TOFD学习记录.doc

TOFD学习记录 1.1.1 TOFD技术的发展历史TOFD技术（Time of Flight Diffraction Technique）是一种基于衍射信号实施检测的技术，中文名称为衍射时差法超声检测技术。TOFD检测的数据采集系统是一个更先进的复杂的数字化系统，在接收放大系统频带宽度、数字化采样频率、信号处理速度、信息存储量等许多方面都达到更高水平。1.1.2 衍射现象所谓衍射，是指波在传播过程中与界面作用而发生的不同于发射的另一种物理现象。衍射信号比反射信号弱得多，且各个方向传播，没有明显的指向性。与反射波相比，衍射波的一个重要特点是没有明显的方向性，衍射使能量重新分配，因此沿反射方向传播的超声波能量会降低，与镜面反射的超声波强度相比，衍射波强度要弱得多。衍射端点的形状对衍射有影响，端点越尖锐，衍射特点越明显，端点越圆滑，衍射特性越不明显，当端点圆半径大于波长时，主要体现的是反射特征。1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化测试结果表明，折射角度为65度时，上尖端信号和下尖端信号波幅均为最大。裂纹下尖端的信号，在38度时波幅下降很大，而在20度时又回升，使得裂纹下尖端信号波幅曲线出现两个峰。在45度和80度之间裂纹下尖端信号波幅略大于上尖端的信号波幅，在此区间内，由角度变化引起的波幅变化不大于6dB。综上所述，折射角度变化，衍射信号幅度也随之变化。但是在45度到80度区间，TOFD衍射信号幅度与折射角度关系不大，这是与脉冲回波信号的最大不同点。TOFD技术一般使用的探头角度为45至70度，从而避开了38度这一不利角度，这就可以保证衍射信号的强度，而不使用75度以上探头并不是出于衍射信号波幅的原因，而是因为在此区间测量误差会急剧增大。1.1.4 关于TOFD衍射信号的进一步知识1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号拨付的影响研究结果表明：即使裂纹走向与两探头中心线不垂直，对衍射信波幅也不会产生严重影响。试验发现，当裂纹与两探头中心线夹角不垂直，夹角由90度减小到60度时，TOFD衍射信号的振幅仅降低了1dB。即使偏斜夹角达到4560度，TOFD信号也仅仅降低了6dB。2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化在TOFD技术中，角度不是严重问题，因为衍射信号波幅对角度变化不敏感。当倾斜角在-30E+30度时（E为倾斜系数，以垂直倾斜面为基准，E=0时对应与缺陷垂直于检测平面），首先，在相同深度范围内衍射波的波幅与直径为3mm的平底孔相当；其次，信号随着缺陷倾斜角增加而加强。第二点的情况很明显，垂直裂纹缺陷的衍射信号幅度很小，随着倾角的增加衍射信号幅度也随之增加，当E趋近90度时，裂纹如同平底孔那样会形成反射波，两个信号壁将近似等于他们的面积比。计算表明当裂纹倾角大于30度时，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。3、裂纹偏离两探头中心时衍射信号幅度的变化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.4、横波检测裂纹端点衍射的最优入射角度用横波在钢中检测垂直平面裂纹，上端点的最优入射角度为50度，下端点的最优入射角度为55度。另一组试验结果稍有出入，实验结果是：上端点的最优入射角度时45度，下端点的最优入射角度是57度。1.1.5 TOFD检测的声场分布在TOFD检测中，不同区域的信号强度时不一样的，这一点需要引起注意。波束覆盖范围主要是受探头波束宽度的限制，可以通过使用更小直径的探头，或是使用更大折射角探头（例如使用70度折射角探头）来增大波束覆盖的有效区域。1.2.1 TOFD技术的基本配置TOFD技术所采取的方案时两个探头配对组成探测系统，一个探头起发射作用，另一个探头起接受作用。采用双探头系统的优点是：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的接收端点衍射波信号，测定反射体的准确位置和深度，此外还易于实现大范围扫查，快速接受大量信号。采用一个探头也能发射超声波和接收衍射波，但TOFD技术不采用这种方法，对单探头系统来说，由于反射波幅度很高（通常情况下，反射信号比衍射信号波幅高624dB），探头接收到的端点衍射波信号可能被其掩盖，因此衍射波信号是否能看到具有不去确定性，即需要仔细选择探头位置、角度、发射信号强度等探测条件，才可能收到端点衍射波信号。总之，单探头系统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。1.2.2 TOFD技术使用的探头与常规脉冲反射技术使用的超声波探头不同，TOFD技术所用的探头不要求小的扩散角和好的声束指向性，相反，为了提高检测速度且有利于衍射发生，往往采用小尺寸晶片的大扩散角探头。由于衍射信号比反射信号微弱很多，所以要求TOFD探头有好的发射和接收性能。为了提高深度方向的分辨力，TOFD探头应具有宽频带和窄脉冲特性，并需要选择合适的脉冲来激励探头。一般使用的TOFD探头的频率范围是15MHz，晶片尺寸范围是320mm，通过楔块在钢中形成45至70度的不同角度的折射纵波。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、横波声场强度比纵波大的多。1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型TOFD检测不使用横波而使用纵波，其目的是为了避免回波信号难以识别的困难。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，在最短时间内达到接收探头，使用纵波并利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结