信号短。对于真实存在的较大的缺陷，会再次出现波型转变信号，而且经过横波转换，近表面的缺陷信号可能变得更加清晰。5、底面反射波型转换信号：在底面纵波反射信号之后将出现一个相当大的信号，这种信号是底面横波反射信号，它有时会被误认为是底面纵波反射信号。由于直通波和底面反射波的存在，检测时如果只使用TOFD技术，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米或十几毫米之间，上表面的盲区大于底面的盲区。相位关系1.当波束从高阻抗介质中入射到一个低阻抗介质（例如，从钢中入射到钢/水界面或钢/空气界面）时，在界面反射的信号相位改变180˚，波束在碰到界面之前是以正向周期开始传播的，在经过界面反射后变成以负向周期开始传播。上尖端信号就像底面反射信号一样，相位变化了180°。缺陷下尖端的衍射信号相位不发生改变，以解释为波束只是在缺陷底部环绕,没有发生界面反射。如果上尖端信号相位从负周期开始，与底面反射信号相同，那么下尖端信号就是从正向周期开始，其相位与直通波信号相同。研究表明，如果两个衍射信号的相位相反，可以判断在信号之间一定存在一个连续的缺陷。因此，相位对分析信号和测定缺陷准确尺寸是非常重要2.相位的变化：1.直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的；2.直通波与缺陷的下端点的相位是相同的；3.缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的；4.每一个衍射信号的上、下端点衍射波相位是相反的。5.对不同深度的两个衍射信号，可根据相位变化判断工件中的缺陷是一个缺陷还是两个缺陷6.如果两个信号的相位相反，可能是一个缺陷（例如一条裂纹）的上下尖端衍射信号;7.如果两个信号的相位相同，则可判定为两个缺陷。深度计算1.探头中心距：两探头入射点之间的距离又称为探头中心距，用符号PCS表示。PCS＝2S。由于两探头相对于衍射端点是对称的，2.超声信号传播距离L可以用下式计算：L=2(s2+d2)1/2超声信号传播时间计算式：t=2(s2+d2)1/2/c衍射端点深度的计算式：d=[(ct/2)2-s2]1/23.在TOFD检测中，深度和时间的关系不是线性的，而是呈平方关系的，因此，在近表面区域，信号在时间上的微小变化转换成深度就变化较大。深度测量的误差随着接近上表面而迅速增大。4.通过软件计算进行线性化处理可得出B-Scan和D-Scan的线性深度图。5.由于存在直通波和不断增大的深度误差，TOFD对近表面的缺陷探测的可靠性和准确性并不太高。这个不能保证区域可以通过减小PCS或采用高频探头来改变。当工件只作一次扫查时，近表面不能保证距离大约是10mm6.例如，采用15MHz的探头和较小的PCS，对工件的检测可以达到表面以下1mm深度，不过这些措施会使检测覆盖面减小。深度校准和PCS设定1、深度校准延时时间：从晶片发出的声束到入射点需要的时间称为延时时间。用2t0表示。信号总的传播时间：缺陷深度计算公式：2.直通波出现的时间公式：tL=2s/c+2t0底面反射波出现时间公式：tb=2(s2+D2)1/2/c+2t0探头的延时式：2t0=tb-2(s2+D2)1/2/c波的传播速度：c=[2(s2+D2)1/2-2s]/(tb–tL)3.缺陷自身高度：由于计算自身高度只需要测量时间,所以高度估计会很准确。实际操作中，检测裂纹±1mm的精度是完全可以达到的(检测人工缺陷时可以达到±0.1mm)【例题5】衍射点位于两探头连线的中心线上，已知：两探头中心距80mm，衍射点深度30mm，声波速度6mm/ms，两个探头楔块中的总延时1.6ms，则从发射到接收超声信号总的传播时间是多少？解：由公式t=2(s2+d2)1/2/c+2t0得：t=2(402+302)1/2/6+1.6＝18.2答：从发射到接收超声信号总的传播时间是18.2ms【例题6】已知：声波速度6mm/ms，工件厚度45mm，衍射超声信号总的传播时间为18.2ms，两个探头楔块中的总延时1.6ms，两探头中心距80mm：假设衍射点位于两探头连线的中心线上，则衍射点深度是多少？解：由公式d=[(c/2)2(t-2t0)2-s2]1/2得：d=[(6/2)2(18.2-1.6)2-402]1/2=30答：衍射点深度是30mm【例题7】已知：声波速度6mm/ms，工件厚度45mm，衍射超声信号总的传播时间为18.2ms，两个探头楔块中的总延时1.6ms，两探头中心距80mm：则直通波信号出现的时间是多少？解：由公式tL=2s/c+2t0得：tL=80/6+1.6＝14.9ms答：直通波出现的时间为14.9ms【例题8】已知：声波速度6mm/ms，工件厚度53mm，衍射超声信号总的传播时间为18.2ms，两个探头楔块中的总延时1.6ms，两探头中心距80mm：则底面反射波出现的时间是多少？解：由公式tb=2(s2+D2)1/2/c+2t0得：tb=2(402+532)1/2/6+1.6＝23.6ms答：底面反射波出现的时间为23.6ms2、检测时PCS的设定：聚焦深度：d=2/3DD：工件厚度探头间距：PCS=2S=2dtanq=(4/3)Dtanq从公式中可以看出，在工件厚度不变时，角度q减小，PCS也要减小，成正比关系。3.检查A-Scan采集信号的正确性直通波的信号非常弱，而横波的底面反射波比纵波的底面反射波还要强，因此TOFD检测的信号显示应包括：直通波、底面反射纵波、底面反射变形波。为保证信号采集的正确性，通常需要利用直通波出现时间公式和底面反射波出现时间公式计算，用计算结果来核查所采集的信号是否正确TOFD技术的图像显示1.TOFD技术把一系列A扫数据组合，通过信号处理转换为TOFD图像。在图像中每个独立的A扫信号成为图像中很窄的一行，通常一幅TOFD图像包含了数百个A扫信号。A扫信号的波幅在图像中是以灰度明暗显示的。通过灰度等级表现出幅度大小一个8位模/数转换的灰度等级数值是256个，用数字127(纯白色)代表+100％FSH，用数字0(中间灰)代表0％FSH，用数字-128(纯黑色)代表-100％FSH2.在TOFD图像中，点状缺陷或线性缺陷端点显示为什么会呈现特殊的弧形？原因解释：弧形凸起峰的最高点对应的是衍射信号声程的最小位置。在扫查过程中，衍射点相对于探头位置不断变化，衍射信号传输时间也不断变化。