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1、 第四章 TOFD技术的盲区和测量误差 上海电气核电设备有限公司上海电气核电设备有限公司 许遵言许遵言 4.1 TOFD技术的盲区技术的盲区概述概述n在第一章中曾提及,在第一章中曾提及, TOFD技术的所技术的所谓盲区是指应用谓盲区是指应用TOFD技术实施检测时,技术实施检测时,被检体积中不能发现缺陷的区域。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对下表面缺陷,其信号有可能被底面反射信号淹没而漏检反射信号淹没而漏检。n盲区和测量误差的共同作用导致所谓盲区和测量

2、误差的共同作用导致所谓TOFD检测检测的近表面问题。这里近表面是指探头扫查面附近的近表面问题。这里近表面是指探头扫查面附近区域区域,该区域是该区域是TOFD技术应用效果最差的区域技术应用效果最差的区域.近近表面检测有两个主要问题: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;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准导致深度分二是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

3、的准确性,而辨力变差,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。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盲区和深度测量不准的叠加作用使得近表面区域的的TOFD技术的应用效果特别差。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的信号可能隐藏在直通波扫查面附近的内部缺陷的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,探头中心距为探头中心距为2 s,直通波的传输时间是,直通波的传输时间是TL

4、 (= 2s/c),直通波脉冲时间宽度为,直通波脉冲时间宽度为Tp,则盲区的深度,则盲区的深度可按下式算出: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

5、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由式由式(41)可以看出,盲区的大小与三个量有关:可以看出,盲区的大小与三个量有关:c、Tp和和s,其中,其中c为材料中纵波的声速,为一定为材料中纵波的声速,为一定值;值;Tp是直通波脉冲时间宽度,与频率和探头带是直通波脉冲时间宽度,与频率和探头带宽有关;宽有关;s是探头中心间距的一半,取值与工件是探头中心间距的一半,取值与工件尺寸有关。尺寸有关。n用公式计算直通波盲区用公式计算直通波盲区,Tp取值对结果影响很大取值对结果影响很大.以往资料提出以往资料提出Tp取直通波两倍周期。但实测结果取直通波两倍周期。但实

6、测结果表明,如果使用脉冲长度不超过一个半周期的短表明,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(大于直通波振幅脉冲探头,且缺陷信号足够大(大于直通波振幅的的50%),缺陷波与直通波相差),缺陷波与直通波相差1周期,就可以发周期,就可以发现缺陷信号(图现缺陷信号(图4.4),如果使用的探头的脉冲长),如果使用的探头的脉冲长度很长度很长,周期很多周期很多,则缺陷波与直通波相差则缺陷波与直通波相差2个周期个周期甚至更多甚至更多,也不能发现缺现信号也不能发现缺现信号,因此因此Tp取值与探取值与探头的脉冲长度和带宽有关头的脉冲长度和带宽有关.图图4.4 缺陷波与直通波相差缺陷波与直

7、通波相差1周期的周期的A扫信号和图像扫信号和图像n进一步研究表明,进一步研究表明,Tp取直通波取直通波1个信号周期的计个信号周期的计算值与实际测量的盲区值也不一致,实测盲区大算值与实际测量的盲区值也不一致,实测盲区大于于Tp值取值取1个信号周期的计算值而小于个信号周期的计算值而小于Tp值取值取2个个信号周期的计算值,大致在信号周期的计算值,大致在Tp值取值取1.5个信号周个信号周期和期和2个信号周期的计算值之间。个信号周期的计算值之间。n究其原因,认为是由于究其原因,认为是由于TOFD技术使用宽频带宽技术使用宽频带宽波束探头,信号频率是变量,处于声束边缘的直波束探头,信号频率是变量,处于声束边

8、缘的直通波的频率低于探头标称频率,声波传输过程中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,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。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(41)计算不同频率(计算不同频率(5MHz、10MHz)和)和不同探头中心间距(不同探头中心间距(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

