TOFD普及班培训教材

目 录

第一章 TOFD 基础知识及原理介绍 ............................................... 1

1.1 TOFD 历史背景 .......................................................................................................... 1 1.2 衍射现象 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 衍射信号波幅变化 ....................................................................................................... 3 1.4 TOFD 技术应用的基本知识 ......................................................................................... 4

1.4.1 探头配置 ........................................................................................................... 4 1.4.2 超声波类型 ..................................................................... 错误！未定义书签。 1.4.3 波型转换 ........................................................................................................... 5 1.4.4 TOFD技术的A扫波 ....................................................................................... 5 1.4.5 A扫波的相位关系 ......................................................... 错误！未定义书签。 1.5 信号处理与分析方法 ................................................................................................... 7

1.5.1 信号平均 ........................................................................................................... 7 1.5.2 图像拉直 ........................................................................................................... 8 1.5.3 去除直通波 ....................................................................................................... 8 1.6 抛物线拟合指针 ........................................................................................................... 9

1.6.1 用抛物线指针测量缺陷长度 ......................................................................... 10 1.7 对比试块 ..................................................................................................................... 11 1.8 TOFD技术的优点和局限性 ........................................................................................ 12 第二章 TOFD技术的信号处理以及硬件系统知识 .................................. 13

2.1 模拟信号与数字信号 ................................................................................................. 13 2.2 数模转换和数字采样 ................................................................................................. 14 2.3 灰度成像和D扫 ......................................................................................................... 16 2.4 TOFD检测系统的结构 ............................................................................................. 17

2.4.1 TOFD检测仪器的主要功能 ......................................................................... 17 2.4.2 TOFD检测仪器的主要性能指标 .................................................................... 18 2.5 带宽和滤波 ................................................................................................................. 19 2.6 脉冲特性 ..................................................................................................................... 20

2.6.1 脉冲宽度 ......................................................................................................... 21 2.6.2 脉冲上升时间 ................................................................................................. 22 2.6.3 脉冲高度 ......................................................................................................... 23

第三章 TOFD技术的工艺知识 .................................................. 24

3.1 探头的一般要求 ......................................................................................................... 24 3.2 探头的扩散角和频率分量计算 ................................................................................. 25

3.2.1 声束扩散角计算 ............................................................................................. 25 3.3 不同频率分量在波束中的分布 ................................................................................. 29 3.4 扫查方式和信号测量 ................................................................................................. 31

3.4.1 扫查方式的选择 ............................................................................................. 31 3.4.2 信号的位置测量 ............................................................................................. 33 3.5 TOFD技术的盲区和扫查误差 ................................................................................. 34 3.6 相关信号的传播时间和深度计算 ............................................................................. 35 3.7 TOFD相关的时间窗口计算 ..................................................................................... 37

1

探头的选择 ................................................................................................................. 37 3.8.1 PCS的设定 ...................................................................................................... 37 3.8.2 探头角度的选择 ............................................................................................. 38 3.8.3 探头频率的选择 ............................................................................................. 39 3.8.4 探头晶片尺寸的选择 ..................................................................................... 40 3.9 增益设定 ..................................................................................................................... 41

3.9.1 利用直通波设置增益 ..................................................................................... 42 3.9.2 用晶粒噪声来设置增益 ................................................................................. 42 3.9.3 用底面反射波来设置增益 ............................................................................. 42 3.9.4 用尖角槽的衍射波来设置增益 ..................................................................... 43 3.9.5 用侧孔的反射波来设置增益 ......................................................................... 43 3.9.6 选择设置增益方法的小结 ............................................................................. 43

第四章 数据判读 ............................................................. 45

4.1 在线分析 ..................................................................................................................... 45 4.2 离线分析 ..................................................................................................................... 45 4.3 缺陷类型及信号特征 ................................................................................................. 46 4.4 TOFD记录中的气孔和夹渣 ........................................................................................ 47 4.5 上表面开口缺陷 ......................................................................................................... 48 4.6 下表面开口缺陷 ......................................................................................................... 50 4.7 详细定性的进一步扫查 ............................................................................................. 51 第五章 TOFD检测标准 ........................................................ 53

3.8

2

第一章 TOFD 基础知识及原理介绍

1.1 TOFD 历史背景

TOFD 技术（Time of Flight Diffraction Technique）是一种基于衍射信号实施检测的技术，即衍射时差法超声检测技术。

上世纪七十年代，由于工业发展的需求的不断增多，Mauric Silk博士（英国国家无损检测中心）率先提出了TOFD技术。在TOFD系统的发展过程中，计算机和数字技术的应用起到了决定性的作用。早期的常规超声检测使用的都是模拟探伤仪，用横波斜探头或纵波直探头做手动扫查，大多数情况采用单探头检测，仪器显示的是A扫波型，扫查的结果不能被记录，也无法作为永久的参考数据保存。自二十世纪九十年代起，模拟仪器开始慢慢演变为由计算机控制的数字仪器，随后数字仪器逐渐完善和复杂化，可以配置探头阵列，自动扫查装置，而且能够记录和保存所有的扫查数据用于归档和分析。

TOFD检测需要记录每个检测位置的完整的未校正的A扫信号，可见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、数字化采样、信号处理、信息存储等方面都达到了较高的水平。

TOFD技术与传统脉冲回波技术的最主要的两个区别在于：

A) 更加精确的尺寸测量精度(一般为±1mm，当监测状态为±0.3mm)，且检测时与缺陷的角度几乎无关。尺寸测量是基于衍射信号的传播时间而不依赖于波幅。

B) TOFD技术不使用简单的波幅阈值作为报告缺陷与否的标准。由于衍射信号的波幅并不依赖于缺陷尺寸，在任何缺陷可能被判不合格之前所有数据必须经过分析，因此培训和经验对于TOFD技术的应用是极为基本的要求。

1.2 衍射现象

衍射是波在传输过程中与传播介质的交界面发生作用而产生的一种有别于反射的物理现象。当超声波与有一定长度的裂纹缺陷发生作用，在裂纹两尖端将

1

会发生衍射现象。衍射信号要远远弱于反射波信号，而且向四周传播，没有明显的方向性。如图1.1所示：

任何波都可以产生衍射现象，如光波和水波。

衍射现象可以用惠更斯（Huygens）原理解释,即介质中波动传播到的各点都可以看作是新的发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包络面就构成了新的波阵面，图1.2为惠更斯原理示意图。由图可以看出，裂纹尖端的子波源发出了方向不同于反射波的超声波，即为衍射波。缺陷端点越尖锐，则衍射现象越明显，反之，端点越圆滑，衍射越不明显。