当缺陷位于发射和接收探头的连线中点下方的对称处时，脉冲传输时间最短。当探头偏离这一位置（无论是D扫或B扫），传输时间都会增加。TOFD扫查时，探头由远处而来，经过缺陷再离去，由对称位置的一边扫描至另一边，衍射信号的传输时间先是逐渐减小，直到一个最小值，然后再次增加，这样在TOFD图像中就形成一个弧。TOFD扫查类型TOFD检测基本扫查类型分类：1、非平行扫查，扫查得到的图像称为D扫描图像。非平行扫查分为两种扫查形式：(1)探头在焊缝两边对称放置的非平行扫查(正常情况)；(2)探头在焊缝两边不对称放置的偏置非平行扫查（特殊情况）非平行扫查特点：1.能够实现大范围检测；2.焊缝余高不影响扫查；3.效率高、速度快、成本低、操作方便。D扫所看到的视图：1.D扫描用于采集焊缝及两侧母材中的缺陷；2.D扫描视图不能判断出缺陷在焊缝中的横向位置。非平行扫查-D扫：主要用于缺陷定位和长度方向的定量，不能判断出缺陷在焊缝中的横向位置；在高度方向上的定量不精确。偏置非平行扫查：探头在焊缝两边不对称放置，扫查方向与超声波束方向不平行。这种扫查主要针对一些特殊情况，例如解决轴偏离底面盲区问题。当工件的底面的焊缝较宽时，为提高焊缝底面熔合区和热影响区的缺陷检出率就需要采用偏置非平行扫查。2、平行扫查，扫查得到的图像称为B扫描图像。平行扫查是指扫查方向与超声波束方向是平行的。平行扫查是跨越焊缝的横截面，扫查中探头需要越过焊缝，多数情况下需要将焊缝余高磨平再进行扫查，平行扫查在深度上能够提供很高的精度。采用平行扫查-B扫虽然没有提供缺陷的长度，但可以对缺陷深度和高度进行更精确的定量和缺陷距焊缝中心线的距离，也有助于对缺陷宽度和倾斜角度的判断。平行扫查-B扫要想使衍射信号显示曲线凸起更明显，可以采用较小的PCS和较窄的波束宽度。对非平行扫查，缺陷高度的检测精度与缺陷距焊缝中线的位置有关，如果缺陷不在焊缝中线，则深度计算将出现误差如果衍射点不在两探头的中间线上（如果探头相对于焊缝对称设置，则两探头的中间线就是焊缝中线），则深度计算将不准确。由TOFD技术的衍射点深度计算公式可知，在以两个探头为焦点形成的椭圆轨迹上的任意位置，衍射信号的传播时间是一样的。信号的位置的测量在TOFD扫查的图形中，缺陷显示的两端都呈弧形，这一点在平行扫查的图形中尤其明显，为了比较准确地测量出缺陷的长度和高度，需要采用特殊的测量工具弧形光标拟合缺陷端点的弧形。TOFD光标有两种：一种是十字光标，用于从A扫信号中测量数据；另一种是抛物线光标，用于从D扫描图中测量数据。测量信号包括三个参数：1.平行焊缝方向上距扫查起始点的距离（X），参数X用于确定信号位置和缺陷长度；2.垂直焊缝方向的横向距离（Y），用于平行扫查，确定缺陷的横向位置；3.距离检测面的深度（Z），参数Z用于确定缺陷深度和缺陷高度。1、沿扫查线的位置参数（X）的测量因X参数是测量缺陷水平位置和缺陷长度的，所以，在测试前，首先应确定扫查的起始点，探头移动时，仪器通过编码器记录下每一个A扫信号相对起始点的位置。通过移动十字光标就可以从记录中得到任意一个A扫信号的X参数。2、距检测面的深度参数（Z）的测量测量缺陷深度和缺陷高度的方法是，首先将十字光标置于A扫直通波的起始位置，记录相应的时间，然后将光标置于缺陷波起始位置，再次记录时间，计算机就会自动显示出缺陷的深度在缺陷靠近表面的情况下，缺陷信号和直通波信号之间的干涉可能会使测量变得困难，但从D扫描图中可观察到信号的尾部形状，测量方法是将抛物线光标与信号显示的尾部拟合。为保证准确性也可将直通波去除后在测量。在近表面区域，抛物线形状的很小变化就会引起较大的深度误差，所以测量时需仔细、认真。缺陷高度的测量方法：先测量缺陷上尖端信号位置，记下时间，再测量缺陷下尖端信号位置，记下相对的时间，通过计算机即显示缺陷的自身高度。3、横向位置参数（Y）的测量在非平行扫查中，无法测定横向位置参数Y值，要想确定缺陷信号的横向位置Y值，就必须在缺陷上方进行平行扫查首先确定扫查的起始点，以两探头中间的对称点为位置零点，探头移动，编码器记录下过程中每一个A扫信号相对起始点的位置。用光标测量缺陷信号声程最小的位置，该数值就是缺陷位于探头中间的对称位置的信号，即参数Y的数值。是缺陷相对于焊缝中心线的位置。TOFD检测的盲区1.盲区：是指TOFD技术实施检测时，被检体积中不能发现缺陷的区域2.上表面盲区就是直通波信号所覆盖的深度范围。由于上表面缺陷的信号可能隐藏在直通波信号之下，因此直通波信号的深度是盲区。3.决定上表面盲区深度的因素：1.直通波脉冲时间宽度；2.探头带宽；3.频率；4.探头中心间距（PCS值）一般情况盲区占检测厚度的10~25％；减小上表面盲区的措施：减小PCS，窄脉冲探头，直通波去除；例如对40mm厚焊缝，按照正常规范选择检测参数，其盲区大致为5~15mm。5MHz探头，周期0.2μs，PCS=100mm，工件厚度40mm，直通波为两倍周期0.4μs，则盲区为11mm4.下表面盲区：主要是指轴偏离底面盲区，即偏离两探头中心位置的底面区域存在的盲区。5.决定上表面盲区深度的因素：1.偏离焊缝中心线的位置；2.焊缝厚度；3.探头中心间距（PCS值）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。如果缺陷在椭圆轨迹以下区域，则信号出现在底面反射波之后，因此无法检出。偏离焊缝中心的缺陷很难在D-扫描的底面反射信号中看到，可能被底面回波信号掩盖。下表面盲区距中心线越远，盲区高度就越大。缺陷位置的不确切性导致误差的增大，绝对深度的最大误差低于壁厚8%。但在具体焊缝检测时，检测区域的最大轴偏离只考虑到热影响区位置，所以盲区没有那么大。TOFD技术的精度和可靠性试验1、裂纹高度尺寸测量试验1979年M.G.Silk公布了利用TOFD技术对缺陷高度尺寸测量试验的数据，用于试验的缺陷为8~15mm之间疲劳裂纹。用实线给出裂纹的实际高度，TOFD测量值用圆圈表示，均方根RMS）误差为0.3mm，证明应用TOFD测量裂纹高度是很准确的。2、缺陷尺寸测量精度试验实验表明，衍射时差技术检测精度比其它方法更高，尤其在测量缺陷高度尺寸时，使用衍射时差技术可以得到误差小于1mm的检测精度。TOFD技术对缺陷高度尺寸的测量精度σ＝1.8mm，试验的缺陷高度为1.5mm～3mm之间的接近衍射时差技术的最小识别能力的缺陷，对这些缺陷的检测偏差稍大。