TOFD衍射时差法超声检测技术医学课件

TOFD衍射时差法超声检测技术TOFD衍射时差法超声检测技术第1页什么是TOFD?TOFD是TimeofFlightDiffraction第一个英文字母缩写,汉字简称衍射时差法。是上世纪七十年代由英国哈威尔无损检测中心依据超声波衍射现象首先提出来,检测时使用一对或多对宽声束探头,每对探头相对焊缝对称部署（一发一收）,声束覆盖检测区域,碰到缺点时产生反射波和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波,经过测量衍射波传输时间,利用三角方程来确定出缺点尺寸和位置。TOFD衍射时差法超声检测技术第2页TOFD汉字名称TimeofFlightDiffractionTechnique汉字翻译为——衍射时差法超声检测技术GB/T12604.1—（等同ISO5577:）翻译为——衍射声时物理学术语翻译为——衍射渡越时间TOFD衍射时差法超声检测技术第3页TOFD发展历程TOFD技术发觉(20世纪70年代）——探索、完善、装备研发开始应用（20世纪90年代）大规模应用（二十一世纪初）TOFD衍射时差法超声检测技术第4页TOFD技术得以推广应用先决条件TOFD技术得以推广应用关键关键是:数字技术:是计算机技术、多媒体技术、智能技术和信息技术基础。计算机技术:快速处理大量数据压电复合材料:可用于相控阵探头、TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头TOFD衍射时差法超声检测技术第5页采取数字化统计超声波检测数据优点1、能够实现海量数据长久保留;2、便于采取多种信号处理操作,比如多样可视化显示、信号增强、平均、叠加等;3、取用、再分析、通讯传输方便;4、精度高,抗干扰性强。模拟信号不足,轻易失真,精度低,抗干扰能力差,远距离传输和大规模存放困难,无法进行复杂分析处理等TOFD衍射时差法超声检测技术第6页压电复合材料制作探头有以下优点（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,信噪比优于一般PZT探头;（6）在较大温度范围内特征稳定;（7）可加工形状复杂探头,仅需简易切块和充填技术;（8）声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数易于改变（因这些参数相相关陶瓷材料体积率）;（9）易与声阻抗不一样材料匹配（从水到钢）;（10）可经过陶瓷体积率改变,调整超声波灵敏度。TOFD衍射时差法超声检测技术第7页合格TOFD成像TOFD衍射时差法超声检测技术第8页缺点检出率手工UT:50～70％;RT:70～80％;TOFD:70～90％;机械扫查UT+TOFD:80～95％。TOFD衍射时差法超声检测技术第9页衍射现象裂纹衍射波衍射波入射波反射波TOFD衍射时差法超声检测技术第10页衍射现象惠更斯原理:缺陷上的每一个点都产生出一个球面子波入射波使缺陷产生振动。TOFD衍射时差法超声检测技术第11页衍射现象裂纹衍射波衍射波入射波反射波向各个方向传输能量低TOFD衍射时差法超声检测技术第12页TOFD技术优点（与PE相比）缺点衍射信号与缺点方向无关。缺点定量不依靠于缺点回波幅度。正确测量衍射波传输时间来确定缺点尺寸和位置,对面状缺点本身高度测量精度很高。（对于自然裂纹本身高度测量精度为±1mm,对于监测裂纹扩展测量精度为±0.3mm。缺点长度测量精度与PE相当±5mm）检测数据有永久数字统计。检测速度快,效率高。TOFD衍射时差法超声检测技术第13页折射角度与衍射波幅度关系TOFD衍射时差法超声检测技术第14页折射角度与衍射波幅度关系裂纹上尖端信号从0－65°单调增大,从65°~85°单调降低。波幅最大时折射角为65°。裂纹下尖端信号波幅曲线在20°和65°时出现两个峰值,在38°时,裂纹下尖端信号波幅下降到最低。在45°~80°区间,裂纹下尖端信号波幅略大于上尖端信号波幅。在45°～80°之间波幅改变小于6dB。TOFD衍射时差法超声检测技术第15页纵波探头声场特点1、纵波与横波同时存在。因为TOFD技术采取纵波检测,探头折射角小于第一临界角。这么在探头声场中,同时存在纵波与横波。2、大扩散角和宽波束。探头纵波含有很宽波束。经过计算能够求出,该探头在钢中声压下降12dB波束上边界角为90°,下边界角为45.7°。3、从图11中能够看出,横波声场强度比纵波大多。