第一张TOFD技术的基本知识

1、衍射时差法超声检测技术衍射时差法超声检测技术(TOFD技术）技术）张平张平2012年年11月月28日日 北京北京第一章第一章 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.1 TOFD技术的发展历史和衍射基本原理技术的发展历史和衍射基本原理1.1.1 TOFD技术的发展历史 衍射时差法超声检测技术（衍射时差法超声检测技术（Time of Flight Diffraction Technique，英文，英文 TOFD技术）依靠超技术）依靠超声波与缺陷尖端或端部相互作用后，而发出的衍射声波与缺陷尖端或端部相互作用后，而发出的衍射波来检测缺陷并对缺陷进行定位、定量的一种无损波来检测缺陷并对缺陷进行定位、定

2、量的一种无损检测技术。检测技术。 定义：定义： TOFD技术是一种基于衍射信号实施检测的技术是一种基于衍射信号实施检测的技术。技术。1.1.1 TOFD技术的发展历史关于关于TOFD 的不同翻译：的不同翻译： 中文翻译为衍射时差法超声检测技术衍射时差法超声检测技术； GB/T 12604.1:2005（等同ISO 5577:2000）翻译为衍射声时；衍射声时； 物理学术语翻译为衍射渡越时间；衍射渡越时间；1.1.1 TOFD技术的发展历史 缺陷的衍射信号与什么无关？缺陷的衍射信号与什么无关？ 1、与衍射信号的角度无关、与衍射信号的角度无关 2、与衍射信号的幅度无关、与衍射信号的幅度无关 因为衍

3、射信号与角度和振幅无关，所以，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。声波检测技术有根本性的区别。1.1.1 TOFD技术的发展历史 传统超声检测技术是：传统超声检测技术是： 1、根据缺陷反射信号检出缺陷、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、根据缺陷幅度评定缺陷尺寸 影响缺陷的定量因素：影响缺陷的定量因素： 1、入射声束角度、入射声束角度 2、检测方向、检测方向 3、缺陷表面粗超度、缺陷表面粗超度 4、工件表面状态、工件表面状态 5、探头的压力、探头的压力1.1.1 TOFD

4、技术的发展历史 TOFD技术发展历程技术发展历程 A、20世纪世纪70年代年代摸索、完善、装备研发阶段，摸索、完善、装备研发阶段，经历了约经历了约10年的时间。年的时间。 B、 20世纪世纪90年代年代开始应用阶段；开始应用阶段； C、 20世纪世纪90年代到年代到21世纪初世纪初大规模应用推广大规模应用推广阶段；大约又经过阶段；大约又经过10年的时间，功能强大的便携年的时间，功能强大的便携式式TOFD仪器问世。仪器问世。1.1.1 TOFD技术的发展历史 在模拟仪器上应用在模拟仪器上应用TOFD仪器的困难是：仪器的困难是： 超声波信号不能记录，无法进行计算，无法显示超声波信号不能记录，无法进

5、行计算，无法显示图像，只能显示一条图像，只能显示一条A扫信号。扫信号。 在简单数字仪器上应用在简单数字仪器上应用TOFD仪器的困难是：超仪器的困难是：超声波信号不能记录，无法显示图像。声波信号不能记录，无法显示图像。 TOFD仪器性能：仪器性能： 1、更宽的接收放大系统频带、更宽的接收放大系统频带 2、更快的数字化采样频率、更快的数字化采样频率 3、更高的信号处理速度、更高的信号处理速度 4、更大的存储量、更大的存储量1.1.1 TOFD技术的发展历史 TOFD技术得以推广应用的先决条件：技术得以推广应用的先决条件： 数字技术：是计算机技术、多媒体技术、数字技术：是计算机技术、多媒体技术、智能

6、技术和信息技术的基础。智能技术和信息技术的基础。 计算机技术：快速处理大量数据计算机技术：快速处理大量数据 压电复合材料：可用于相控阵探头、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探头和高性能常规脉冲超声探头 1.1.1 TOFD技术的发展历史一、一、TOFD技术在我国的应用情况技术在我国的应用情况 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术固定式压力容器安全技术监察规程监察规程于于2009年年12月月1日起施行，做出如日起施行，做出如下规定：下规定： 4.5 无损检测无损检测 4.5.1 无损检测人员无损检测人员 无损检测人员应当按照相关技术规范进行考