9、同PCS时的盲区大小时的盲区大小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

10、区值 (mm)6.006.927.738.479.7710.9由表由表41的数据可以看出:的数据可以看出:1、无论、无论Tp值取值取1个周期或是个周期或是2个信号周期,个信号周期,计算得到的直通波盲区数值都很大。实际计算得到的直通波盲区数值都很大。实际上,对上,对50mm以下的焊缝检测,如果只进以下的焊缝检测,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,因此直通波盲区是检测不能忽视的问题。视的问题。2、减小、减小PCS值或提高探头频率都能显著地减值或提高探头频率都能显著地减小盲区深度。小盲区深度。3、采用短脉冲探头也是十分重

11、要的,如果使、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。取值就应更大,计算的盲区也更大。4、用公式(、用公式(41)计算直通波盲区虽然简便)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。对比试块来测定盲区大小。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

12、提出在焊缝中心存在着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并给出了一个焊缝中心底面盲区高度D dz的的计算公式:计算公式: D dz = (c/2)2(TD + Tp)2 - s21/2 - Dn公式中的公式中的D是底面反射深度,是底面反射深度,TD是回波信号是回波信号传输时间,传输时间,Tp是底面回波信号宽度。是底面回波信号宽度。图图4.5 底面盲区示意图底面盲区示意图n但理论分析和实测结果均表明,所谓但理论分析和实测结果均表明,所谓“焊缝焊缝中心的底面盲区中心的底面盲区”与上表面直通波盲区性质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领

13、先不同。位于底部的缺陷的上尖端信号应领先于底面信号,不应被底面信号淹没。于底面信号,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。这种分辨能力不重叠度的分辨能力造成的。这种分辨能力取决于取决于D扫描图像的分辨率和肉眼观察能力,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同时与缺陷信号大小、以及底面的平整程度等因素有关。等因素有关。图图4.6 缺陷信号与底面信号不重叠缺陷信号与底面信号不重叠n当今使用的当今使用的TOFD仪器已能提供足够高分辨率的仪器已能提供足够高分辨率的D扫描图像,用其测量底

14、面平整试块上的足够长的扫描图像,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槽,只要缺陷信号超前底面信号1个周期,甚至个周期,甚至0.5个周期,就可以识别。因此,焊缝中心的底面个周期,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,一般不超过区即使存在,也是很小的,一般不超过1mm,甚,甚至小于至小于0.5mm。n以上是底面平整的情况,如果底面有焊缝余高,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,其则盲区会增大,由于余高部分处于盲区范围,其中的缺陷

15、不能检出。中的缺陷不能检出。 2、轴偏离底面盲区、轴偏离底面盲区n对对TOFD技术检测可靠性影响较大的底面盲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,例如轴偏移盲区的缺陷,例如X型焊缝下坡口处型焊缝下坡口处或热影响区的缺陷,其信号迟于底面反射或热影响区的缺陷,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。而无法识别,也就不能检出。n按按TOFD检测一收一发的探头布置,超声衍检测

16、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。射信号传输时间相等位置为一个椭圆轨迹。图图4.7所示的椭圆轨迹是与底波信号传输时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,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,还会导致深度会导致轴偏离底面盲区外,还会导致深度测量出现误差。测量出现误差。图4.7 轴偏离底面盲区的计算n该盲

17、区的重要特点是其高度与距两探头中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,由图心线的相对距离,即轴偏离值有关,由图可知,距中心线越远,盲区高度就越大。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域的最大轴偏离是焊缝中心到热影响区的距离。距离。n如果底面反射波深度是如果底面反射波深度是H mm(工件厚度),(工件厚度),两探头中心

18、距是两探头中心距是2S,则偏离两探头中心,则偏离两探头中心x处处的轴偏离底面盲区的轴偏离底面盲区H可按式可按式4.2计算: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,增加有关,在工件厚度一定时,增加PCS可以减小轴偏离底面盲区。可以减小轴偏离底面盲区。n在实际检测中,要特别注意焊缝型式和形在实