即使如此，TOFD技术的测量精度也高于其它各种检测方法的精度（标准偏差σ＝2.4~5.0mm）。3、TOFD技术与基于波幅检测技术在缺陷尺寸测量精度上的比较1989年Ammirato和Willetts公布了基于波幅技术和TOFD技术对缺陷尺寸测量的试验结果。试件中的三类缺陷通常出现在核电设备上，第一类缺陷位于碳钢上堆焊不锈钢的过渡层的下面；第二类缺陷位于焊缝里；第三类缺陷在接管与壳体连接处的焊缝中，各种试验方法，TOFD法对缺陷尺寸测量进度最高、误差最小、方法最好。4、缺陷检出率试验使用TOFD技术、机械扫查的超声波技术、手工扫查的超声波技术和射线照相技术方法。得出的缺陷检出率评价是：手工UT，40~60％；γ射线，55~60％；X射线，55~65％；UT机械扫查，55~85％；TOFD，75~85％；由图可见，TOFD技术比常规手工UT或RT检测可靠性要高得多，试验指出，将TOFD和脉冲反射法相结合时检出率更高，缺陷检出率可达到80~95％TOFD技术的特点常规超声检测技术的局限性1、角度问题：常规超声检测中，当反射面相对于超声波束垂直时，回波幅值最高；反射面倾斜将导致回波幅值迅速下降，仅仅5°的倾斜波幅将下降一半（6dB），而10°或更大的倾斜将使检测无法进行，即探头可能完全接收不到反射波；在斜射横波检测时，可以在一定的角度范围选择探头，以便获得良好的入射角。但实际操作中仍会遇到声束与面积型缺陷不垂直，从而影响缺陷检出。例如垂直于表面的未熔合，由于超声波束无法以适当的角度到达缺陷表面，而导致漏检。2、波幅问题：在常规超声脉冲回波检测中，判断缺陷存在及测量缺陷的大小都是基于信号的波幅，如当量比较法或端点6dB法，这是一种简单且实用的方法。影响信号波幅的因素很多：1.缺陷与标准反射体的表面粗糙度不同；2.工件与标准试块的表面粗糙度不同；3.缺陷的倾斜角度；4.缺陷的形状，5操作时对探头的压紧力等等。这些都是影响反射信号的波幅。因此，基于信号波幅的定量方法的准确性难以提高3、信号记录和存储问题常规超声脉冲回波检测使用的模拟超声探伤仪和简单数字超声探伤仪都有下列缺点：1.记录信号能力差；2.无法记录存储信号或只能记录存储单个信号;3.不能连续全过程记录信号;4.不能进行大批量信号处理。3.2TOFD检测技术的优点1.可靠性好、定量精度高、检测效率高；2.TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析；3.TOFD仪器能全过程记录信号，长久保存数据，能高速进行大批量信号处理；4.TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控，对裂纹高度扩展的测量精度可高达0.1mm；5.对于焊缝中部缺陷检出率很高；6.容易检出方向性不好的缺陷；7.可以识别向表面延伸的缺陷；8.采用TOFD和常规脉冲回波法、表面检测（优选磁粉）技术等相结合可以实现100%焊缝覆盖；9.沿焊缝做一维扫查，具有较高的检测速度；10缺陷定量、定位精度高；11.根据TOFD可进行缺陷寿命评估（ECA分析）。3.3TOFD技术的局限性1.对近表面缺陷的检测可靠性不够。在工件上、下表面附近存在盲区；2.对缺陷定性比较困难；3.TOFD图像识别和判读比较难，数据分析需要丰富的经验；4.对粗晶材料，例如奥氏体焊缝检测比较困难，其信噪比较低；5.横向缺陷检测比较困难（焊缝余高需要打磨）；6.复杂几何形状的工件检测比较困难，需要实验的基础上制订专门工艺；7.点状缺陷的尺寸测量不够准确。采用数字化记录超声波检测数据的优点:1、TOFD记录的是每个检测点的完整的未经修正的原始的数字化A扫信号2、可永久记录所有数据信号，包括检测参数、校准方式等3、可对采集的数据进行处理，提高灵敏度、信噪比、易于识别缺陷4、可对原始的检测数据再分析，使用多样的可视化显示模拟信号的局限性，容易失真，精度低，抗干扰能力差，远距离传输和大规模存储困难，无法进行复杂的分析处理等几种典型的TOFD波形1、外表面存在裂纹时，声束无法从上表面通过，无直通波和上端点衍射波；2、内表面存在裂纹时，声束无法从下表面通过，无底面反射波和下端点衍射波；3、水平方向的平面形缺陷(层间未熔,冷夹层)上下端点衍射波合在一起；不同类型缺陷：1.外表面裂纹2.根部未焊透3.根部未熔合4.侧壁未熔合5.气孔6.横向裂纹7.根部内凹9.层间未熔合TOFD检测技术的特点检测是使用一对宽声束、宽频带、窄脉冲、纵波斜探头，探头频率高于脉冲回波法的探头频率，探头相对于焊缝对称布置；声束在焊缝中传播遇到缺陷时，缺陷会产生反射波，缺陷上下端点产生衍射波，衍射波比反射波低20～30dB。接收探头具有极高的灵敏度，接收衍射波和反射波；以精确测量衍射波的传输时间和简单的三角方程为理论基础，使用计算机来完成缺陷尺寸和位置的测量。焊缝TOFD检测技术和常规超声技术的不同点比较项目TOFD技术常规超声技术1采集信号衍射波反射波2定量方法信号时差信号波幅3探头材料复合压电材料普通压电材料4应用波型纵波横波5声束形状大扩散角小扩散角6探头布置双探头单探头7基本扫查方式平行焊缝移动锯齿形扫查8测量精度数字量精密测量模拟量粗略测量9信号记录探头位置和缺陷信号关联的全过程信息记录零散信号记录10显示方式包含大量信息的图形显示单个波形显示11检测结果评定缺陷高度/长度缺陷长度TOFD设置正确时是一种很好的缺陷定量和定位方法；TOFD对于判定缺陷的真实性和准确定量上十分有效根据标准和检出率的要求，可以把TOFD和脉冲反射法相结合，相互取长补短。例如，检出焊缝中部的缺陷，判断缺陷是否向表面延伸等就是它的强项。第二章TOFD技术的信号及处理1模拟信号的数字化1.1模拟信号与数字信号在时间和数量上都是连续的物理量，称为模拟量。即取值为无限多个。例如压力、温度、声音、重量、位移等在时间和数值上都表现出离散特性的物理量，称为数字量。即取值为有限多个。例如生产线上零件的计量、文章的数字模拟信号：优点：速度快，局限性：容易失真，精度低，抗干扰能力差，远距离传输和大规模的存储都很困难，也无法进行复杂的分析处理等等。数字化来记录保存超声波检测数据有很多优点：1.能够实现检测数据的长期和海量的存储。2.便于采用各种信号处理的操作，比如信号增强、平均、叠加等等。3.可以随时取来使用、再分析等等，而且文件传输方便。4.精度比较高，抗干扰能力强。