7、核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。种类和技术等级相对应的无损检测工作。1.1.1 TOFD技术的发展历史 4.5.3 压力容器焊接接头无损检测压力容器焊接接头无损检测 4.5.3.1 无损检测方法的选择无损检测方法的选择 (1)压力容器的对接接头应当采用射线检测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或者超声检测，超声检测包括衍射时差法超声检测（超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法）、可记录的脉冲反射法超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检

8、超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检测；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测时，应当采用射线检测或者衍射时差法测时，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；超声检测做为附加局部检测；1.1.1 TOFD技术的发展历史二、二、TOFD检测人员的培训和资格鉴定情况检测人员的培训和资格鉴定情况 2007年国家质监总局发布国质检特函年国家质监总局发布国质检特函402号号“关关于进一步完善锅炉压力容器压力管道安全监察工于进一步完善锅炉压力容器压力管道安全监察工作的通知作的通知” 中，第六条中，第六条关于关于TOFD方法的应方法的应用用，对现场制造壁厚度，

9、对现场制造壁厚度60mm以上的压力容器，以上的压力容器，可以采用可以采用TOFD检测方法替代射线法进行无损检检测方法替代射线法进行无损检测。从事测。从事TOFD检测的无损检测机构必须符合以检测的无损检测机构必须符合以下条件：下条件：1.1.1 TOFD技术的发展历史 1、在我国、在我国TOFD无损检测标准未公布前，应当参无损检测标准未公布前，应当参照国外成熟标准制订企业标准，经全国锅压标委照国外成熟标准制订企业标准，经全国锅压标委会审核通过后，进行备案。会审核通过后，进行备案。 2、从事、从事TOFD检测的无损检测机构至少应具有检测的无损检测机构至少应具有UT-级人员级人员1名，名，UT-级资

10、格级资格4年以上（含年以上（含4年）年）人员人员2名，作为名，作为TOFD检测责任人和操作复核人员。检测责任人和操作复核人员。 3、从事、从事TOFD检测人员应当具有检测人员应当具有UT级资格级资格4年年以上（含以上（含4年），其年），其TOFD操作技能经全国无损检操作技能经全国无损检测考核委员会考核合格。测考核委员会考核合格。 从从2003年初全国考委会举办年初全国考委会举办TOFD-II级人员培训级人员培训考核到现在，全国已有近考核到现在，全国已有近550人持有人持有TOFD-II级资级资格证书。格证书。 1.1.1 TOFD技术的发展历史 TSG特种设备安全技术规范特种设备安全技术规范T

11、SG Z8001-2011特种设备无损检测人员考核规则特种设备无损检测人员考核规则(征求意见稿征求意见稿)中将超声检测分为：中将超声检测分为： A、脉冲反射法超声检测、脉冲反射法超声检测、 B、衍射时差法超声检测、相控阵超声检测、衍射时差法超声检测、相控阵超声检测和奥氏体焊缝超声检测，和奥氏体焊缝超声检测， C、超声检测专项检测，包括板材类、无缝、超声检测专项检测，包括板材类、无缝管材类、焊接管材类、锻件类、板材类管材类、焊接管材类、锻件类、板材类1.1.1 TOFD技术的发展历史三、三、TOFD检测仪器情况检测仪器情况 国外产品1、以色列、以色列Sonotron NDT公司产品公司产品Iso

12、nic2005型、型、2008型检型检测仪测仪2、加拿大R/D Tech公司产品公司产品Omnisacn MX TOFD检测仪检测仪3、美国物理声学公司（、美国物理声学公司（PAC）公司）公司4、美国、美国AIS公司公司NB2000-MC八通道超声波检测设备引进国内八通道超声波检测设备引进国内 国内产品国内产品1、武汉中科创新公司于、武汉中科创新公司于2005年研制了年研制了HS800便携式便携式TOFD超超声波检测仪，声波检测仪，2008年年7通道的仪器已经投入了检测市场通道的仪器已经投入了检测市场2、南通友联公司开发了、南通友联公司开发了PXUT-900便携式便携式TOFD检测仪，该仪检测