TOFD衍射时差法超声检测技术第16页TOFD检测为何使用纵波而不用横波探头纵波传输速度快,几乎是横波两倍,最先抵达接收探头,轻易识别缺点,以纵波波速计算缺点深度,不会与横波信号混淆。TOFD衍射时差法超声检测技术第17页60°5MHz6mm波束模拟TOFD衍射时差法超声检测技术第18页晶片尺寸与频率对探头性能影响小晶片,扩散角大,覆盖范围大。频率高,扩散角小,覆盖范围小。其次,频率高,周期短,轻易满足直通波与底波信号时间差最少20个周期要求,这可使直通波与底波回波在10％以上波幅不超出两个周期,减小盲区,提升时间分辨率。综合考虑晶片尺寸与探头频率,依据标准要求选择。通常使用TOFD探头中心频率为1～15MHz,晶片尺寸为3～20mm。常见探头角度为:45°、60°、70°TOFD衍射时差法超声检测技术第19页TOFD经典设置发射探头接收探头直通波上端点下端点底面反射信号TOFD衍射时差法超声检测技术第20页A扫信号发射探头接收探头直通波LW上端点下端点底面反射波BWTOFD衍射时差法超声检测技术第21页直通波(LW):两个探头之间沿工件表面直线传输纵波。旅程最逗,最先抵达。缺点信号:缺点上、下端点产生衍射信号,在直通波和底面反射波之间,比底面反射波信号弱很多。底面反射波(BW):纵波在底面反射波。因其传输距离比直通波大,总是在直通波以后。波型转换信号:在底面纵波和底面反射波型转换信号还会产生多种波型转换信号。因为横波速度较慢,在底面反射波以后出现,但波幅相当大。因为直通波(LW)和底面反射波(BW)存在,检测时假如只使用TOFD检测,在上表面和下表面存在盲区,通常为几毫米左右,近表面盲区大于底面盲区。TOFD检测经典信号TOFD衍射时差法超声检测技术第22页相位改变上端点下端点直通波LW底面反射波BW+-+-需要不检波A扫来显示相位改变TOFD衍射时差法超声检测技术第23页相位改变直通波（LW）和底面反射波（BW）相位是相反。每一个显示上、下端点衍射波相位是相反。缺点下端点与直通波相位是相同。缺点上端点与底面反射波相位是相同。TOFD衍射时差法超声检测技术第24页传输时间发射探头接收探头SSdLWBWt0t0始脉冲tTOFD衍射时差法超声检测技术第25页传输时间发射探头接收探头SSdt0t0TOFD衍射时差法超声检测技术第26页缺点深度发射探头接收探头SSdt0t0TOFD衍射时差法超声检测技术第27页缺点本身高度发射探头接收探头2Sd1d2因为计算本身高度只需要测量时间,所以高度估量会很正确。实际操作中,检测裂纹±1-mm精度是完全能够达成(检测人工缺点时能够达成±0.1mm)。TOFD衍射时差法超声检测技术第28页确定探头间距聚焦深度:d=2/3D探头间距:PCS=2S=2dtanq=(4/3)Dtanqs2s=PCSqd=2/3DDTOFD衍射时差法超声检测技术第29页A扫信号－灰度图TypicallyusedforTOFDTOFD衍射时差法超声检测技术第30页灰度图一个8位模/数转换灰度等级数值是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％FSH。+100%-100%Amplitude-128+127ZeroTOFD衍射时差法超声检测技术第31页经典TOFD图像TOFD衍射时差法超声检测技术第32页常规扫查方法非平行扫查或D扫:扫查方向与声束方向垂直。平行扫查或B扫:扫查方向与声束方向平行。TOFD衍射时差法超声检测技术第33页非平行扫查-D扫非平行扫查关键用于缺点定位和长度方向定量,不过在高度方向上定量不正确。焊缝TxRx波束方向扫查方向TOFD衍射时差法超声检测技术第34页经典D扫视图TOFD衍射时差法超声检测技术第35页D扫所看到视图D扫描用于采集焊缝及两侧母材中缺点D扫描视图不能判定出缺点在焊缝中横向位置TxRxTOFD衍射时差法超声检测技术第36页平行扫查-B扫采取平行扫查能够对缺点深度进行更正确定量,而且有利于对缺点宽度和倾斜角度判定。焊缝TxRx波束方向扫查方向TOFD衍射时差法超声检测技术第37页平行扫查当探头相对于缺点对称时时间最短。发射探头接收探头SSdt0t0xTOFD衍射时差法超声检测技术第38页平行扫查上表面下表面B扫直通波这种扫查会产生经典反向抛物线当探头相对于缺陷对称时时间最短。TOFD衍射时差法超声检测技术第39页图形显示B扫上表面内壁A扫LWBWTOFD衍射时差法超声检测技术第40页经典B扫视图TOFD衍射时差法超声检测技术第41页B扫