2

1.3 衍射信号波幅变化

下图是衍射波波幅在不同的探头折射角度下随角度变化的实验结果示意图。由图可见，将TOFD探头放在垂直于试件的表面的裂纹两侧，等距离放置，分别用来发送和接收信号，并且确保探头的角度能够同时产生和收到缺陷上端点和下端点的衍射信号。实验结果表明，当折射角度为65°时，上下尖端的衍射信号波幅均为最大。其中下尖端信号在38°时，波幅下降很大，而在20°时，又出现上升，可见下尖端信号波幅曲线出现两个波峰。而在45°到80°之间，上下尖端衍射信号波幅均成规律性变化，而且下尖端衍射信号要略高于上尖端信号，但是变化幅度不超过6dB。因此，TOFD技术探头通常在45°- 70°之间，避开了38°这一不利角度。

3

1.4 TOFD 技术应用的基本知识

1.4.1 探头配置

在TOFD技术应用中可以使用单一探头，但并不推荐这样使用，因为使用单探头时返回探头的衍射波信号很可能被缺陷的反射波掩盖，导致单探头系统对端点衍射信号接收存在不确定性。使用两个探头配对组成一发一收的双探头系统，则可以避免镜面反射信号对衍射波信号的干扰，从而在任何情况下都能很好的接收到缺陷端点衍射波的信号。另外还容易实现大范围的扫查，快速接收大量的信号。因此，双探头扫查系统可以说是TOFD技术的基本配置和特征之一。 1.4.2 超声波类型

对于常用的脉冲反射法探伤来说，大多数情况下使用的超声脉冲都是横波。通过特殊的设计使探头只发射横波而没有纵波，这就避免了工件中存在两种波而导致回波信号难以识别的问题。在TOFD检测中不使用横波而选择使用纵波，其主要目的也是为了避免回波信号难以识别的困难。

在各种波中，不同模式的声波以不同的声速传播，纵波的传播速度最快，接近横波的两倍，所以纵波能够在最短的时间内到达接收探头。而且使用纵波并利用纵波的波速来计算缺陷的深度所得到的结果也是唯一的。但是如果使用横波检测，并根据横波波速来计算缺陷的位置则结果可能是不唯一的。大家都知道，任意一种波都可以通过折射或衍射转换成为其他类型的波。如果一束横波通过端点衍射后产生纵波，那么纵波信号将先于横波到达接收探头，这时采用横波的波速计算就会得到错误的缺陷位置。

在TOFD检测中，通过波的传输时间来确定缺陷的位置，所以信号传输的时间与缺陷的位置都是有唯一性的。在一般的金属材料中，纵波最先到达接收探头，根据最先到达探头的纵波信号来识别缺陷和以纵波波速计算其位置，就不会与后面到达的横波信号混淆，也不会发生差错。而使用不论哪一种变型波或者横波信号判断缺陷的位置，都可能得到错误的结果。

TOFD中两种有关的声波类型是：

1) 纵波：对于纵波，介质质点的振动方向与波的传播方向是一致的。碳钢

4

中纵波声速约为5950m／s。

2) 横波：对于横波，介质质点的振动方向垂直于波的传播方向。碳钢中横波声速约为3230m／s。 1.4.3 波型转换

任意一种波都可能通过折射或衍射转换成为其他种类的波。因此在TOFD检测时，被测工件中会存在多种波。首先是发射探头发射出的纵波和横波；其次，波在传播过程中遇到一些缺陷或者底面时，也会发生波型转换，即由纵波转换出横波以及由横波转换出纵波。由此，接收探头得到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横波。 1.4.4 TOFD技术的A扫波

TOFD扫查时的A扫波通常包括： 1） 直通波

通常，在TOFD中最先观察到的是微弱的直通波，它在两个探头之间的最短路径以纵波速度传播，即使探头之间的金属表面弯曲，它依然在两探头之间直线传播。总之它遵守Fermat原理，即在两点之间直线传播费时最少。

对于表面有覆层的材料，其直通波基本上都在覆层下的材料中传播，覆盖层本身对直通波并没有太大影响。直通波不是真正的表面波，而是在声束边缘产生的体积波。直通波的频率往往是比声束中心处波的频率低(声束扩散与频率相关，对于较宽的声束扩散存在较低的频率成份)。对于真正的表面波，其波幅随着检测面的距离增加呈指数衰减。对于较大的探头间距，直通波可能非常微弱，甚至不能识别。 2） 缺陷信号

若被测工件中存在一个裂纹缺陷，则超声波在缺陷上部和下部尖端都将产生衍射信号，这两个信号在直通波之后底面反射波之前出现，而且信号强度都比直通波要强，比底面回波弱。若缺陷高度较小，则通常这两个信号会发生重叠，为了能很好的辨别这两个信号，通常采取减小信号周期的方法。 3） 底面反射波

5

底面反射波的传播距离较大，所以在直通波和缺陷衍射波之后出现。 4） 波型转换信号以及底面横波信号

TOFD探伤检测中，对这些信号一般不做观察。

1.4.5 A扫波的相位关系

下图为包含直通波及底波信号的A扫描记录。高阻抗介质中的波在与低阻抗介质界面处反射，会产生180度的相位变化(如钢到水或钢到空气)。这意味着如果到达界面之前波形以正循环开始，在到达界面之后它将以负循环开始。

当存在缺陷时，将出现如下图所示情形。缺陷顶端的信号类似底面反射信号，存在180°相位变化，即相位像底波一样从负周期开始。然而，缺陷底部波信号如同绕过底部没有发生相变，相位如直通波，以正周期开始。理论研究表明，如果两个衍射信号具有相反的相位，他们之间必定存在连续的裂纹，而且只在少数情况下上下衍射信号不存在180度相位变化，大多数情况下，他们都存在着相位

6

变化。因此，对于特征信号和更精确的尺寸测量，相位变化的识别是非常重要的。例如试样中存在两个夹渣而不是一个裂纹时，可能出现两个信号。在这种情况下信号没有相变。夹渣和气孔通常太小一般不会产生单独的顶部和底部信号。信号可观察到的周期数很大程度上取决于信号的波幅，但相位往往难以识别。对于底面回波更是如此，它由于饱和无法测出相位。在这种情况下，首先将探头放置在被测试样或校准试块上，调低增益，使底面回波或其他难以识别相位的信号调整到像缺陷信号一样具有相同的屏高，然后增大增益，记录信号如何随相位变化。这种变化往往集中在二、三个周期中。