13、仪，该仪器具有三种操作模式、器具有三种操作模式、U盘恢复等优点。盘恢复等优点。1.1.1 TOFD技术的发展历史四、四、TOFD标准的制定情况标准的制定情况 1、国际标准、国际标准 1993年，英国BS7706标准中规定了用TOFD法进行缺陷定量评价的具体程序和要求。 1996年，美国ASME规范在案例2235案例中，明确提出允许使用TOFD取代RT。2000年ASME规范第I卷（动力锅炉）也允许用AUT取代RT，用TOFD法记录焊缝检测结果。 2000年欧共体也在原英国标准BS7706：1993基础上，制订了有关焊缝TOFD法检测的现行标准ENV583-6-2000超声衍射波时差法用于缺陷检

14、出和定量。 2001年，日本制定了NDIS2423：2001超声波衍射时差技术(TOFD)用于缺陷高度测量的方法。1.1.1 TOFD技术的发展历史 2、国内标准、国内标准 目前，我国正在修订蒸汽锅炉安全技术监察规程和已颁布的固定式压力容器安全技术监察规程已经将TOFD技术方法纳入正式条文。 2004年中国一重与中国特检院合作编制的第一份年中国一重与中国特检院合作编制的第一份企业标准通过全国锅容标委的审查和备案。目前，企业标准通过全国锅容标委的审查和备案。目前，国内有国内有8个单位拥有个单位拥有TOFD企业标准。企业标准。 国家能源局于国家能源局于2010年年8月月27日发布了日发布了NB/T

15、47013.10-2010（JB/T4730.10）第）第10部分：部分：衍射时差法超声检测，该标准于衍射时差法超声检测，该标准于 2010年年12月月15日实施。日实施。1.1.2 衍射现象衍射现象一、衍射定义一、衍射定义 波在传播路径中遇到障碍物，发生绕过障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。生的不同于反射的另一种物理现象。干涉和衍射的本质：干涉和衍射的本质： 干涉是分离的有限多束波的相干叠加；衍射干

16、涉是分离的有限多束波的相干叠加；衍射是波阵面上无限多子波连续的相干叠加，也可是波阵面上无限多子波连续的相干叠加，也可以说衍射是无数个干涉的综合效果。以说衍射是无数个干涉的综合效果。1.1.2 衍射现象衍射现象二、惠更斯菲涅尔原理：二、惠更斯菲涅尔原理： 惠更斯惠更斯提出，介质上波阵面上的各点，都可提出，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。些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。 菲涅尔菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点的个面元

17、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振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加。的叠加。1.1.2 衍射现象衍射现象裂纹衍射波衍射波入射波反射波裂纹的上下端点都裂纹的上下端点都可以产生衍射波。可以产生衍射波。 衍射波信号比反射衍射波信号比反射波信号弱得多，且波信号弱得多，且向空间的各个方向向空间的各个方向传播，即没有明显传播，即没有明显的指向性的指向性。图图1.1 裂纹端点衍射波示意图裂纹端点衍射波示意图1.1.2 衍射现象衍射现象 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。1.1.2 衍射现象衍射现象图1.2 惠更斯原理的解释

18、由图示可见由图示可见:(1) 裂纹中部的反射波接近裂纹中部的反射波接近平面波，其波阵面由众平面波，其波阵面由众多子波源反射波叠加构多子波源反射波叠加构成成;(2) 裂纹尖端则没有叠加现裂纹尖端则没有叠加现象发生。象发生。 定义：尖端独立的子波定义：尖端独立的子波源发出的超声波即为衍源发出的超声波即为衍射波。射波。 衍射波的重要特点：衍射波的重要特点： 1、没有明显的方向性；、没有明显的方向性； 2、衍射波强度很弱。、衍射波强度很弱。 1.1.2 衍射现象衍射现象1.1.2 衍射现象衍射现象 缺陷端点形状对衍射的影响：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，）端点越尖锐，衍射