19、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。状对轴偏离底面盲区高度的影响。X型坡口型坡口焊缝的熔合线处的盲区高度显然大于焊缝的熔合线处的盲区高度显然大于V型坡型坡口根部的盲区高度。口根部的盲区高度。X型坡口热影响区缺陷型坡口热影响区缺陷的轴偏移位置最大,最不利于检出。的轴偏移位置最大,最不利于检出。n对底面有余高的对底面有余高的X型坡口双面焊焊缝,还应型坡口双面焊焊缝,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轨迹降低,也就减小了焊缝

20、熔合线处的盲区高度。仿真和实测均表明,余高的存在区高度。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。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在在TOFD检测方案设计时,为防止下表面附检测方案设计时,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。例如采用两虑是否需要

21、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,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,以防止盲区另一次针对焊缝中心线右侧,以防止盲区内缺陷的漏检。内缺陷的漏检。4.2 TOFD测量的精度4.2.1 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信号测量的精度是指测量信号到达时间的准确性时间的准确性.由于由于TOFD技术是利用衍射技术是利用衍射信号时差来测定衍射点深度位置的,而缺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,差来确定的,因此也可以说,T

22、OFD技术的技术的测量精度是指测量缺陷深度和高度的准确测量精度是指测量缺陷深度和高度的准确性。性。 n在第一章中曾提及,与脉冲反射法相比,在第一章中曾提及,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技术的优点之一是对缺陷深度和高度的测量非常准确。理论上用超声波信号测量缺陷高度尺寸的准确。理论上用超声波信号测量缺陷高度尺寸的精度大约是精度大约是0.1个波长。对频率为个波长。对频率为5MHz的探头,的探头,0.1个波长约为个波长约为0.1mm。换算成传输时间,时间间。换算成传输时间,时间间隔大约为隔大约为0.017s,一般认为,这是一般认为,这是TOFD测量所测量所能达到

23、的最高精度。实际测量时,由于各种误差能达到的最高精度。实际测量时,由于各种误差的存在,往往达不到这一精度。的存在,往往达不到这一精度。 n需要强调的是,在需要强调的是,在TOFD技术中,要想进行精确技术中,要想进行精确的尺寸测量,必须参照直通波和底面反射波来测的尺寸测量,必须参照直通波和底面反射波来测量信号的时间。量信号的时间。 n保证缺陷深度和高度测量精度的前提是选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,正确,在不同区域或不同位置上,TOFD技技术的测量精度也是不同的。术的测量精度也是不同的。T

24、OFD信号测量信号测量精度除了测量点位置的选取有关外,还与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。数字采样频率有关。n采取以下措施,不仅可以减小近表面盲区,采取以下措施,不仅可以减小近表面盲区,而且能提高测量精度:而且能提高测量精度:(1)减小)减小PCS;(2)增加数字化频率;)增加数字化频率;(3)使用更高频率的探头;)使用更高频率的探头;(4)使用短脉冲宽频带的探头。)使用短脉冲宽频带的探头。4.2.2 TOFD信号测量点位置的选取nTOFD信号位置测量可以在信号位置测量可以在A扫信号上进行,也可扫信号上进行,也可以在图像上进行。在图像上进行测量的优点是方以在图像上进行。在

25、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。要很高精度,则快速测量通常是在图像上进行。当需要仔细分析和研究信号时,应结合图像在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。精度,同时可以获得更多信息。n 为了得到最准确的深度值,必须仔细选择以为了得到最准确的深度值,必须仔细选择以A扫扫信号上的哪一位置作为信号的到达时间。测量信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:号