模拟信号数字化的主要原理是，对模拟波型用相同的时间间隔来进行取样，每个样本的信息包括幅度、位置和相位。采样频率（数字化频率）：每秒钟内将模似信号转换为数值序列的数目。采样定理：要使信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。因为只有这样才可以保证正弦波的每个半周期内至少有一个采样点，这被称为Nyquist极限。奈奎斯特（HarryNyquist）极限。不能保证每个半周期内都有一个样本，将不能重建正确的频率。采样信号失真。1.3实际应用的采样频率采样数量越多，重构的波形越精确。采样点数量越大，仪器所需要的存储空间也就越大，扫查的速度也会降低。对模拟信号进行采样时，使用的数字化频率至少是该信号探头频率的两倍，工业检测应用的数字化频率应该至少是探头中心频率的5倍。典型的探头频率如2MHz，5MHz，10MHz，15MHz，则所使用的数字化采样频率至少应该达到10MHz，25MHz，50MHz，75MHz。常用仪器大都是100MHz的采样率。1.4信号带宽时域信号：信号表示为时间的函数。频域域信号：信号表示为频率的函数。简谐信号（正弦波余弦波）时域和频域的对应关系：傅里叶变换理论：任何时域信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的叠加。矩形波：理想矩形波的高频分量是无穷的带通宽度：TOFD检测仪的滤波器带通宽度一般为：0.5-2倍探头中心频率。超声脉冲波形的傅里叶变换（FFT）超声脉冲波形：用不同频率的正弦波的多次叠加得到。-6dB带宽：-6dB上、下限截止频率之间的范围（探头带宽），即波幅下降到50%的频率的范围。采样频率至少大于-6dB上限截止频率的两倍。6.9MHz×2=13.8MHz，必须满足最大的截止频率，采样才不会失真。1.5混叠当用频率F对一个信号进行采样时，信号中F/2以上的频率不是消失了，而是对称的映像到了F/2以下的频带中，并且和F/2以下的原有频率成分叠加起来，这个现象叫混叠。观察采样信号的频谱，可看到F/2处就象一面镜子，将信号频谱超过F/2的部分反射回来，造成混叠，故将F/2称为折叠频率。消除混叠的方法：1.提高采样频率,即缩小采样时间间隔。;2.使用抗混叠滤波器（在采样频率F一定的前提下使用低通滤波器滤掉高于F/2的频率成分，对通过低通滤波器以后的信号采样就可以避免出现频率混叠。）。2.1.6滤波器的选用滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统,具有滤除噪声和分离不同信号的功能。按通带和阻带的相互位置不同分为：低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）按是否使用有源器件分：无源滤波器有源滤波器滤波器的幅频特性-3dB截止频率：通过信号的电平降低到输入电平的70%。TOFD检测仪的滤波器带通宽度的最小范围：0.5-2倍探头中心频率。带通滤波器可降到噪声干扰，获得好的信噪比。滤波带宽大一些好，但带宽过大会使噪声信号增大从而影响检测。例：5MHz探头：2.5MHz高通滤波器~10MHz低通滤波器；需要选择带通滤波器的带宽大于探头带宽，如滤波器带宽应选为：2～11MHz。15MHz探头：10~22MHz；若最大采样频率为40MHz，为避免混叠，取10～20MHz。2.2信号幅值的量化信号幅值的量化通过A/D转换器实现。A/D转换器要经过：采样、保持、量化、编码四个过程TOFD系统配置的计算机有8、10、12位三种A/D转换器。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程的1/2n。8位A/D转换器，输入信号最大值5V，则能区分出输入信号的最小电压：△=5000mV÷28=19.53mV未检波信号的动态范围的最大值：dB=20log10(A1/A2)A1:饱和信号的电平A2：最小基本单位电平噪声对动态范围影响很大：如果噪声是2%，8位A/D转换器的有效动态范围是：dB=20log10[127/（127×2%)]=34dB。2.3检测过程中的数据采集数字化频率：F，数字化样本间隔：S（μs）。S=1/Ft微秒时间A扫的样本数量:=t/s=t×F焊缝长10m，每毫米采集一个A扫，A扫长度20μs，数字化频率50MHz，则数据量：=10×1000×20×50=107=10M如数字化频率100MHz，需要大于20M。2.4灰度成像和D扫描图显示屏显示的A扫是数字采样后得到的信息，它是由一组表示数字化样本的点绘制而成的。纵坐标表示幅度，横坐标表示传输的时间。从A扫中可以进行幅度和时间测量。使用D扫或B扫图像的优点是能够快而准地发现缺陷。大脑更容易接受和领悟灰度码而不是比色刻度尺。灰度等级：在D扫图像中，不同的灰度等级表示不同的信号幅度。纯白色表示+100%满屏信号，中间灰色表示0%的位置，纯黑色表示-100%满屏。灰度成像和D扫描图：D扫或者B扫图像都是由一系列A扫波转化而来的。色点的数量取决于采样频率，色点的灰度取决于采样点的幅度。4.2对比度增强在一个小的振幅刻度范围内使用全灰度等级，从而实现对比度增强。例如在-50%到+50%全屏高度范围内使用全灰度等级，振幅超出+50%显示为纯白，低于-50%显示为纯黑，这样可以使信号的微小变化也很容易被发现。缺点：幅度超出50%的信号就会饱和而无法观察。4.3图像的压缩和展开放大和缩小。展开：重复使用样本数据充满整个屏幕。压缩：省略一些样本数据（如每隔一个省略一个）使图像充满充满整个屏幕。模拟数据的数字化：波形简化降低数据尺寸、保持数据的真实性：在一个范围内取此范围的最大值4.4一幅“合格的”的扫描图像1.TOFD扫查图像的横坐标代表扫查方向和探头相对位置，纵坐标是声波传输时间，代表工件厚度方向。2.A扫信号的波幅在成像的过程中会转换成对应的灰度，图像中信号显示由一些白色和黑色的条纹构成，条纹的白与黑次序与信号的相位有关。3.一幅“合格的”的扫描图像包括：直通波、底面反射波、变型波及缺陷的上下端点信号。4.测量信号的传输时间、深度值或缺陷的高度值时，通常测点选在条纹的白-黑交界或者黑-白交界处。5.评判一幅“合格的”的扫描图像的标准：①其增益设置比较适当，直通波A扫波幅在40%-80%之间；②扫查过程很平稳，获取的信息比较完整；③直通波没有被干扰，扫查速度适当均衡，耦合良好；④缺陷信号清晰明显；⑤下表面反射波很直而；⑥缺陷和下表面变型波显示正常等等。