19、特性越明显，（2）端点越圆滑，衍射特性越不明显，）端点越圆滑，衍射特性越不明显，（3）当端点圆半径大于波长（）当端点圆半径大于波长（d)时，主要体现时，主要体现的是反射特性。的是反射特性。1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化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裂纹下尖端信号在折射角20和和65时时,波幅曲线出现波幅曲线出现两个峰；在两个峰；在38时时,波幅下降波幅下降很大几乎为零。很大几乎为零。 裂纹上尖端信号在裂纹上尖端信号在0 65区区域单调增大，在域单调增大，在65时波幅时波幅达到最大值，从达到最大值，从65 85单调降低。单调降低。 折射角为折射角为65时，裂纹上、

20、时，裂纹上、下尖端信号波幅均达到最大下尖端信号波幅均达到最大值，在值，在45 80区间，裂区间，裂纹下尖端的信号波幅大于上纹下尖端的信号波幅大于上尖端的信号波幅。尖端的信号波幅。 图1.3 衍射波波幅随着角度变化的曲线1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化不同角度下衍射信号波幅的变化 综上所述综上所述(1) 衍射信号幅度随折射角的变化而变化。衍射信号幅度随折射角的变化而变化。(2)TOFD技术一般使用技术一般使用4570的探头，避开了的探头，避开了38角度角度，这就保证衍射信号的强度；因探头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，在实际以上时，会增大测量误差，

21、所以，在实际TOFD检测检测中一般也不使用中一般也不使用75以上的探头。以上的探头。(3) 由角度变化引起的信号波幅变化不大于由角度变化引起的信号波幅变化不大于6dB。1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化不同角度下衍射信号波幅的变化 折射角度与衍射波幅度的关系的总结折射角度与衍射波幅度的关系的总结:(1) 上尖端信号从上尖端信号从0 65单调增大，从单调增大，从65 85单单调降低。调降低。(2) 上尖端信号波幅最大处于折射角上尖端信号波幅最大处于折射角65。(3) 下尖端的信号波幅曲线出现两个峰。在下尖端的信号波幅曲线出现两个峰。在20和和65时波幅达到峰值。时波幅达到峰值。(4) 下尖

22、端的信号波幅在下尖端的信号波幅在38时时 ，波幅下降到最低。波幅下降到最低。(5) 在在45 80区间，裂纹下尖端的信号波幅略大于区间，裂纹下尖端的信号波幅略大于上尖端的信号波幅。上尖端的信号波幅。(6) 在此区间内，由角度变化而引起的信号波幅变化不在此区间内，由角度变化而引起的信号波幅变化不大于大于6dB。1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识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波幅的影响图1.4 裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识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波幅的、

23、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响影响研究结果：试验中不断改变两探头中心线与裂纹的夹研究结果：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。信号波幅不会产生严重影响。(1)夹角夹角由由9060时，时， TOFD衍射信号振幅降低衍射信号振幅降低1dB。(2)夹角夹角由由45 60 时，时，TOFD衍射信号振幅降衍射信号振幅降低低6分贝分贝。 1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识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波幅的影响、裂纹相对于两探头中心

24、线偏斜对衍射信号波幅的影响裂纹相对于探头中心线裂纹相对于探头中心线90 裂纹相对于探头中心线裂纹相对于探头中心线1351.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化 图图1.5上半部分所示为裂纹上半部分所示为裂纹衍射的几何布置。下半部为衍射的几何布置。下半部为平底孔反射的几何布置，参平底孔反射的几何布置，参考反射体是一个直径为考反射体是一个直径为3mm平底孔。平底孔。 在该模型中，衍射信号的振在该模型中，衍射信号的振幅是裂纹倾斜角度的函数。幅是裂纹倾斜角度的函数。倾斜系数倾斜系数Ve以垂

25、直检测表以垂直检测表面为基准，面为基准，Ve0对应于缺对应于缺陷垂直于检测平面。模型中陷垂直于检测平面。模型中的缺陷是光滑的平面椭圆型的缺陷是光滑的平面椭圆型裂纹。裂纹。1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化图图1.6显示了当显示了当-30VeVe+30时衍射波时衍射波幅度的变化。该图中有很重要的两点：幅度的变化。该图中有很重要的两点：第一点，在相同深度范围内衍射波的波幅第一点，在相同深度范围内衍射波的波幅与直径为与直径为3的平底孔相当；其次，信号的平底孔相当；其次，信号随着缺陷