26、有三种选择:n测量测量A扫信号起始点,即前沿(图扫信号起始点,即前沿(图4.10的的X点);对应图像中的位置则是信号色带点);对应图像中的位置则是信号色带的上缘;的上缘;n测量信号的峰尖(图测量信号的峰尖(图4.10的的Y点),对应点),对应于图像中白色带或黑色带的中间。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(图信号由正变负的那一点(图4.10的的Z点);点);对应于图像中色带由白变黑或由黑变白的对应于图像中色带由白变黑或由黑变白的界限。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

27、达时间的取值点位置n使用交点法测量信号应注意以下规则:如果直使用交点法测量信号应注意以下规则:如果直通波信号以正半周开始,时间读数取值点就选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。在该信号第一周期的半周由正变负的那一点。由于底面反射波的信号相位与直通波相反,按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,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

28、波起点测量更准确(图4.10的的W点)。测量裂点)。测量裂纹尖端衍射信号时,则选取第一个负半周的由纹尖端衍射信号时,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间读数取值点。位置作为裂纹下端点的时间读数取值点。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,精确应达到试验是测量试块厚度,精确应达到

29、0.1mm。n 选择测量位置有时会遇到困难。例如:选择测量位置有时会遇到困难。例如:TOFD图图像的灰度是由像的灰度是由A扫信号的幅度转换得到的,由于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,有时找不准图像中测量,有时找不准A扫的峰值。另一扫的峰值。另一种情况是在种情况是在A扫信号上测量,有些信号前半周微扫信号上测量,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。

30、遇到上述情况时,可通过图像与反射波的峰尖。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扫信号的对照,以及改变信号测量位置等方法予以解决。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。影响信号测量精度的另一因素是数字采样频率。图图4.11中数字化频率是信号频率的中数字化频率是信号频率的2倍,也就是每倍,也就是每一个周期进行一个周期进行2次采样。这样的采样频率能够保次采样。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。

31、重建后的和波幅不失真。重建后的A扫波形与模拟信号存扫波形与模拟信号存在较大不相似度,峰值点位置存在偏差在较大不相似度,峰值点位置存在偏差1,信,信号与横轴的交点位置存在偏差号与横轴的交点位置存在偏差 2,因此在仅满,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率是信号频率的3倍)所采集的数据重建的倍)所采集的数据重建的A扫图扫图形上测量,即使测量位置选择是正确的,也不能形上测量,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,如果数字得到准确的信号到达时间。由此可见,如果数字化频率低会影响信号测量精度。化频率低会

32、影响信号测量精度。 图图4.11 数字采样频率对测量精度的影响数字采样频率对测量精度的影响n在第二章我们曾经说过,在第二章我们曾经说过,TOFD信号的数字信号的数字化频率至少应是信号频率的化频率至少应是信号频率的5倍。选择标称倍。选择标称频率频率5倍的数字采用频率,即每个信号周期倍的数字采用频率,即每个信号周期采集采集5个样本,可以使峰值信号的平均误差个样本,可以使峰值信号的平均误差在在10%以内。以内。n 数字采样频率越高,数字采样频率越高,A扫波形或扫波形或TOFD图图像精度就越高,重建的像精度就越高,重建的A扫图形的峰尖或信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号与横轴的交

33、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。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)的测量误差也包括了位置(深度)的测量误差、以及缺陷高度尺寸和长度量误差、以及缺陷高度尺寸和长度尺寸的测量误差。尺寸的测量误差。 n在缺陷长度方面,在缺陷长度方面,TOFD技术是利用在技术是利用在D扫扫描中信号保

34、持的距离来进行测定的,这非描中信号保持的距离来进行测定的,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,因此量精度也是相似的,因此TOFD技术的测量技术的测量精度优势主要体现在缺陷的深度和高度测精度优势主要体现在缺陷的深度和高度测量方面。量方面。n与脉冲反射法相比,与脉冲反射法相比,TOFD技术的优点之一技术的优点之一是对缺陷位置和高度的测量非常准确。但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,在不同区域或不同位置上,TOFD技术的测技术的测量精度是不同的。量精度是不同的。nTOFD技术在测量缺陷高度方面可以达到很技术在测量缺陷