C扫

D扫TOFD衍射时差法超声检测技术第42页近表面盲区因为近表面缺点信号可能隐藏在直通波信号之下,所以相当于直通波信号深度是盲区。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11mm。减小近表面盲区方法:减小PCS,窄脉冲探头,直通波去除。TOFD衍射时差法超声检测技术第43页底面盲区偏离焊缝中心缺点极难在D扫描底面反射信号中看到,可能被底面回波信号掩盖。在传输时间相同轨迹上任意一点信号都含有相同时间在传播时间相同轨迹上任意一点的信号都具有相同的时间检测不到的缺陷TOFD衍射时差法超声检测技术第44页TOFD检测精度时间误差:探头频率5MHz,假定采样频率25MHz,则采取间隔0.04μs,时间误差0.02μs,深度误差0.02μs×5.95mm/μs＝0.1mmTOFD衍射时差法超声检测技术第45页TOFD检测精度轴偏移误差:8％发射探头接收探头SSt2t1相等时间的轨迹(t1+t2=2t)dmindmaxTOFD衍射时差法超声检测技术第46页TOFD检测分辨率能够识别两个信号最小距离。TOFD能够识别2～3个波长。5MHz探头,波长1.1mm,分辨率2～3mm2mm气孔和夹渣无法分辨出上下尖端。TOFD衍射时差法超声检测技术第47页1、上表面存在裂纹时,声束无法从上表面经过,无侧向波（LW）和上端点衍射波。2、下表面存在裂纹时,声束无法从下表面经过,无内壁反射波（BW）和下端点衍射波。3、水平方向平面形缺点(层间未熔,冷夹层)上下端点衍射波合在一起。多个经典TOFD波形TOFD衍射时差法超声检测技术第48页上表面开口裂纹发射探头接收探头裂纹尖端底面反射波BW直通波被隔开了没有侧向波TOFD衍射时差法超声检测技术第49页外表面开口缺陷TOFD衍射时差法超声检测技术第50页下表面开口裂纹发射探头接收探头直通波LW尖端信号底面反射信号被隔开了没有底面反射波TOFD衍射时差法超声检测技术第51页内部面开口缺陷TOFD衍射时差法超声检测技术第52页与检测面平行平面形缺点

(层间未熔,冷夹层)发射探头接收探头直通波LW底面反射波BW反射回波反射信号反射回波反射信号TOFD衍射时差法超声检测技术第53页与检测面平行

面状缺陷TOFD衍射时差法超声检测技术第54页内部埋藏缺陷TOFD衍射时差法超声检测技术第55页l

检验是使用一对宽声束、宽频带、纵波斜探头,探头频率高于脉冲回波法（PE）探头频率,探头相对于焊缝对称部署。l

声束在焊缝中传输碰到缺点时,缺点会产生反射波,缺点上下端点产生衍射波,衍射波比反射波低20～30dB。接收探头含有极高灵敏度,接收衍射波和反射波。l

以正确测量衍射波传输时间和简单三角方程为理论基础,使用计算机来完成缺点尺寸和位置测量。TOFD检测特点TOFD衍射时差法超声检测技术第56页灵敏度设置依据标准要求设置。把直通波信号调为40～80％FSH.底面回波信号大于满屏高度18～30dB。调整晶粒噪声为满屏5～10％FSH。用开有侧横孔、开口槽试块来调整。用有上表面开口槽试块来调整,在信噪比满足要求情况下将上表面开口槽下端点衍射信号调到满屏60％FSH。TOFD衍射时差法超声检测技术第57页数字化统计TOFD统计是每个检测点完整未经修正原始数字化A扫信号。可永久统计全部数据信号,包含检测参数、校准方法等。可对采集数据进行处理,提升灵敏度、信噪比、易于识别缺点。可对原始检测数据再分析,使用多样可视化显示。TOFD衍射时差法超声检测技术第58页TOFD技术优点1、TOFD技术可靠性好。2、TOFD技术定量精度高。3、TOFD检测简便快捷,检测效率高。4、TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置,能够确定缺点与探头相对位置,信号经过处理可转换为TOFD图像。TOFD图像更有利于缺点识别和分析。5、能全过程统计信号,长久保留数据,而且能高速进行大批量信号处理。6、TOFD技术除了用于检测外,还可用于缺点扩展监控,且对裂纹高度扩展测量精度极高,可达0.1mm。TOFD衍射时差法超声检测技术第59页TOFD技术不足1、因为上、下表面存在盲区,TOFD技术对近表面缺点和下表面缺点,检测可靠性不够。2、对缺点定性比较困难,需要丰富经验,还要辅助其它检测手段。TOFD技术比较有把握区分上表面开口、下表面开口及埋藏缺点,但难以正确判定缺点性质。3、TOFD图像识别和判读比较难,数据分析需要丰富经验。4、对粗晶材料,比如奥氏体焊缝检测比较困难,其信噪比较低。5、横向缺点检测比较困难（焊缝余高）。6、复杂几何形状工件检测比较困难。7、点状缺点尺寸测量不够正确。TOFD衍射时差法超声检测技术第60页在线分析与离线分析

在线分析优点和不足1、不需要使用额外设备和软件就能够直接对缺点进行