正因为相位信息如此重要，所以TOFD技术需要采集数字化的原始信号信息。

1.5 信号处理与分析方法

1.5.1 信号平均

前面已经讲过从裂纹尖端得到的衍射信号比较弱，所以很容易受到电路中的

7

噪声影响，导致缺陷信号难以辨别。噪声通常是由系统的随机电信号引起的，我们可以通过信号平均来减少噪声。

但是使用信号平均的方法来提高信噪比是有前提的，一是参与平均的有用信号应该是一致的，要有较大的相关性；二是噪声部分是随机的，不具有相关性。 1.5.2 图像拉直

在TOFD检测实际操作中，经常会出现信号弯曲的现象，导致这个现象的原因可能是耦合层厚度不均匀，工件表面不平整等原因，所以很多情况下我们需要对图像进行拉直处理，以方便我们对缺陷信号的识别以及缺陷长度的测量等。

“拉直”是数字信号处理的一种简单方式，以直通波或者底面反射波作为参照，使弯曲的图像变直，看上去就像耦合层是稳定的一样。 1.5.3 去除直通波

在对TOFD扫查图像进行处理的时候，会出现近表面缺陷信号隐藏在直通波信号之下无法处理的情况，我们可以通过图像处理的方法来解决。因此TOFD软件都会提供一个“去除直通波”（差分）的功能，可以去除指定地方的掩盖了近表面缺陷信号的直通波。

下图就是一个直通波去除的例子。

8

1.6 抛物线拟合指针

在扫查图像的分析和处理中，抛物线指针主要用于缺陷的定位和定量。 A扫有一个很大的缺陷就是信号的识别性不好。而TOFD技术通过连续的扫查将大量的A扫信号集中起来组成连续的一幅图像，因此在TOFD扫查结果中，不管是B扫还是D扫，缺陷的识别都比在A扫中容易的多。

在TOFD扫查图像中，由于声束的衍射、扩散等等，缺陷会呈现特殊的形状，但是只要掌握TOFD信号显示的特点和规律，对于缺陷的识别也是不难的。只是在TOFD图像的识别中，测量信号的深度和缺陷的尺寸都需要借助特别的工具-抛物线指针，用来与缺陷的特征弧线进行拟合，这样才可以保证缺陷位置、高度和长度的测量准确性。

在TOFD扫查过程中，由于缺陷衍射信号的传输时间随着探头位置的变化而变化，所以不管是B扫还是D扫，无论是点状缺陷还是线性缺陷，缺陷的端点都会形成一个TOFD技术特有的、向下弯曲的特征弧形显示。

我们拿均匀厚度试块上的单个点来举例。当这个点位于由探头声束中心线所在的垂直平面上并且到两探头的距离相等时，信号传输时间最短。如果探头装置向任何一方移动一点，信号仍然会存在，因为这个点仍然在探头发出的声场范围内。但是由于距离的增加，信号传输的时间就会变长，显示屏上信号出现的位置也就会出现一定的延时。这样的话，通过连续的扫查就会产生一幅具有向下弯曲特性的显示图像。如下图就是一个典型的点状缺陷在TOFD扫查中的成像。通过调校后的抛物线可以很好的拟合起来。

9

但是对于线性缺陷来说，如果其处于同焊缝水平的位置，而且探头装置移动方向与缺陷方向一致，那么移动过程中始终有位于探头声束中心线所在的垂直平面上的点的衍射信号最先被接收。虽然由于波束扩散，较远一点的衍射信号能够被接收到，使得单个信号的图形表现成弧形，但是整个条形缺陷所得到的信号是沿缺陷长度方向的所有弧线曲线的综合，各信号可以产生互相抵消性干涉，使得缺陷中部各点衍射信号所表现出来的A扫组合信号呈直线，只是在两端会呈弧线形状。如下图就是一个条状缺陷。

1.6.1 用抛物线指针测量缺陷长度

在TOFD的非平行扫查（D扫）图像中测量缺陷的长度不会像测量深度那样根据信号出现的精确时间来计算，而是通过测量信号两端的位置来估算的，有时

10

还需要根据波束的扩散来进行修正。

与工件表面平行的埋藏缺陷的长度测量比较简单。测量时，首先将抛物线的指针与缺陷图像的左端点弧形进行拟合，然后再对右端点弧形进行拟合，计算扫查方向上两个抛物线位置之差，便是该缺陷的长度。

对于弯曲或者走向倾斜的缺陷，测量其长度比较困难。典型的情况是底面开口裂纹，其在深度上的轮廓呈现为曲线，多数情况下近似于椭圆曲线，这主要因为他们是从表面原始缺陷开始扩展而形成的，因此在D扫图像中该类裂纹信号显示的是曲线而不是直线。对于底面开口裂纹，当看到图像中信号弯曲而且形成一个顶部的时候，应该采用曲线型测量技术来测量长度。

曲线型测量技术主要方法为：移动抛物线指针使其尽量与弯曲信号的两侧拟合，如果不能完全拟合，则尽量使抛物线指针与信号末端的三分之一相拟合，然后测量两抛物线指针的距离，即为缺陷的长度。抛物线指针拟合的越好，则测量的误差会越小。

1.7 对比试块

对比试块也可称为参考试块，是指用于TOFD检测校准的试块。TOFD检测校准通常包括两项内容： 增益校准和扫查分区校准。

对比试块的一般要求

对比试块应该采用与被测工件声学性能相同或者相似的材料制成，其外形尺寸应能代表工件的特征和满足扫查装置的扫查要求，试块厚度应与工件厚度相对应。

检测曲面工件的焊缝时，应选择与工件有相近曲率的试块。 对比试块的厚度要求 1. 最大厚度

由前面叙述可知，当裂纹下尖端相对于探头的折射角度为38°时，其衍射信号波幅下降到0。为了避免在试块底面附近出现这一不利情况，需要规定试块的最大壁厚。

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

11

法线间的夹角不小于40°。 2. 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。

1.8 TOFD技术的优点和局限性

总的来说，TOFD技术有很多优点：

1. 可靠性好，由于利用的是波的衍射信号，不受声束角度的影响，缺陷的检出率比较高。 2. 定量精度高。

3. 检测过程方便快捷。一般一人就可以完成TOFD检测，探头只需要沿焊缝两侧移动即可。

4. 拥有清晰可靠的TOFD扫查图像，与A型扫描信号比起来，TOFD扫查图像更利于缺陷的识别和分析。

5. TOFD检测使用的都是高性能数字化仪器，记录信号的能力强，可以全程记录扫查信号，而且扫查记录可以长久保存并进行处理。

6. 除了用于检测外，还可用于缺陷变化的监控，尤其对裂纹高度扩展的测量精度很高。

但是TOFD技术也有它自身的局限性：

1. 对近表面缺陷检测的可靠性不够。上表面缺陷信号可能被埋藏在直通波下面而被漏检，而下表面缺陷则会因为被底面反射波信号掩盖而漏检。 2. 缺陷定性比较困难。

3. TOFD图像的识别和判读比较难，需要丰富的经验。 4. 不容易检出横向缺陷。 5. 复杂形状的缺陷检测比较难。 6. 点状缺陷的尺寸测量不够精确。

12

第二章 TOFD技术的信号处理以及硬件系统知识

2.1 模拟信号与数字信号

自然界中存在着很多在时间和数量上都是连续的物理量，称为模拟量。比如日常生活中常见的有：压力、温度、声音等等。在工程上常用传感器将模拟量转换为电流、电压、电阻等电信号，称为模拟信号。超声波检测使用的脉冲信号是模拟信号的一种。