35、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。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。的同时,讨论保证测量精度的一些措施。n导致导致TOFD技术产生深度测量误差主要因素有:技术产生深度测量误差主要因素有:(1)声束传输时间;)声束传输时间;(2)轴偏移;)轴偏移;(3)探头间距;)探头间距;(4)

36、耦合剂厚度变化;)耦合剂厚度变化;(5)检测表面不平整;)检测表面不平整;(6)声速变化;)声速变化;(7)声束入射点偏移。)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。此近表面深度测量不准,分辨率差。n【例题例题】衍射点位于两探头

37、连线的中心线上,设衍射点位于两探头连线的中心线上,设声速为声速为6mm/ s,已知两探头中心距,已知两探头中心距80mm,计,计算衍射点深度算衍射点深度1 mm、2mm、4mm的信号传输的信号传输时间。时间。 解:由公式解:由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c,得:,得: d 1 mm ,t1 = 2(402 + 12)1/2/613.3374 s; d 2 mm ,t2 = 2(402 + 22)1/2/613.3499 s; d 4 mm ,t4 = 2(402 + 42)1/2/613.3998 s; 由计算结果可知,深度由计算结果可知,深度2mm与与1mm的衍射信号的衍射信号传

38、输时间差仅为传输时间差仅为0.01259 s;深度;深度4mm与与2mm的衍射信号传输时间差仅为的衍射信号传输时间差仅为0.05 s,由于深度变,由于深度变化的时间增量太小,深度就难以测准。化的时间增量太小,深度就难以测准。n根据缺陷深度计算公式(楔块延时忽略不计),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,则假定缺陷尖端处于两个探头中间的对称位置,则时间时间t由下列公式得出:由下列公式得出: t = 2(s2 +d2)1/2/c (43) 整理后尖端深度为:整理后尖端深度为: d = (ct/2)2 - s21/2 (44) 两边平方: d2 = (c

39、/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)1/2 t/2d (46) 对于近表面对于近表面 d远小于远小于s,公式可简化为:,公式可简化为: d = cs t/2d (47)n从式从式(47)可以看出,随着深度可以看出,随着深度d的减少,的减少,误差误差 d迅速增加。因此缺陷越接近上表面,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,减小探测量越不准。由公式还可以看出,减小探头中心距(头中心距(S)有助于减小误差)有助于减小误差 d。但这

40、样。但这样做会使扫查覆盖范围减少,降低工作效率。做会使扫查覆盖范围减少,降低工作效率。n利用式利用式(47)计算时,计算时,时间误差时间误差 t可取数字化可取数字化采样间隔的一半,因为采样间隔的一半,因为当选择交叉点或者样本当选择交叉点或者样本顶点附近进行尺寸测量顶点附近进行尺寸测量时,误差不会大于采样时,误差不会大于采样宽度的一半(图宽度的一半(图4.12) 。n t与数字化频率有关,与数字化频率有关,又由于数字化频率取探又由于数字化频率取探头频率的头频率的5倍,所以也倍,所以也可以说可以说 t与探头频率有与探头频率有关。可以通过数字化频关。可以通过数字化频率或探头频率来减小深率或探头频率来

41、减小深度误差。度误差。图图4.12 时间误差的图解时间误差的图解【例题例题】有一有一50mm厚的焊缝试件,其声速为厚的焊缝试件,其声速为5.95mm/s,TOFD检测时,检测时,PCS为为115mm,探,探头频率头频率5MHz,假设数字化频率为探头频率的,假设数字化频率为探头频率的5倍,倍,当时间误差为数字化取样间隔的一半时,试计算当时间误差为数字化取样间隔的一半时,试计算深度为深度为1mm、3mm、5mm时的深度测量误差。时的深度测量误差。 解:已知:解:已知:c=5.95mm/s, PCS=115mm, f=5MHz 则则 数字化频率为数字化频率为55=25MHz, 取样间隔,取样间隔,s