26、倾角增加而加强。随着缺陷倾角增加而加强。第二点，垂直裂纹缺陷的衍射信号幅度最第二点，垂直裂纹缺陷的衍射信号幅度最小，当倾角小，当倾角V=90时会产生一个信号幅时会产生一个信号幅度为度为32dB的最大值。的最大值。衍射信号幅度随着倾角的增加也随之增加衍射信号幅度随着倾角的增加也随之增加。当当V趋近趋近90时，裂纹如同平底孔那样会时，裂纹如同平底孔那样会形成反射波，两信号比近似等于它们的面形成反射波，两信号比近似等于它们的面积比。积比。 计算表明当裂纹倾角为计算表明当裂纹倾角为30时，衍射信时，衍射信号幅度增加不超过号幅度增加不超过3dB，这表明裂纹方向，这表明裂纹方向对衍射时差法检测相对不敏感。

27、对衍射时差法检测相对不敏感。图1.6衍射信号幅度随倾斜角度的变化关系1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识3、裂纹偏离两探头中心时衍射信号幅度的变化 在1983年Temple研究了，当裂纹的位置相对于两个探头的位置变化时，衍射信号波幅的变化情况： 即使缺陷偏离两个探头之间的对称中心达到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，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。1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知

28、识4、横波检测裂纹端点衍射的最优入射角度、横波检测裂纹端点衍射的最优入射角度 1983年研究结果：用横波在钢中检测垂直平年研究结果：用横波在钢中检测垂直平面裂纹，最优入射角度为：面裂纹，最优入射角度为： 第一组：上端点为第一组：上端点为50 ，下端点为，下端点为55 。 第二组：上端点为第二组：上端点为45 ，下端点为，下端点为57 。1.1.5 TOFD检测的声场分布 不同位置的信号强度分布：不同位置的信号强度分布：(1)在在60的声束聚焦中心区域有最高的信号波幅；的声束聚焦中心区域有最高的信号波幅；(2)在在4574范围可以得到适中的信号幅度；范围可以得到适中的信号幅度；(3)虚线内其余区

29、域虽然可以得到信号，虚线内其余区域虽然可以得到信号，但波幅减小到但波幅减小到-24dB，特别是在靠近特别是在靠近表面的区域减小的更多。表面的区域减小的更多。 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。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.1 TOFD技术的基本配置 双探头的优点：双探头的优点：(1) 可避免镜面反射信号掩盖衍可避免镜面反射信号掩盖衍射波信号，从而在任何情况射波信号，从而在任何情况下都能很好地接收端点衍射下都能很好地接收端点衍射波信号，波信号，(2) 测定反射体

30、的准确位置和深测定反射体的准确位置和深度，度，(3) 易于实现大范围扫查，快速易于实现大范围扫查，快速接收大量信号。接收大量信号。 双探头系统是双探头系统是TOFD技术的基技术的基本配置和特征。本配置和特征。 12341.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识TOFD技术的典型设置技术的典型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1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.1 TOFD技术的基本配置 实践证明：在常规技术中实践证明：在常规技术中 采用一个探头也能发射超采用一个探头也能发射超 声波和接收衍射波，通常声波和接收衍射波，通常 情况下，反射信号，比衍情况下，反射信号

31、，比衍 射信号波幅高，射信号波幅高，624dB, 对单探头而言对单探头而言,接收到的接收到的 端点衍射波信号可能被反端点衍射波信号可能被反 射信号掩盖，因此衍射波射信号掩盖，因此衍射波信号是否能看到具有不确定性（如图信号是否能看到具有不确定性（如图1.9） 。 总之，单探头对端点衍射波信号接收不利，难以实现大范总之，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。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，但虽然，单探头是可以进行缺陷检测的，但TOFD技术不采技术不采用这种方法。用这种方法。 1.2 TOFD技术的

32、基本知识技术的基本知识1.2.2 TOFD技术使用的探头 TOFD探头的特点：探头的特点： (1) 采用小尺寸芯片的大扩散角探头；采用小尺寸芯片的大扩散角探头； (2) 要有良好的发射和接收性能；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应具有宽频带和窄脉冲特性 。 TOFD探头一般使用的频率范围是探头一般使用的频率范围是1MHz15MHz，芯片尺寸范围是芯片尺寸范围是3mm 20mm，通过楔块在钢铁，通过楔块在钢铁中形成中形成4570的不同角度的折射纵波。的不同角度的折射纵波。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.2 TOFD技术使用的探头 纵波探头声场特点