自然界中还存在另外一种时间和数值上都表现出离散特性的物理量，也就是说它们在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间，这类物理量也称为数字量。比如股票的价格、国家GDP总量、文章的字数等等。用来表示数字量的信号称为数字信号。

数字信号通常用数字波形表示，数字波形是逻辑电平与时间的关系。逻辑电平通常用0和1来表示，这个0和1区别于十进制中的数字，它们是逻辑0和逻辑1，可以称为二值数字逻辑或简称数字逻辑。在电路上，用电子器件的开关特性很容易实现数字信号的数字逻辑0和1。如下图的脉冲波形，此时，数字波形和脉冲波形的关系是统一的，区别是表达方式不同，前者用逻辑电平表示，后者则用电压值表示（如下图所示）。

在电子和信息技术系统中，数字信号具有非常重要的地位和意义。模拟信号有很多的局限性，比如容易失真，精度低，抗干扰能力差，远距离传输和大规模

13

的存储都很困难，也无法进行复杂的分析处理等等，而如果将模拟信号转换为数字信号，上面的问题都会迎刃而解。数字化技术可以说是计算机技术、多媒体技术、智能技术和信息技术的基础。同样，TOFD技术能够发展和应用起来，前提条件也取决于超声模拟信号的数字化。

TOFD技术要求保存扫查过程中每个检测位置的完整的未处理的 A扫信息，这些信息就是模拟信号转换为数字信号之后保存的。采用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。

2.2 数模转换和数字采样

超声波检测的模拟系统优点是速度快，队列探头的激发、回波的峰值检测，以及信号的放大和滤波都是在模拟模式下进行的。然而，由于需要存储所有的检测数据并对数据进行进一步的分析和处理，模拟信号必须进行数字化。

模拟信号数字化的主要原理是，对模拟波形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，然后由计算机保存起来。这样保存在计算机中的信息就不是波形，而是由一连串包含足够特征量，能够重建该A扫显示的数字信号。

模拟信号的数字化必须遵循采样定理。采样的意思就是将一个模拟信号转换成一个数值序列。采样定理指出：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。采样定理是数字电子技术和信息技术中的重要定理之一，最早由美国物理学家奈奎斯特（Harry Nyquist）于1928年提出。1933年苏联工程师科杰利尼科夫（V.A.Kotelnikov）用公式严格的表述这一定理，因此有时这一定理也被称为奈奎斯特-科杰利尼科夫采样定理。1948年信息论的创始人香农（Claude Shannon）对这一定理加以明确说明并正式作为定理引用，因此许多文献中又称之为香农定理。采样定理在信息处理、数字通信和采样控制理论等领域有广泛的应用。

14

前面采样定理指出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样点，这被称为Nyquist极限。如果采用低于信号最高频率两倍的采样频率来进行采样，则采样点不足以使每个半周期内都有一个样本，那么当进行信号重建时，将不能重建正确的频率，那么计算机也不能得到正确的数据。因此采用正确的采样频率是很有必要的。

例如某探头频率是5MHz，数字化频率是25MHz。该A扫波形以每1/25=0.04μs的时间间隔进行样本采集，那么在回波信号的一个周期内（1/5=0.2μs）内将有5个样本。

模拟/数字转换器以选定的采样率对A扫信号进行取样。采样点的位置相对于超声波信号的任何位置是随机的，因此一个样本能否取在正半周期波峰或者负半周期波峰都是有一定几率的，这样的话最大振幅的测量有可能不正确。数字化频率越高，样本采集到峰值的几率就越大，数字信号对于模拟信号失真的程度就越小。

实际情况下，采样数量越多，重构的波形越精确。要得到理想的波形，可以提出高的要求，例如每周期采样10个样本或者更多，那么对于上述例子来说采样频率就要采用50MHz或者更高。但是采样频率越高，也意味着TOFD的A扫的采样点数量越大，仪器所需要的存储空间也就越大，扫查的速度也会降低。

当检测厚度很大的焊缝时，TOFD的 A扫的持续时间会很长，如果仍选取很高的数字化频率，那么样本的数量会很大。因此要寻找一个折中的方案：要获得一个合适的数字化峰值信号（平均误差在10%以内），每个信号周期至少需要5个样本。需要指出的是，对于常规的脉冲回波检测，因为任何尺寸估计都依靠猜测信号振幅的最大值，所以数字化采样取到波峰很重要。而对于TOFD检测技术来说，峰值的测量并不十分重要，因为衍射点的深度与信号到达时间有关，并不取决于信号的幅度。总之，要想保证检测的准确性，必须要减小信号失真，这就意味着要有足够的采样点数量。典型的探头频率如2MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz，则所使用的数字化采样频率至少应该达到10 MHz，25 MHz，50 MHz，75 MHz。目前很多数字超声波系统的最大数字化采样频率已经超过了60 MHz。

总之，对模拟信号进行采样时，使用的数字化频率至少是该信号频率的两倍，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。

15

2.3 灰度成像和D扫

扫查后显示的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。屏幕的纵坐标表示幅度（+100%到-100%全屏幕高度），而横坐标表示从发射脉冲开始，超声信号传输的时间。使用光标从显示的A扫中可以进行幅度和时间测量。

连续不断的A扫波可以显示成D扫或者B扫图像。D扫的意思是沿着焊缝的扫查，B扫的意思是垂直于焊缝的扫查。两种扫查图像都是由一系列A扫波组成的。使用D扫或者B扫图像的优点是能够又快又准地发现缺陷。有些衍射信号非常弱，在一个独立的A扫波中可能不易被发现，但是在连续的A扫波组成的D扫图或者B扫图中则很容易被识别。