42、04. 0251s04. 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:当答:当d=1mm时,深度测量误差为时,深度测量误差为3.42mm。 当当d=3mm时,深度测量误差为时,深度测量误差为1.14mm。 当当d=5mm时,深度测量误差为时,深度测量误差为0.68mm。n表表4.2是以是以40 mm厚的试块为对象计算出的一些厚的试块为对象计算出的一些深度误差值,声速是深度误差值,声速是5.95 m

43、m/ s,PCS为为 100 mm。探头频率为。探头频率为5 MHz,假设数字化频率为,假设数字化频率为25 MHz,采样间隔为,采样间隔为0.04 s, t = 0.02 s。根据。根据表表4.4数据画出的曲线见图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亦可通过深度误差与探头角度的函数关系亦可通过深度误差与探头角度的函数关系来进行分析。时间来进行分析。时间t与探头角度与

44、探头角度 的函数关系的函数关系可由声程可由声程 ct= 2d/cos , 得到时间得到时间t = 2d/ccos ,把,把t代入代入 公式公式(45)2d d = (c/2)22t t, 可推导出下式:可推导出下式: d =c t/2cos (48)【例题例题】TOFD检测时,已知试件声速检测时,已知试件声速c=5.95mm/s,探头频率,探头频率f=5MHz、数字化频率、数字化频率为探头频率的为探头频率的5倍,假设时间误差为数字化取样倍,假设时间误差为数字化取样间隔的一半,试计算间隔的一半,试计算60和和70声束的深度测量声束的深度测量误差值。误差值。=60mm时, mm12.002.060

45、cos295.5d1=70mm时, mmd17. 002. 070cos295. 52图图 4.14 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4.14所示是按公式(48)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

46、?n有时会应用另一个准则,即定义一个深度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,(在这在这个深度上深度误差等于深度的一半,(在这个深度值以下,深度误差大于深度的一半),个深度值以下,深度误差大于深度的一半), 把把d =dmin, d =dmin/2代入公式(代入公式(47) d = cs t/2d,可以得到关于深度误差的另一公式:,可以得到关于深度误差的另一公式: (dmin)2 = cs t (49) dmin是最小可接受的深度是最小可接受的深度. 表表4.3中给出了一些按中给出了一些按式式(4.9)的计算值。的计算值。表表 4.3 误差为深度一半

47、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4.15 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。如图心位置,会导致深度测量出现误差。如图4.15所示,所示,设裂纹尖端偏离两个探头中心距离为设裂纹尖端偏离两个探头中心距离为X mm,则传,则传输时间输时间(忽略楔块延时忽略楔块延时)可用下式表示:可用下式

48、表示: t = (L + M)/c 声程声程ct = (s + X)2 + d21/2+(s - X)2 + d21/2 (410) 这是一个椭圆方程,两探头的声束入射点为椭圆的这是一个椭圆方程,两探头的声束入射点为椭圆的两个焦点。声程两个焦点。声程ct在数学上的意义为两个焦点与椭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,即椭圆上圆上任意点的连线的长度,是一个常数,即椭圆上F1点和点和F0点衍射的信号声程是相同的。由于在非平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。在得到

49、的深度会有误差。在ct为恒定的情况下,最大为恒定的情况下,最大深度深度d max,是是X = 0的直线与椭圆的交点的直线与椭圆的交点 (即图即图4.15中中F点点), 最小深度最小深度d min为超声波声束的边缘与椭圆为超声波声束的边缘与椭圆的交点的交点(即图即图4.15中中E点点)。n如果考虑缺陷位置偏移到超声波声束的边缘处,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。上误差会大一些。n由缺陷位置的轴偏移引起的深