5信号的处理与分析5.1信号平均1.从裂纹尖端得到的TOFD衍射信号是非常弱的，需要较高水平的放大倍数,因此由于信号中的噪声影响经常难以发现衍射信号。噪声通常是由系统获取的随机电信号造成的，因此可以通过信号平均来减少噪声。2.N个连续A扫叠加，再除以N，信噪比增强N的平方根倍。SNRa=N1/2SNRs3.通过信号平均来提高信噪比的两个前提：①获取的有用的信号应是基本一致的，有强相关性；②噪声是随机的，不具有相关性。4.当噪声是相关的而非随机的时候，信号平均没有太大帮助。在粗晶材料，如奥氏体刚中，晶界产生的附加散射就是相干噪声，不能通过简单的信号平均来消除。5.信号平均后，有用信号保留，幅值没有变化，而噪声信号幅值降低。6.系统允许的平均值是2的倍数。N=16，信噪比提高4倍；N=256，信噪比提高16倍。N越大，计算机处理的数据量越大。平均处理提高了信噪比，但平均数的增加会降低扫查的速度。7.信号平均是获得优质衍射信号的主要方法，常规的模拟超声机不能获得良好的信号的原因之一就是无法进行信号平均。5.2图像拉直1.工件表面不平，或水层厚度不均匀，产生信号时差，水速为钢速的四分之一，时差明显。2.其原理：从某一条A扫信号上选取某一点（一般选在直通波的第一个或第二个半周期），以其特定电压作为触发电平，并以该点作为时间基准点，将其与其它A扫逐个对比，信号的波形相应部分会触发记录时间起点，对时间偏移进行修正，使其在图像中的位置保持恒定，使直通波拉直。3.要取得满意的检测效果，应该在检测工艺设计中尽量减小耦合厚度的变化。5.3直通波的去处（差分）1.在近表面缺陷信号隐藏在直通波信号之下而无法观察时采用。2.手动设置选取某一条具有典型直通波信号而没有缺陷信号的A扫信号（一般选取靠近缺陷前面的）作为参考波形，当激活“差分”功能时，软件将参考波形与指定的A扫逐个对比，从指定的A扫中减去参考波形的直通波信号。留下的就是缺陷信号，从而显示出缺陷图像。缺陷信号隐藏在底波信号之下时也可以采用“差分”功能。6用于缺陷定位和定量的曲线拟合指针由于声束扩散，缺陷的端点会形成一个向下弯曲的特征弧形显示——抛物线指针。缺陷图像与左右抛物线指针完全拟合，说明缺陷是一个点；缺陷图像与左右抛物线指针不能完全拟合，说明缺陷有一定长度，应按照线性缺陷测量方法拟合。线性缺陷中部各信号产生相互抵消性干涉，使线性缺陷中部各的信号所给出的组合图像是直线，只在两端特征弧形。6.3弧线拟合指针的设计是一种测量工具，在不同深度上弧线的曲率不同。特征弧线形状与：缺陷深度、PCS、探头移动方向有关。是双曲线方程。对D扫：对B扫图形，缺陷信号并非单纯的双曲线，但十分相似。通常称抛物线指针。7．在线分析与离线分析在线分析是指在TOFD检测仪器上用随机软件对采集的信号进行分析处理。离线分析是指把检测采集到的数据信号转移到计算机上，用专用的软件进行数据分析和处理。在线分析有它的优点和局限性：1.不需要使用额外的设备和软件就能够直接对缺陷进行分析；2.在现场就能够对缺陷进行快速诊断；3.对缺陷进行测量分析时，用仪器的键盘操控比较费力；4.仪器屏幕较小，分辨力较低，操作人员容易疲劳，同时会影响到测量精度和判读结果。5.在线分析软件的可扩展性差，很难及时更新换代。离线分析有它的优点和局限性1.计算机屏幕较大，分辨力高，数据测量精度高；2.计算机键盘大，结构为人所熟悉，操作轻松方便；3.计算机存储空间大，数据调用、存放、打包处理方便；4.计算机速度快，工作效率高；5.可利用的专用软件较多，分析处理功能强大，容易及时更新；6.需要使用额外的设备；7.现场使用不够方便。8.可进行软件的快速回放、查找；9.数据判读过程中进行标记、形成报告样本；10.图像放大，提高图形识别精度，观察A扫相位；11.可将几幅扫查图在同一屏幕内对比分析；12.可远程分析诊断。8合成孔径聚焦（SAFT）SAFT算法最早被应用于雷达技术，来提高雷达图像的横向分辨力。该算法是一种很有前景的高级成像方法，它可以用低指向性的信号源和较低的工作频率来获得很高的方位分辨率。该算法在超声相控阵领域中得到了应用。常规超声提高测量精度-声束聚焦：聚焦只能在近场内实现，增大N：增大探头直径和提高频率来增大焦距，但有限。合成孔径聚焦技术：提高缺陷测长精度，改进横向分辨力，同时提高信噪比。横向分辨力：超声波分辨两相邻两缺陷的能力。纵向分辨力：超声波分辨沿声束轴线相邻两缺陷（小声程差）的能力。一般要求两信号的波峰与波谷的分贝差大于6dB。合成孔径聚焦的原理将探头沿指定轨迹扫描，在等距地若干点上发射声束，并接收存储信号，然后对各点上探头接收到信号进行处理，合成孔径算法的的数据处理是利用检测时采集的信号在相应空间位置的相关叠加完成。根据探头位置、重建点空间位置、信号传输时间的对应关系，计算出运动轨迹上各个接收位置的时间延迟或相位差，通过延时补偿后迭加的方法得到各像素点的值，在有缺陷的地方回波信号同相叠加，信号加强，在无缺陷的地方回波信号的叠加是随机和无序的，信号相对减弱。合成孔径聚焦的作用单个小直径的探头可以产生大直径探头或阵列探头的效果，获得很高的横向分辨力。常规超声距离越远，声束越宽，横向分辨力越低。合成孔径聚焦距离越远，扫描距离越长，合成孔径越长，横向分辨力越高。探头直径越小，声束展开角越大，合成孔径越长，横向分辨力越高。SAFT处理前后的对比经过SAFT处理后能够有效的消除图像上扩散声束所形成的影像从而使得成像后的图形更清晰，还原缺陷真实反映。第三章TOFD检测系统硬件基本知识3.1TOFD检测系统硬件系统主要包括主机、TOFD检测扫查器、TOFD检测探头和TOFD检测校准试块。软件系统包括在线数据采集及显示软件，离线分析软件。3.1.1TOFD检测电子仪器数字化超声波检测仪主要功能：1.发射超声波和接收放大回波信号；2.采集和保存超声A扫信号波形和相关的数据；3.按照要求设置和校验检测参数；4.显示信号波形和扫描图像，分析处理数据，输出检测报告。模拟部分模拟部分包括激励探头的脉冲发射电路和接收信号进行放大滤波处理的接收放大电路。每对用于检测的TOFD探头都定义了单独的发射/接收通道，每个检测位置的信息都需要完整记录以便能够重建A扫。为了减小电噪声，通常使用与超声探头频谱适配的滤波器来限制放大后信号的频带宽度。对于非常弱的TOFD信号，需要大约70dB的增益。