在D扫图像中，采用了不同灰度的等级来表示信号的幅度。在灰度码中，振幅的范围从纯白色到纯黑色，其中纯白色表示+100%满屏信号，经过在0%位置的中间灰色，到纯黑色表示-100%满屏。但是有些系统可能使用反向灰度表示，即从黑色到白色，选择哪一种表示方式对检测结果影响并不大。

由此可知一个A扫信号可以转换为由许多淡灰色和深灰色的色点交替组成的一行，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。我们可以采用增强对比度来提高信号振幅，这依赖于一些算法。其中最简单的方法就是使用一个刻度从-100%到+100%全屏高度的线性振幅来计算。在一个很小的振幅刻度范围内使用全灰度等级，使灰度级别黑色变为白色，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。

正常情况下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。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，可根据信号相位的关系来判断扫查图像中的直通波、底面反射波以及缺陷的上下端点信号。在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。

一幅合格的TOFD图像需要满足的条件是：通过观察该图，可以判断其增益设置比较适当，扫查过程很平稳，获取的信息比较完整。由直通波可以判断其A

16

扫波幅在40%-80%之间，增益选择恰当；直通波没有被干扰，扫查速度适当均衡，耦合良好；缺陷信号清晰明显；下表面反射波很直而且下表面变型波显示正常等等。

2.4 TOFD检测系统的组成

TOFD检测系统主要包括硬件系统和软件系统。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。我们可以认为扫查器、探头和试块都是TOFD检测仪器的功能延伸，试块用来调校仪器、探头和扫查器的参数，探头负责将仪器的发射电脉冲转换成超声波进入检测工件，并将接收到的超声信号转换为电信号传给检测仪器。 2.4.1 TOFD检测仪器的主要功能

TOFD检测仪器是一种由计算机控制的能够满足TOFD检测工艺过程特殊要求的数字化超声波检测仪，主要用来实现以下功能：

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。 典型的TOFD检测仪器可以分为模拟和数字两个部分，包括脉冲发射电路、信号接收放大器、模/数转换电路、数字逻辑控制电路、接口电路、探头位置传感器等六个单元和计算机终端。

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。多数仪器会有多条发射/接收通道，在计算机控制下进行顺序的多路传输。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。滤波将减小信号的幅度，但可以改善信噪比。对于非常弱的TOFD信号，需要大约70dB的增益，这时滤波器对提高信噪比非常有用。

如果TOFD信号非常弱或者探头距离主放大器非常远，在尽可能地接近接收

17

探头的位置上使用一个分立的前置放大器是非常有用的。通常使用前置放大器将信号增益30或40dB。电池供电的前置放大器的优点是不与数据采集系统的外接电源相接，因此受到的电噪声的影响很少。

经过放大和滤波后的模拟信号通过模/数转化器转换为数字信号，存储在计算机存储器中，供TOFD检测人员分析处理。 2.4.2 TOFD检测仪器的主要性能指标

TOFD检测仪器的性能指标有如下的基本要求：

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。

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。

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。 脉冲宽度：一般规定在100ns左右，且应可调，以便优化脉冲幅度和持续时间。

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。

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。

脉冲重复频率：一般在100Hz～1000Hz，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。

水平线性误差和垂直线性误差：一般规定水平线性误差应小于1%，垂直线性误差小于5%。

波形显示方式：应提供射频波显示和检波（全检、负或正半波检波）显示。 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。

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。

18

图像灰度等级：至少64级，最好256级以上。 一次线性扫查长度：一般要求达到2000mm。

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。

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。 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，并能提供输出拷贝等功能。

软件功能：应包括TOFD显示的深度或时基线性化算法，配备了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。

2.5 带宽和滤波

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，这个概念或许比较抽象，我们有必要作进一步解释。大家都知道，各类复杂的电子电路无一例外都存在电感、电容或相当功能的储能元件，即使没有采用现成的电感线圈或电容，导线自身就是一个电感，而导线与导线之间、导线与地之间便可以组成电容——这就是通常所说的杂散电容或分布电容；不管是哪种类型的电容、电感，都会对信号起着阻滞作用从而消耗信号能量，严重的话会影响信号品质。这种效应与交流电信号的频率成正比关系，当频率高到一定程度、令信号难以保持稳定时，整个电子电路自然就无法正常工作。为此，电子学上就提出了“带宽”的概念，它指的是电路可以保持稳定工作的频率范围。

后来人们又专门设计了一些特殊的电路和元器件，可以让信号通过的时候过滤掉一部分频率范围的信号，这就是选频和滤波。

19

带宽一般以-3dB（或者-6dB）定量测量。所谓-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。在实际计算中可以忽略低端截止频率，因为低端的频率一般都比较低，计算的时候可以忽略不计。

电子电路中的带宽主要是由高频放大部分的特性决定的，而高频电路的设计是比较困难的。对TOFD系统来说，不但处理的是高频高速信号，而且要求具有高稳定性，因此对电路的带宽指标要求很高。

2.6 脉冲特性

超声波脉冲是电压脉冲施加在探头上使之振动产生的，虽然使用尖波脉冲也可以产生超声波，但是矩形脉冲应用在TOFD系统中可以表现出更好的可控性和调谐性，因此现有的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。因此，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。

电压脉冲特性会影响超声脉冲的质量，因此对其有严格要求。TOFD系统使用的矩形电压脉冲主要特性数据包括：脉冲宽度、脉冲上升时间和脉冲高度。

20

2.6.1 脉冲宽度

TOFD系统使用的矩形脉冲宽度是可以调节的，通常在25-500ns范围内。 选择一个合适的脉冲宽度是非常重要的，它可以帮助检测系统优化超声脉冲信号的形状。矩形脉冲的第一个边可以使探头的晶体元件产生振动，它的第二个边同样也可以使该晶体元件再次产生振动，但是产生的超声脉冲相位刚好与第一个振动的相位180°的反相，如下图所示。

这两个反相的超声脉冲通常会重叠起来并彼此干涉。而且改变脉冲的宽度可以使周期中不同的部分加强或者减弱，如下图，如果想使产生的两个脉冲组成一个单一频率的更强的脉冲信号，则应该将脉冲宽度设置成该频率周期的一半（比如5MHz时使用100ns），通过叠加信号加强，获得一个振幅更大的脉冲信号，但是余波也会随之变长。

但是如果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），那么一个周期后，两个信号刚好反相，叠加后可获得一个振幅很小的信