33、：纵波探头声场特点：(1) 纵波与横波同时存在。纵波与横波同时存在。 (2) 大扩散角和宽波束大扩散角和宽波束。 (3) 横波声场的强度比纵波大的多横波声场的强度比纵波大的多。图1.11 频率5MHz，芯片直径6mm，折射角60的探头在钢中的声场分布1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.2 TOFD技术使用的探头 TOFD技术使技术使用的典型超声用的典型超声探头，是将一探头，是将一个压电传感器个压电传感器安装在有机玻安装在有机玻璃或其它类似璃或其它类似材料的楔块上材料的楔块上组成探头。压组成探头。压电传感器大多电传感器大多采用复合材料。采用复合材料。 压电复合材料制作的探头有以下

34、优点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；）横向振动很弱，串扰声压小；（2）机械品质因数）机械品质因数Q值低值低;（3）带宽大（）带宽大（80%100%）；）；（4）机电耦合系数值大；）机电耦合系数值大；（5）灵敏度高，信噪比优于普通）灵敏度高，信噪比优于普通PZT探头；探头； （6）在较大温度范围内特性稳定；）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；）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）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

35、体积率）；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）；）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。）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 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。内到达接收探头。使用纵波并利用纵波波速计算缺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。

36、陷的深度得到的结果是唯一的。 TOFD检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为了避免回波信号难以识别的困难了避免回波信号难以识别的困难。 使用纵波并利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结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果是唯一的。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型 设想设想:探头发射的纵波探头发射的纵波 进入工件，其中一部进入工件，其中一部 分转换为折射纵波分转换为折射纵波C， 另一部分转换成折射另一部分转换成折射 横波横波S。工件中传播的。工件中传播的 纵波纵波C遇到缺陷遇到缺陷A和和B

37、， 可能产生缺陷可能产生缺陷A的的CCA和和CSA，以及缺陷，以及缺陷B的的CCB和和CSB； 同样同样,工件中传播的横波工件中传播的横波S遇到缺陷遇到缺陷A和和B, 可能产生包括缺陷可能产生包括缺陷A的的SCA和和SSA，以及缺陷，以及缺陷B的的SCB和和SSB。这样。这样,工件中传播的信工件中传播的信号就包括了号就包括了CCA、CSA、CCB、CSB、SCA、SCB、SSA、SSB，这些信号都可能被探头接收到，按信号的传播速度，信号在时这些信号都可能被探头接收到，按信号的传播速度，信号在时间轴上的排列次序如图间轴上的排列次序如图1.12所示。所示。ABABABABCCACCBCSACSBS

38、CASCBSSASSB发射接收缺陷A缺陷Bt1.4tt1.4t1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型 由于由于TOFD检测是以波的传输时间来确定缺陷深度检测是以波的传输时间来确定缺陷深度的，因此信号传输时间与缺陷深度必须有唯一性。的，因此信号传输时间与缺陷深度必须有唯一性。在金属材料中，纵波最先到达接收探头。依据纵波在金属材料中，纵波最先到达接收探头。依据纵波信号（信号（CCA、CCB）识别缺陷和以纵波波速计算）识别缺陷和以纵波波速计算其深度，就不会与横波信号（其深度，就不会与横波信号（CSA、CSB、SCA、SSA、SCB、SSB）或变形波信号混

39、淆，也不会发）或变形波信号混淆，也不会发生计算出错误的缺陷深度。生计算出错误的缺陷深度。 TOFD检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为了避免回波信号难以识别的困难。了避免回波信号难以识别的困难。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型按图按图1.12（b）所示模型，可大致估算纵波与横波信号的传输时间差。）所示模型，可大致估算纵波与横波信号的传输时间差。 设：缺陷设：缺陷A、B分别在工件上、下表面，且在两探头之间的中线分别在工件上、下表面，且在两探头之间的中线上，主声束与底面法线夹角为上，主声束与底面法线夹角为