50、度测量误差大小同由缺陷位置的轴偏移引起的深度测量误差大小同时还与深度、探头中心间距和探头特性有关。当时还与深度、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边缘的深度误差大约为8%。所以,对于焊缝根部。所以,对于焊缝根部腐蚀检查,如果探头对着底面,则声束边缘的深腐蚀检查,如果探头对着底面,则声束边缘的深度误差是度误差是8%,也就是说也就是说 (d max d min) / d max = 8%n例如,工件厚度例如,工件厚度50mm,对于焊缝根部腐蚀,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扫

51、查,底面的轴偏移反射体深度误差最大值是是4 mm。n一般轴偏移缺陷的深度测量绝对误差可以达一般轴偏移缺陷的深度测量绝对误差可以达到几毫米。对于到几毫米。对于V型坡口,如果从焊缝宽度型坡口,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误差大部分也小于3%。n对于对于X型坡口,其熔合线和热影响区误差可型坡口,其熔合线和热影响区误差可能较大,但焊缝体积内的深度误差大部分能较大,但焊缝体积内

52、的深度误差大部分小于小于1%。如果使用大的探头中心间距,声。如果使用大的探头中心间距,声程增大,可以减小误差。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。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。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

53、于精度要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。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计算探头距离的变化或者误差 s所带来的所带来的影响。根据影响。根据TOFD基本公式基本公式 d2 = (c/2)2 t2 - s2 对对d和和s微分,微分, d d = -s s d = -s s/d (411) d = -s s/d (411) 由式

54、由式(4.11)可见,在探头间距一定的情况下,误可见,在探头间距一定的情况下,误差差 s对深度测量有很大影响。而且对越接近表面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。例如的缺陷,深度测量误差越大。例如 s = 50 mm,误差误差 s = 1 mm ,如果缺陷深度为,如果缺陷深度为 20 mm,则得,则得到误差到误差 d = 2.5 mm;但如果缺陷深度为;但如果缺陷深度为 10 mm ,得到的误差得到的误差 d = 5 mm。由于深度测量的误差过。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。信

55、号来进行校准。n虽然探头距离的变化或者误差虽然探头距离的变化或者误差 s对深度测量准确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。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、

56、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:因此这两个信号的时间差为: ctr = c(t-tl) = 2(s2 +d2)1/2 -2s 因为因为d 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)【例题例题】对对60mm厚试件进行厚试件进行TOFD检测,检测, 设设 定定PCS=120 mm,但实际存在误差,但实际存在误差S=1

57、mm,现对,现对30mm处的缺陷进行深度处的缺陷进行深度测量,测量, (1)测量缺陷深度时已根据直通波校准,)测量缺陷深度时已根据直通波校准, 求误差是多少?求误差是多少? (2)如果未进行校准,则误差是多少?)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)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

58、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 底面反射波声程: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: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 因为因为 s D,s d,可以得到:,可以得到: ctr (D2 - d2)/s 对对d和和s求微分,得到:求微分,得到: d = - ctr s/2d - D2 s/2ds (413) 【例题例题】对对60mm厚试件

59、进行厚试件进行TOFD检测,如果检测,如果 PCS=120mm,测量缺陷深度时已根据,测量缺陷深度时已根据 底波校准,底波校准,30mm处的深度测量误差。处的深度测量误差。 (假设(假设S=1mm) 解:已知:解:已知:D=60mmmmd160321602答:答:30mm处的深度测量误差为处的深度测量误差为1mm。 较为精确的计算公式: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: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、)测量裂纹尖端的时间,把速度、PCS 和探头延迟作为输入参数,可以计算和探头延迟作为输入参数,可以计算 绝对深度。绝对

60、深度。(2)测量裂纹尖端和直通波的时间,把)测量裂纹尖端和直通波的时间,把 PCS 和速度作为输入参数,可计算出相和速度作为输入参数,可计算出相 对于直通波的深度。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)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、壁厚和速度作为输入参数,可计算 出相对于底面的深度。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

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