如果TOFD信号非常弱或者探头距离主放大器非常远，使用一个分立的前置放大器。通常使用前置放大器将信号增益30或40dB。3.1.2仪器的主要性能指标1.接收放大电路的带宽：-6dB带宽一般规定为所使用探头的标称频率的0.5-2倍，或者规定大于探头的频带宽度，也有的建议最好≥30MHz。2.激发脉冲：采用单极矩形波或者双极矩形波，一般规定脉冲电压幅度为100V～400V。3.脉冲前沿：要求脉冲上升时间应尽量短，一般规定上升时间≤50ns。4.脉冲宽度：一般规定在50-500ns左右，且应可调，以便优化脉冲幅度和持续时间。5.增益：一般规定≥80dB，最好100dB，且增益应该连续可调，一般要求步进≤1dB。6.放大器线性误差：一般要求任意相邻12dB的误差在±1dB以内，最大累计误差不超过1dB。7.脉冲重复频率：一般在200Hz～2000Hz，最低应能符合扫查速度和数据采集要求，最高不会产生幻象波。8.水平线性误差和垂直线性误差：一般规定水平线性误差应不大于1%，垂直线性误差不大于5%。9.波形显示方式：射频波、检波（全检、负或正半波检波）。10.时间闸门：应提供可调节的有足够长度的闸门，闸门起点相对于发射脉冲至少应在0到200微秒间可调节，其宽度至少在5到100微秒间可调节。11.数字采样频率：规定至少≥4倍探头标称频率，若需对原始数据进行数字信号处理，采样频率应提高到探头频率的8倍。也有规定一般不小于20MHz，最好60MHz以上。12.图像灰度等级：至少256级，最好1024级以上。13.一次线性扫查长度：一般要求≥2000mm。14.扫查增量：仪器的数据采集应和扫查装置的移动同步，要求扫查增量应满足检测工艺要求，最小≤0.5mm。15.编码器：应能保证各A扫描信号的位置准确性，编码器增量误差≤0.5mm。16.记录：应使用基于计算机的自动数据记录系统。能记录整个扫描过程的原始数据，能进行扫查记录的恢复和回放扫查时候记录的A扫波形，能将所有的A扫信号和TOFD扫查图像保存于磁盘等永久介质，并能提供输出拷贝。17.软件功能：应包括TOFD显示的深度或时基线性化算法，配备十字光标和弧形光标，以测量衍射体深度和高度；应具有局部放大功能，信号平均功能，直通波（底面反射波）拉直和去除直通波（底面反射波）功能；应具有在线分析和离线分析的功能。3.1.3电子电路的带宽电子电路的带宽（Bandwidth）指的是电子电路中存在一个固有通频带。-3dB带宽是指：在输入信号和输出信号处于稳定的条件下，调节输入信号频率，使输出幅度降到初始的70%（-6dB带宽指输出幅度降到初始值的50%），此时输入信号频率的上限称为高端截止频率，输入信号频率的下限称为低端截止频率，高端截止频率减去低端截止频率就是-3dB带宽。在实际计算中，电子电路带宽就等于高端的截止频率。电子电路中的带宽主要是由高频放大部分的特性决定，对于TOFD仪器系统，要求处理高频高速信号时要具有高稳定性，高频特性会直接影响到TOFD图像的分辨力和精度，对电子电路的带宽指标要求很高。3.1.4电压脉冲特性TOFD系统施加在探头上的电压脉冲都是单极性或者双极性的矩形脉冲。单极性矩形脉冲由一个正向阶跃脉冲和一个在一定延时后的负向阶跃脉冲的叠加构成；双极性矩形脉冲由两个反相的矩形脉冲叠加构成。正向阶跃脉冲（矩形波上升沿）或负向阶跃脉冲（矩形波下降沿）都能激发探头振动产生脉冲。一个单极矩形脉冲可以让探头晶片产生两次振动，而一个双极矩形脉冲可以激发探头晶片产生三次振动。TOFD系统使用的矩形电压脉冲的主要特性数据：脉冲宽度、脉冲上升时间、脉冲高度。1.脉冲宽度：激发脉冲幅值持续在50%高度的时间。当使用TOFD时，脉冲宽度是非常重要的，它有助于优化接收信号的形状。脉冲宽度的选择：方波脉冲的理论最优宽度是探头中心频率对应周期的一半。TOFD系统使用的矩形脉冲宽度是可调的，通常在50-500ns范围内。矩形脉冲的两个边振动的相位相反，相差180°。脉冲宽度设置成该频率周期的一半（比如5MHz时使用100ns），信号加强，获得一个振幅更大的脉冲信号，但是余波也会随之变长(对检测不利)。脉冲宽度设置为超声波发射频率的一个周期（比如5MHz设置为200ns），两个信号反相，获得一个振幅很小的信号，余波的振动也会明显减小，对于TOFD技术的应用来说是很有意义的。为了分辨小缺陷的上端点和下端点衍射信号，希望探头发出的超声信号是短脉冲的。2.脉冲上升时间上升时间：从脉冲幅值的10%上升到90%所经历的时间。下降时间：从脉冲幅值的90%下降到10%所经历的时间。脉冲上升和下降的时间会影响到超声脉冲波形和TOFD检测精度和分辨力，这一时间越短，则阶跃脉冲的高频谐波成份越多，带宽越大，脉冲更窄。脉冲上升时间≤50ns3.脉冲高度脉冲高度其实就是矩形脉冲的电压振幅，电压越高，激励的超声脉冲能量就越大。TOFD扫查系统所使用的脉冲电压取决于探头的频率和晶片元件的类型。TOFD检测有时需要使用高频探头，但是高频探头的材料很薄，容易损坏，为避免探头的损坏，需要控制发射脉冲的电压不能太高，但同时又要兼顾检测的灵敏度。TOFD检测系统使用的脉冲电压范围一般是从100V-400V。3.1.5脉冲重复频率重复频率：每秒钟内用于激发探头晶片的触发脉冲数目。几百到上千Hz。通常对于数据采集系统而言，设置脉冲重复频率(PRF)是很有必要的。这是触发发射探头的频率。PRF和数字化频率不同。前者控制多长时间触发发一射探头一次，后者是在A扫上一个给定长度内样本数量。重复频率越高相应的扫查速度也可以提高。仪器的脉冲重复频率PRF0；触发探头发射超声脉冲的频率PRF；系统接收存储的信号数三者可能并不相同。TOFD探头对数为M，则：PRF=PRF0/M;若使用N次叠加来获得平均波形，则对其中一对探头获得的信号数：PRF0/MN获取一个有效信号的周期T：T=MN/PRF0举例：PRF0=2000；M=4；N=16；则T=MN/PRF0=4×16/2000=0.032s。探头移动速度50mm/s；则0.032×50=1.6mm，即1.6mm取样一次，速度太快。避免出现空白A扫的措施1.减小扫查速度；2.增加脉冲重复频率PRF；3.减少平均次数；4.减少需要进行数字化采用的A扫长度；5.加大步进增量；6.减少数字化采样频率。3.2TOFD探头TOFD检测通常采用小晶片、大扩散角、短脉冲、宽频带、高灵敏度的纵波探头。晶片一般采用复合压电晶片，有效提高发射和接收灵敏度,一般为Ø3-Ø6，正常使用Ø2-Ø25mm。