21

号，余波的振动也会明显减小，这个对于TOFD技术的应用来说是很有意义的。

但是在TOFD技术实际的应用中，一个探头包含的频率是有一定范围的，最优的脉冲宽度必须通过试验来获得。试验方法：将底面回波信号波高设置为大约满屏高度的60%，从该探头中心的一个周期开始校准脉冲宽度。但是有时候因为探头频率范围比较大，激励脉冲的宽度对波形的影响并不明显。 2.6.2 脉冲上升时间

对于理想波形来说，其电压的上升和下降时间均为0。但是一般来说，理想的阶跃脉冲是不可能实现的，实际脉冲发生器所产生的矩形波电压并不能立即上升和下降，阶跃脉冲的电压由一个电平变化到另一个电平必定要占用时间，使得电压上升有一定的过程，对于电压上升和下降的过程，我们定义了上升时间和下降时间：

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。

22

脉冲上升和下降的时间会影响到超声脉冲波形和TOFD检测精度以及分辨率，因此要求尽可能短，这一时间越短，则阶跃脉冲的高频谐波成份越多。 2.6.3 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。

23

第三章 TOFD技术的工艺知识

3.1

探头的一般要求

与常规脉冲反射技术使用的超声探头不同，TOFD技术所使用的探头不要求小的扩散角和好的声束方向性。恰恰相反，由于TOFD检测利用的是波的衍射，在实际探测中衍射信号与反射信号相比方向性弱得多，所以在TOFD技术中我们往往使用小尺寸的晶片，大扩散角的探头，有利于衍射信号的捕捉。

典型的探头结构如图2.1，它包括一个安装在有机玻璃或相似材料的楔块中的压电传感器。选择具有宽频带和短脉冲的压电探头可以得到更高的深度分辨率。通过楔块在金属内形成的纵波，其典型角度为45度、60度或70度。该传感器上配有螺纹，以便更换楔块。探头和楔块之间必须使用耦合剂提高超声波传递效率。这样设计的缺陷是耦合剂最终会因风干而必须及时添加。

通常使用的探头的参数范围如下表：

24

频率 1MHZ – 15MHZ

晶片尺寸 3mm – 20mm 楔块角度（钢中） 45 °– 70° 3.2 探头的扩散角和频率分量计算

3.2.1 声束扩散角计算

在TOFD检测中，当初次扫查时，最重要的设置是声束扩散，因为通常目标是尽可能用少量的扫查次数去检查尽量大体积的金属。因此，计算覆盖范围是非常重要的。声束扩散的数学计算略述如下：

盘状晶片振荡器发出超声波束其半角被定义为：

sinγ=Fλ/D

其中：λ为介质中声波波长，D为晶片直径，F为声束边界截取系数，也称扩散因子。几个常用的F值见下表：

截取波束边缘的声压下降值 F值 下降6dB F = 0.51 下降12dB F = 0.8 下降20dB F = 1.08

探头发出的声束大概描述如下图。探头近场区的情况比较复杂，目前计算假定感兴趣的区域为远场区，则上面的公式是适合的。

25

下表给出了不同频率和晶片尺寸探头的楔块中的波长和波束扩散角数据，已知超声波在某塑料中的声速为2.4mm/μs, 扩散因子F取0.8.

频率（MHZ） 在楔块中的波长（mm） 3 5 10 0.8 0.48 0.24 D = 15 mm 2.45° 1.47° 0.73° 声束扩散角度 D = 10 mm 3.67° 2.20° 1.10° D = 6 mm 6.12° 3.67° 1.83° 不同频率和晶片尺寸探头的楔块中的波长和波束扩散角关系

由表可知，要想得到最大的声束扩散角，则需要使用最低频段、最小尺寸的晶片。

为了获得以典型角度45度，60度或70度进入金属的纵波，与探头探测面相连的有机玻璃／聚苯乙烯的楔块应切削成适当的角度。两个不同的介质边界处的折射角度用Snell定律计算。

c1／c2=sinθ1／sinθ2

26

其中c为速度，θ为法向角度，1，2分别表示介质1和2。

例如钢中声速为5950m／s，楔块中声速为2400m／s，则波束在楔块和钢中对应的角度应为：

楔块中角度(度) 16.57 20.44 22.27 在钢中角度(度) 45° 60° 70°

为计算被测工件中声束扩散，需要执行如下步骤： 1） 为选择金属的声束中心角，计算楔块中入射角度θP

sinθP = sinθLCp/CL

2） 计算楔块中声束扩散角γ

sinγ=Fλ/D=FCp/Df

3） 求出楔块中扩散的上下边界角γ上 = θp＋γ和γ下 = θp－γ 4） 用Snell定律分别求出工件中声束边界角度

sinγL上 = sinγ上CL/CP sinγL下 = sinγ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°× 2.4/5.95 θP =20.44°

计算楔块中纵波的声束扩散角

sinγ = 0.8 ×2.4/6×5 γ = 3.67°

27

计算楔块中纵波的声束上下边界角

γ上 = 20.44 + 3.67 = 24.11 γ下 = 20.44 - 3.67 = 16.77

计算钢中纵波的声束上下边界角

sinθL上 = sin24.11×5.95/2.4; θL上 = 90° sinθL下 = sin16.77×5.95/2.4; θL下 = 45.67°

答案：该纵波斜探头在钢中的-12dB上边界角为90°，下边界角为45.67°

下表给出金属中60度声束中心角时声束扩散的例子

频率（MHz） 钢中60度声束中心角的声束扩散 D = 6mm 3 5 10 40.2°-90.0° 47.3°-84.0° 3.2°-68.5° D = 10mm 47.2°-84.0° 51.9°-70.6° 55.8°-64.8° D = 15mm 51.1°-72.2° 54.5°-66.5° 57.1°-63.1°

表中最大声束扩散是由3 MHz，6 mm直径的晶片得到的，它向右扩散到上表面上(90度折射角)。由Snell定律可知，声束扩散并不关于声束中心对称。随着频率或晶片直径增加，声束扩散迅速减小。下图为一对60度探头波束聚焦在工件三分之二深度处时的声束扩散，从中可以明显地看到这种效果。

虽然参数选择的第一原则是高频率得到高的分辨率和大直径得到较高声束强度，但是在检查的发现缺陷阶段，声束的覆盖范围成为参数选择的第二因素，这促使我们选择低频率和小直径。当缺陷已经发现和确定位置后，就需要优化设置进一步扫查缺陷，以得到最佳的尺寸精度。

28

从图上可以看出，用单一扫查探头配置往往不能对整个焊缝截面进行检测，所以我们经常需要使用多通道扫查。

3.3 不同频率分量在波束中的分布

对于TOFD技术来说，光是考虑中心频率的波束角度是远远不够的，还需要考虑不同频率的超声波分量在波束中的分布。因为TOFD技术采用的是小晶片、宽波束、窄脉冲、宽频带的探头，不仅波束比较宽，而且波束中包含各种不