40、45，近似认为横波声速为纵波，近似认为横波声速为纵波一半，则：假如经缺陷一半，则：假如经缺陷A的纵波信号的纵波信号CCA的传输时间近似于直的传输时间近似于直通波的传输时间通波的传输时间2t，那么经过缺陷，那么经过缺陷B的纵波信号的纵波信号CCB的传输时的传输时间近似于底波的传输时间就为间近似于底波的传输时间就为2.8t；经过缺陷；经过缺陷A的变形波的变形波CSA或或SCA的信号传输时间为的信号传输时间为3t；经过缺陷；经过缺陷B的变形波信号（的变形波信号（CSB或或SCB）传输时间为）传输时间为4.2t；而横波信号；而横波信号SSA、SSB分别为分别为4t和和5.6t。 可见，位于两探头中间的

41、缺陷，其产生的横波信号始终在底波可见，位于两探头中间的缺陷，其产生的横波信号始终在底波之后，不会对纵波信号产生干扰；在声束经过的大部分区域，之后，不会对纵波信号产生干扰；在声束经过的大部分区域，即使产生变形波信号也将在底波之后，不会对纵波信号产生干即使产生变形波信号也将在底波之后，不会对纵波信号产生干扰，只有在靠近其中一个探头附近的很小区域内产生的变形波扰，只有在靠近其中一个探头附近的很小区域内产生的变形波信号可能在底波之前出现。信号可能在底波之前出现。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型 综上所述，在综上所述，在TOFD检测时，工件中存在多种检

42、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：接收探头的信号包括：所有纵波、所有横波、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。波型转换后的一部分纵波和一部分横波。 为什么TOFD检测使用纵波而不用横波探头?1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号 图1.13所示为TOFD技术应用时，波型种类和传播路径的示意图

43、图1.13 TOFD技术的波传播路径发射探头接收探头直通波裂纹衍射波底面反射横波dD2S1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号 图1.14所示为TOFD技术应用时，A扫信号的示意图图1.14 TOFD技术的A扫信号1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号发射探头接收探头直通波直通波LW上端点上端点下端点下端点底面反射波底面反射波BW1 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、直通波：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路程最逗，最先到达。当探头间距较大时，直通波可能非常微弱，甚至逗，最先到达。

44、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。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。直通波的频率比声束中心的频率低。2、缺陷信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底、缺陷信号：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

45、周期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。的措施。 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，、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。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号4、波型转换信号：在底

46、面纵波和底面反射波型转换信号之间会、波型转换信号：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。底面纵波反射信号长，但比底面反射波型转换信号短。 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、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。被误认为是底面纵波反射信号。6、底面反射波型转换信号以后的信号、底面

47、反射波型转换信号以后的信号 ：底面反射波型转换信：底面反射波型转换信号以后还会出现许多纵波和横波多次反射和转换的信号，对号以后还会出现许多纵波和横波多次反射和转换的信号，对这些信号一般不再进行观察和分析。这些信号一般不再进行观察和分析。 由于直通波和底面反射波的存在，检测时如果只使用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，近表面的盲区大于底面的盲区。米之间，近表面的盲区大于底面的盲区。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系 图1.15是无缺陷工

48、件无缺陷工件TOFD检测情况检测情况，A-Scan图中只有直通波和底面反为射波信号波形。 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。 如图1.15所示，波束在碰到波束在碰到 界面之前是以正向周期开始界面之前是以正向周期开始 传播的，在经过界面反射后传播的，在经过界面反射后 变成以负向周期开始传播。变成以负向周期开始传播。图1.15 从高阻抗介质入射到低阻抗介质的信号相位发生改变1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系 图1.16是有缺陷工件TOFD检测情况，A-Scan信号中直通波、缺陷

49、上、下尖端信号和底面反射波的波形图。上尖端信号就像底面上尖端信号就像底面反射信号一样，相位变化了反射信号一样，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，其相位与就是从正向周期开始，其相位与 直通波信号相同。直通波信号相同。 研究表明，如果两个衍射信号的如果两个衍射信号的 相位相反，可以判断在信号之间相位相反，可以判断在信号之间 一定存在一个连续的缺陷一定存在一个连续的缺陷。因此，