压电复合材料的优点1.发射和接收性能好，灵敏度高；2.机械品质因子Q值低，带宽大，脉冲短，分辨力高；3.机电耦合系数值大，声能/电能的转换效率高；4.在较大温度范围内特性稳定；5.可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术；6.声阻抗可以改变，以实现与不同声阻抗的材料匹配；压电复合材料的几项特性参数（1）压电应变常数与压电电压常数的乘积d33g33压电应变常数d33是表征发射灵敏度的参数，压电电压常数的乘积g33是表征接收灵敏度的参数，乘积数值越大，发射-接收能量越高。压电复合材料的超声发射接收比普通压电材料好的多。（2）机械品质因数Q机械品质因数Q值小，表征带宽大，脉冲窄，纵向分辨力好。压电复合材料的Q值远远小于普通压电材料。（3）声阻抗声阻抗Z影响超声波在传声界面上的反射和透射，晶片与相邻介质的声阻抗越接近，透声效果越好。压电复合材料的声阻抗Z可通过改变PZT与树脂的体积比率进行调节，从而根据不同条件选择声阻抗来改变透声效果（4）厚度方向的机电耦合系数kt厚度方向的机电耦合系数kt数值越大，电声转换效率越高，检测灵敏度越高。普通PZTkt值在0.48～0.51；压电复合材料0.62～0.67。3.2.2TOFD探头的声学特性1、脉冲回波信号的时域特性参数1.Vpp：正负幅度峰峰值；2.脉冲持续时间或者宽度-20dB；3.波峰个数Pn：在-20dB截止点之间的个数；4.周期数Cn：波峰数之半或波长数；5.阻尼因子KA:最大波幅与相邻最大正波幅之比.2、脉冲回波信号的频域特性参数1.峰值频率：fp;2.低端截至频率：由峰值频率低端-6dB降落水平线界定的频率值，fL-6dB;3.高端截至频率：由峰值频率高端-6dB降落水平线界定的频率值，fU-6dB;4.中心频率fc：fc=(fU-6dB+fL-6dB)/2;5.相对带宽BW%:BW=【（fU-6dB-fL-6dB）/fC】×100%3、脉冲信号的带宽根据相对带宽，超声探头的脉冲信号的带宽的分类：1.窄带宽15%---30%探头适于一般检测；2.中带宽31%---75%探头适于检测和一般定量；3.宽带宽76%--110%适于精确定量和粗晶材料等特殊检测4、TOFD探头的声学特性要求TOFD检测所用的探头应是宽频带和短脉冲探头，要求其声学特性指标中的正负幅度峰峰值Vpp高，且脉冲持续时间Δτ-20dB小，周期数CN少，阻尼因子kA大，探头相对带宽应大于75%。好的短脉冲探头发出的超声脉冲只有一个半周期，且在脉冲的头尾端的半周期不大于主半周期波高的-6dB。由仪器显示的A扫信号看，直通波的脉冲长度以波幅10％测量应不超过两个周期。超声脉冲持续时间对纵向分辨力有直接影响。纵向分辨力是超声波分辨沿声束轴线相邻两缺陷（小声程差Δz）的能力。一般规定指两信号的峰值和峰谷的波幅差大于6dB的相邻两反射体的距离。在TOFD检测中，要求超声脉冲持续时间尽可能短，带宽尽可能宽的目的是获得高的纵向分辨力，以提高小裂纹的高度测量的分辨力和测量精度。3.2.3TOFD探头的波束扩散计算折射角公式（折射定律）：声束半扩散角公式：式中：γ：折射角；C：声速；λ介质中的波长；D：晶片直径；F：扩散因子TOFD探头的波束扩散计算计算过程包括以下步骤：（1）由折射角公式计算出楔块中纵波入射角：sinθP=sinθLCP/CL；（2）计算楔块中纵波的声束扩散角：sinγP=Fλ/D=FCP/Df；（3）计算楔块中纵波声束的上下边界角γP上=θP+γP，γP下=θP–γP；（4）计算钢中纵波的声束上下边界角sinγL上=sinγP上CL/CP，sinγL下=sinγP下CL/CP。【例题】求晶片尺寸6mm，频率5MHz，折射角60°的纵波斜探头的钢中-12dB声束边界角，设工件中纵波声速C=5.95mm/μs，楔块中纵波声速CP=2.4mm/μs。折射角公式计算出楔块中纵波入射角度：sinθP=sin60°×2.4/5.9θP=20.44°计算楔块中纵波的声束扩散角sinγP=0.7×2.4/（6×5）γ=3.21°计算楔块中纵波的声束上下边界角γP上=20.44+3.21=23.65γP下=20.44-3.21=17.23计算钢中纵波的声束上下边界角sinθL上=sin23.65×5.95/2.4;θL上=84.0°sinθL下=sin17.23×5.95/2.4;θL下=47.22°答案：该纵波斜探头在钢中的-12dB上边界角为84°，下边界角为47.22°获得最大声束扩散角的两个途径：①选最低的探头频率②选最小晶片。（低频、小晶片）虽然从分辨力和声束强度的因素考虑，应优先选择高频率和大直径探头，但是在以发现缺陷为目的的初始扫查阶段，声束的覆盖范围往往成为考虑的第一因素，因此在这一阶段我们不得不选择低频率和小直径探头。而当发现缺陷后或对用其他方法发现的缺陷进行复核时，就需要更多的考虑分辨力因素，通过选择优化设置精确测量缺陷尺寸。3.2.4不同频率分量在声束中的分布在宽声束、宽频带探头的声场中，不同位置的信号频率有明显差别。在声束边缘，只有较低频率分量而没有高频分量；高频分量集中在声束中心附近。频率会对TOFD检测的技术性能和信号表现产生多种影响，了解声场中不同频率分量的分布，对研究分辨力、盲区、测量精度、图像噪声、检测信噪比等都有帮助。3.2.5宽频带探头检测粗晶材料的回波信号的频率变化特点在粗晶材料中的回波信号，高频部分衰减大，低频部分衰减小。宽带探头比窄带探头含有更多的低频分量，回波信号的幅度更高，使用高频探头能显著提高粗晶材料检测的信噪比。因此，最好选1.5-2周期的短脉冲。由于TOFD检测技术是利用的是波幅较低的衍射信号，噪声容易对信号造成影响，因此，TOFD检测技术适用性较好的仍是超声波衰减和散射较低的材料，如碳钢、低合金钢的焊接接头，对粗晶材料，应谨慎使用。3.3TOFD检测试块3.3.1对比试块1、对比试块也称为参考试块，是指用于TOFD检测校准的试块。TOFD检测校准包括两项内容：增益校准和扫查分区校核。一般性要求：采用与被检工件声学性能相同或近似的材料制成厚度应与工件的厚度相对应，对曲面工件的焊缝，应有相应的曲率，工件曲率半径大于150mm时，选用平面对比试块代替。当检测面曲率半径小于150mm时，应采用曲率半径为工件0.9倍～1.5倍的曲面对比试块，曲面对比试块中的反射体形状、尺寸和数量与同厚度的平面对比试块一致。