29

同的波长或不同频率分量的超声波，这些不同频率分量的波对检测均有着不同的影响，因此有必要研究其在波束中的分布情况。

波束中频率分量的计算跟中心频率的波束扩散角计算类似。

已知探头中心频率为5MHz，晶片直径6mm，纵波折射角60°，楔块中声速

2.4mm/μs，钢中声速5.95mm/μs，取-12dB波束边界扩散因子F=0.8，计算在波

束中不同频率分量的边界角。

计算楔块中纵波入射角度

sinθP = sin60°× 2.4/5.95 θP =20.44°

计算楔块中不同频率分量的纵波的声束扩散角

2MHz：sinγ = 0.8 ×2.4/6×2；γ = 9.21° 3MHz：sinγ = 0.8 ×2.4/6×3；γ = 6.12° 4MHz：sinγ = 0.8 ×2.4/6×4；γ = 4.59° 5MHz：sinγ = 0.8 ×2.4/6×5；γ = 3.67° 计算楔块中纵波的每一频率分量纵波的上下边界角

2MHz：γ上 = 20.45 + 9.21 = 29.66°；γ下 = 20.45 – 9.21 = 11.24° 3MHz：γ上 = 20.45 + 6.12 = 26.57°；γ下 = 20.45 – 6.12 = 14.33° 4MHz：γ上 = 20.45 + 4.59 = 25.04°；γ下 = 20.45 – 4.59 = 15.86° 5MHz：γ上 = 20.45 + 3.67 = 24.12°；γ下 = 20.45 – 3.67 = 16.78° 计算钢中每一频率分量折射纵波的上下边界角（SNELL公式）

2MHz：γL上= 90°；γL下 = 28.90° 3MHz：γL上= 90°；γL下 = 37.85° 4MHz：γL上= 90°；γL下 = 42.65°

30

5MHz：γL上= 90°；γL下 = 45.70°

由计算结果可知，频率越高的分量，其-12dB边界角越小，集中在波束中心的附近；频率越低的分量，边界角越大，分散在波束较大的范围。

3.4 扫查方式和信号测量

3.4.1 扫查方式的选择

执行TOFD检查的最常见的方式叫做非平行扫查。这种扫查方式，探头的移动方向是沿着焊缝方向，垂直于声束的方向。它适用于焊缝的快速检测，而且常常在单一通道时使用(见下图a)。非平行扫查的结果称为D扫描（D-scan），它显示的图像是沿着焊缝中心剖开的截面。由于两个探头置于焊缝的两侧，焊缝余高不影响扫查，这种扫查方式效率高，速度快，成本低，操作方便，只需一个人便可以完成。

31

为详细分析检测结果，有时必须进行所谓平行扫查。平行扫查时，将探头放置在检测的指定位置，在探头声束的平面内移动探头。这通常是指垂直于焊缝中心线移动探头，如下图b所示。平行扫查的结果称为B扫描（B-Scan），它显示的图像是跨越焊缝的横截面。在这种扫查方式中，焊缝的余高会明显阻碍探头的移动，从而降低扫查效率。因此大多数情况下都将焊缝的余高打磨平之后再进行扫查。这种扫查方式会在非平行扫查无法得出满意的结果时给一个补充。

现在假设平板焊缝中有一个具有一定长度和高度的未熔合缺陷，则不同的TOFD扫查方式得到的缺陷衍射信号也会有明显不同。在非平行扫查的D扫描结果中，我们可以得到缺陷的长度信息。而平行扫查时，声束并没有扫过缺陷的全长，因此在B扫的结果显示中没有缺陷长度的信息，但是我们可以得到更精确的缺陷高度数据以及缺陷距离焊缝中心的距离。

32

无论是在平行还是在非平行扫查的图形中，缺陷的两端都显示出弧形形状。其原因是缺陷在焊缝中线或两探头连接线中点时声程路径最短，而在离开中线时声程路径又变长。因此我们需要特殊的测量工具弧形光标来拟合缺陷端点的弧形，以便得出比较精确的缺陷相关数据。 3.4.2 信号的位置测量

在TOFD技术中，通常采用光标对信号位置或信号传输时间进行测量。所用的光标工具有两种，一种是十字光标，用来测量A扫信号中的数据，另外一种是抛物线光标，用于从D扫图中测量数据。

对于平板焊缝之类几何形状比较简单的工件，信号位置的测量通常包括三个参数：距离检测面的深度（Z）、平行焊缝方向上距离扫查起始点的距离（X），以及垂直焊缝方向的横向距离（Y）。为保证测量的准确性，在非平行扫查中，需要确定扫查的起始点和扫查的基准线。所谓扫查的基准线也就是在被检测表面作一条平行于焊缝的线，在扫查过程中始终保持探头的入射点到该线的距离保持不变。使用非平行扫查无法得到信号的横向距离（Y），需要的话应该进行平行扫查。

1. 测量距离检测面的深度参数（Z）

参数Z主要用来确定信号距离检测面的深度和缺陷高度。

我们可以使用十字光标来进行深度测定。首先将光标置于A扫直通波的起始位置，记录下相应的时间值。然后将光标置于缺陷波的起始位置，再次记录下对应的时间。如果已经输入了工件中的声速和探头间距，则计算机会自动计算并显示出缺陷的深度。在缺陷非常接近检测表面的情况下，缺陷信号可能会被掩盖在直通波下面而变得难以测量，但是如果从D扫图像中观察，一般还是可以看见缺陷端点的衍射信号，此时应该从D扫图中测量深度，将抛物线光标与缺陷端点的信号拟合就可以了。为了保证准确性，要求抛物线光标的形状在每个不同深度的工件上都要进行重新校准。否则在近表面区域，抛物线形状很小的变化都会引起较大的误差。 2. 测量沿扫查线的位置参数（X）

参数X用于确定信号沿着扫查线的位置和缺陷的长度。

测量参数X必须先确定扫查的起始点，当探头移动的时候，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一个A扫信号的X参数。

33

3. 测量横向距离参数（Y）

用一对探头进行非平行扫查的时候无法测定横向位置参数（Y），如果需要得到参数Y，则要在缺陷的上方进行平行扫查。

进行平行扫查时首先要确定扫查的起始点，以扫查前两探头中间的对称点为位置零点，扫查过程中使用编码器记录下探头移动过程中每一个A扫信号相对起始点的位置。在平行扫查的记录上用光标测量信号的声程最小位置，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值。