50、 相位对分析信号和测定缺陷准确 尺寸是非常重要。图1.16 有缺陷的A-Scan信号相位比较1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系上端点上端点下端点下端点直通波直通波LW底面反射波底面反射波BW+-+-需要不检波的A扫来显示相位的变化1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系 相位的变化： 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的。 缺陷的下端点与直通波的相位是相同的。 缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的。 每一个衍射信号的上、下端点衍射波相位是相反的。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系 对不同深度的两个

51、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。 如果两个信号的相位相反，可能是一个缺陷（例如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；一条裂纹）的上下尖端衍射信号； 如果两个信号的相位相同，则可判定为两个缺陷如果两个信号的相位相同，则可判定为两个缺陷。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.6 深度计算 探头中心距：两探头入射点之间的距离又称为探头中心距探头中心距：两探头入射点之间的距离又称为探头中心距，用符号符号PCS表示表示。 如图1.17所示，PCS2S。由于两探头相对于衍射端点是对称的，则超声信号传播距离L可以用下式计算：

52、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 - s21/2 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.6 深度计算【例题1】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，则超声信号传播距离是多少？ 解：由公式L= 2(s2 + d2)1/2，得：L= 2(402 + 302)1/2100mm。 答：超声信号传播距离为100mm。【例题2】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6 mm/s，则超声信号

53、传播时间是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：t = 2(402 + 302)1/2/616.6 s 答：超声信号传播时间是16.6 s。【例题3】已知：声波速度6 mm/s，衍射信号传播时间为16.6 s，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 = (ct/2)2 - s21/2， 得：d = (616.6/2)2 -4021/230mm。 答：衍射点深度是30mm。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.6 深度计算【例题4】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80m

54、m，计算衍射点深度0.5mm、1mm、2mm、4mm的信号传输时间。 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得： d 0.5 mm ，t0.5 = 2(402 + 0.52)1/2/613.3343s； d 1 mm ，t1 = 2(402 + 12) 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1mm与0.5mm的衍射信号传输时间差仅为0.0031s； 深度2mm与1mm的衍射信号传输时间差仅为0.01259s；

55、深度4mm与2mm的衍射信号传输时间差仅为0.05s， 由于深度变化的时间增量太小，深度就难以测准。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.6 深度计算 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转换成深度就变化较大。深度测量的误差随着接近表面而迅深度测量的误差随着接近表面而迅速增大速增大。 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。 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

56、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10mm。 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。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 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。 发射探头接收探头SSdLWBWt0t0始脉冲t1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定 信号总的传播时间：SSdt0t002222tcdSt发射探头接收探头1.2 TOFD技术的基本知识

57、技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定1、深度校准 缺陷深度计算公式：接收探头SSdt0t0发射探头22022Sttcd1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定1、深度校准 直通波出现的时间公式： t L= 2s/c + 2to 底面反射波出现时间公式： t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to 探头的延时式： 2to = t b - 2(s2 + D2)1/2/c 波的传播速度： c = 2(s2 + D2)1/2 - 2s/ (t b t L) 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定1、深度校准

58、发射探头接收探头2Sd1d212ddh由于计算自身高度只需要测量时间由于计算自身高度只需要测量时间, 所以高度估计会很所以高度估计会很准确。实际操作中，检测裂纹准确。实际操作中，检测裂纹 1mm 的精度是完全可的精度是完全可以达到的以达到的 (检测人工缺陷时可以达到检测人工缺陷时可以达到 0.1 mm )。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定【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6 mm/s，两个探头楔块中的总延时1.6s，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

59、 + d2)1/2/c + 2to 得：t = 2(402 + 302)1/2/6 + 1.618.2 s。 答：从发射到接收超声信号总的传播时间是18.2 s。【例题6】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超声信号总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时1.6s，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-2to)2 - s21/2 得：d = (6/2)2(18.2-1.6)2 - 4021/2= 30mm。 答：衍射点深度是30mm。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识 1.2.7 深

60、度校准和PCS设定【例题7】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超声信号总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时1.6s，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 t L = 2s/c + 2to 得：t L =80/6 + 1.614.9 s。 答：直通波出现的时间为14.9 s。【例题8】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度53mm，衍射超声信号总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时1.6s，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t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to 得：t b = 2(