2、试块厚度最大厚度：根据第一章的内容，裂纹下尖端的衍射信号在声束与裂纹夹角为38°时波幅为零。为避免出现这一情况，有必要规定试块最大壁厚。一般规定是：试块的厚度应保证探头入射点到试块底面连线与试块底面法线间的夹角不小于40°。Tmax=Ztanα/tan40°=(2/3)Ttanα/tan40°最小厚度：试块的最小厚度应该使得声束的交点处于试块内3.3.2参考反射体增益和反射体尺寸无关：A扫基于回波反射，主要靠标准反射体当量来设定增益；平底孔不适用于TOFD波幅校准衍射信号强度与平底孔面积无关：适用于衍射波幅校准的人工刻槽；槽的宽度尽可能窄，不应该大于采用超声波波长的四分之一用于校准波幅和扫查范围的侧孔直径足够大的横孔会产生两个能区分开的信号，上边的信号主要是孔顶部的反射，下边的信号主要时沿孔底部形成的爬波使用多弹头检测时，校准各组探头的扫查深度范围的侧孔位于每个厚度分区25%和75%的深度第四章TOFD技术的盲区和测量误差1.TOFD技术的盲区概述1.TOFD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。2.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.3.对下表面缺陷，其信号有可能被底面反射信号淹没而漏检。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：1.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；2.由于近表面区域的时间测量不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。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。如果声速为c，探头中心距为2s，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：Dz=[(c/2)2(TL+Tp)2-s2]1/2=[(c/2)2(2s/c+Tp)2-s2]1/2=[(cTp/2)2+csTp]1/2(4-1)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。用公式计算直通波盲区，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。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）。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。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个信号周期和2个信号周期的计算值之间。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。表4.1不同探头频率，不同PCS时的盲区大小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15％～25％，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。4.1.2底面盲区

1、焊缝中心底面盲区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Ddz的计算公式：Ddz=[(c/2)2(TD+Tp)2-s2]1/2–D（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）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。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，同时与缺陷信号大小，以及底面的平整程度等因素有关。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。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在的盲区。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。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。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。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。如果底面反射波深度是Hmm（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=H｛1-【1-x2/(s2+H2)】1/2｝(4.2)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。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。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。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检测近表面问题盲区和深度测量误差。2、上表面盲区：公式DZ=[(cTp/2)2+csTp]1/2。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、底面中心盲区原则上不存在，因为缺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△h=H｛1-【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。4.2TOFD测量的精度4.2.1TOFD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。在第一章中曾提到，与脉