3.5 TOFD技术的盲区和扫查误差

在进行TOFD技术扫查时，扫查的结果经常会受到盲区和一些误差的影响，这也是我们在扫查过程中要特别注意的问题。

1） 所谓盲区是指在TOFD扫查时，被测工件中不能被扫查到的区域。前面

提到，TOFD扫查技术对于近表面的缺陷是不可靠的，对于上表面缺陷，可能因为缺陷隐藏在直通波下面而被漏检，由此形成的近表面盲区可以称之为直通波盲区，而下表面缺陷可能被底面反射波淹没而漏检，相应的盲区可以称之为底面盲区；

2） 缺陷测量的误差则包括缺陷位置（深度）的测量误差以及缺陷高度和长

度的测量误差。

通过采用下面的措施，可以减小近表面盲区的影响，提高测量精度。 （1） 减小PCS； （2） 增加数字化频率； （3） 使用高频探头；

（4） 使用短脉冲宽频带的探头。

根据下图可以看出，在不同位置的点产生的衍射轨迹会有相同的传输时间，也就是说我们得到的缺陷高度与实际高度是可能存在误差的，但是在理论上和实际上，这个误差不会大于壁厚的10%，焊缝内部缺陷的高度估计误差是可以忽略的。

这里关键的一点不是高度误差，而是位置误差，通过一次TOFD扫查，我们是无法知道这个缺陷是在焊缝中心线的左边、右边，还是恰好在中间，这时就需要通过其它方法来定位了，比如在缺陷位置采用平行扫查方式，或者做偏置非平行扫查，或者用脉冲回波法对缺陷位置进行校核。

34

3.6 相关信号的传播时间和深度计算

通过三角运算可以由脉冲到达时间计算出信号的深度。尖端信号定位也提供了实际缺陷的尺寸及低于扫查面深度估算的信息。

如下图所示，反射体对称地位于探头下面时，反射体上尖端衍射波在两个探头之间传播距离如下：

距离=2(s2+d2)l／2

其中s为探头中心距(PCS)一半，单位为mm。d为反射体深度，单位为mm。 因此以μs为单位，传播时间T为： T=2(s2+d2)l／2／c

其中c为声速，单位mm/μs。

因此通过上面的等式变换，反射体上尖端深度可表示为测量时间的函数：

d=((ct/2)2-s2)1/2

35

假设：用以上的公式对观察到的信号进行深度计算时，它总是假定缺陷尖端对称地位于两个探头之间。但反射体并不总是对称地位于探头之下，此时计算的深度将会存在误差(对于沿焊缝非平行扫描)，一般称为轴偏移误差。然而，在大多数情况下，对于单个“V”型焊缝的轴偏移误差可以忽略。

TOFD检测技术的典型深度测量误差为±l mm，但在监测裂纹生长情况时使用同一探头和设备，其重复检查的典型误差减至±0.3 mm。对于一发一收的探头装置，深度和时间之间的关系不是线性的，这一点从上面的方程中存在二次项可以看出。软件可以通过线性化处理把采集到的B扫描或D扫描转换成线性深度。这种线性深度的B或D扫描适合作为检测报告中的图例。在分析数据时，更常用的方法是将采集的原始数据绘制在时间轴上。因为靠近扫查表面的反射体声传播路径几乎水平，时间上微小的变化代表了深度上大的变化。因此，将深度数据转换为线性尺度会成比例地扩展近表面信号和直通波。另一种深度测量方法是在原始数据上使用游标，读出当前位置的深度。

36

3.7 TOFD相关的时间窗口计算

实际操作中的深度计算需要考虑声波穿过探头楔块引起的额外的测量时间延迟。这个延迟即探头延时2t0(us)。因此测量的总的传播时间t，实际由下式给出：

t=2(s2+d2)1／2／c+2t0 缺陷深度为： d=[( c/2)2(t-2t0)2-s2]1/2

直通波信号出现在t1时刻，即： t1=2s／c+2t0

底面回波出现在tb时刻，即： tb=2(s2+D2)1／2／c+2 t0 其中D为试样厚度。

如果己知探头中心距(PCS)为2s，试样厚度为D，通过变换，可以得到探头延时和声速两个方程，

c=[2(s2+D2)1／2-2s]／(tb- t1) 和 2 t0= tb -2(s2+D2)1／2／c

因此推荐的深度测量方法是测量探头中心距(PCS)及样品厚度，并在开始扫查前将这些值输入文件头中，再用B或D扫描方式对样品进行扫查，分析图谱时使用相关的软件，首先测量直通波及底波信号到达的时间，然后让电脑自动计算探头延迟和速度，那么图像中每一个光标位置的深度都可以计算。如果没有直通波及底波信号，而只有一个信号用于校准，则必须输入声速和探头延迟值。

探头中心距(PCS)可通过在两个探头上标记点间距离来进行测量。

3.8 探头的选择

3.8.1 PCS的设定

除非指定特定的焊缝区域，否则通常采用2／3厚度规则作为首次检查的探

37

头中心距(PCS)的设置，即双探头的声束会聚点位于距离表面2／3厚度的深度处。在试样检测中覆盖区不够时，需要使用不止一对的TOFD探头，并分别调整探头中心距(PCS)来优化每对探头的覆盖区。当指定某一特定区域时，如焊缝根部，则设置探头中心距(PCS)聚焦在该特定深度。如果工件厚度是D，探头楔块角度为θ，对于2／3厚度的标准情况，探头中心距(PCS)应按如下公式计算：

2s=4／3 Dtanθ

当聚焦深度要求为d时，探头中心距(PCS)可由下式求出： 2s=2d tanθ 3.8.2 探头角度的选择

我们首先来考虑直通波和底面回波信号的时间区间，因为这是重要的记录区域。该时间范围可以简单地表示为两个信号声程之差，即：

△t = 2(s2+D2)1／2／c－2s／c

下表给出一些壁厚40mm且探头聚焦在2／3厚度处的例子：

探头中心距(PCS)（mm） 直通波 (μs) 底面回波(μs) 时间范围(μs) 工件中的角度 45 48.0 8.1 15.7 7.6 60 83.2 13.0 19.4 5.42 70 132.0 22.2 25.9 3.8 直通波和底面回波信号之间的时间区间

根据表格可以看出，探头角度越小，直通波与底面波的时间差越大，那么沿时间轴的信号清晰度也越好，深度测量也越精确。

探头角度的选择还必须考虑其他两个因素。第一，衍射的最佳角度是60至70度；第二，对于厚壁试样，大角度下的探头中心距(PCS)很宽，信号的波幅将

38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pus.html