5-TOFD – 超声波衍射时差法
[超声波衍射时差法(TOFD)检测中参数设定的研究]超声波衍射时差法
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[超声波衍射时差法（TOFD）检测中参数设定的研究]超声波衍射时差法摘?要在TOFD检测过程中，相关参数的设置非常为重要，关系到采集图谱质量的好坏。
下面，就结合现场情况，把TOFD检测实践中的一些见解归纳分析一下，主要以ISONIC系列仪器进行研究。
关键词 TOFD检测；ISONIC；参数设定；研究TN914 A 1673-9671-(xx)071-0198-011 TOFD检测中的参数设置的重要性TOFD检测扫描前主要注意的参数有：探头真实频率，脉冲宽度，重复频率，阻抗，感抗，滤波频率，信号平均值，时间窗口，增益等参数。
脉冲宽度是非常重要的，它有助于优化接受信号的形状。
改变脉冲宽度可以导致不同周期部分减弱或加强。
如果想使两个超声脉冲组成单一频率的信号，则应将脉冲宽度设置为所用探头频率周期的一半（例：5 MHz时使用100 ns）；为了使信号持续最低周期数，应将脉冲宽度设置为所用探头频率的一个周期（例：5 MHz时使用200 ns）。
其中探头频率必须是探头实际频率，而不是探头的标称频率。
在实际工作中必须通过试验来获得最优脉冲宽度。
如果使用手动采集数据，则需要注意脉冲重复频率PRF与探头移动速度必须相匹配，由于手动扫查时计算机不能判断和控制探头移动，只能由操作者正确选择PRF来保证能正常采集A扫数据。
若采用编码器或者电机驱动，则PRF相对不重要，因计算机可以计算出探头位置，在规定的A扫采样率间隔采集数据。
若PRF设置不当时将采集到空白A扫。
阻抗Tuning项匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。
对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。
在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。
感抗damping项的单位是欧。
知道了交流电的频率f（Hz）和线圈的电感L（H），就可以把感抗计算出来。
在实际调节射频波波幅时，需要不断地改变感抗值来选择最优波幅，使图谱效果达到最佳。
无损检测技术衍射时差法超声TOFD检测基本原理
无损检测技术衍射时差法超声TOFD检测基本原理无损检测（Nondestructive Testing，简称NDT）技术是一种应用于工程领域的检测方法，其目的是在不损伤被测物体的情况下获得其内部和表面的缺陷信息，以判断材料的质量和可靠性。
衍射时差法超声TOFD（Time of Flight Diffraction）是无损检测中一种常用的超声检测技术，它通过分析超声波在被测物体内部的衍射图样和所传播时间的差异来确定缺陷的位置和尺寸。
衍射时差法超声TOFD检测的基本原理如下：1.超声波传播：超声波在被检测材料内部的传播速度是已知的，传播路径是直线传播的。
超声波发射器发射出短脉冲的超声波信号，经过材料中的声阻抗不一致表面发生反射；然后通过被检材料内部传播，当超声波遇到缺陷时，会部分反射、散射和透射；最后，超声波信号达到接收器并被记录。
2.衍射现象：当超声波遇到边界或缺陷时，会发生衍射现象。
衍射现象是指波通过开口或缝隙时，从波的前向运动方向上的边界或缝隙中发射出去一部分。
3.TOFD测量：TOFD测量的关键在于将两个特征回波的衍射声波进行时间差测量。
超声波发射器和接收器之间有一对平行排列的接收器，其中一个接收器用于接收来自发射器产生的超声波的第一个回波，另一个接收器用于接收来自发射器产生的超声波的第二个回波。
4.TOFD信号分析：通过同时接收两个回波，并测量二者之间的时间差，可以确定缺陷的位置和尺寸。
当超声波传播到缺陷区域时，由于缺陷的存在，衍射声波将被传播到两个接收器之间。
通过测量两个回波的时间差，可以计算出衍射声波的传播路径，从而确定缺陷的位置。
5.结果分析：将TOFD信号进行处理和分析，可以得到缺陷的尺寸、位置和形态。
同时，根据TOFD原理的高度灵敏度特点，可以检测到非常小的缺陷。
衍射时差法超声TOFD检测技术具有以下优点：1.高敏感性：TOFD检测技术可以检测到相对较小的缺陷，对大多数工程材料和结构缺陷的检测效果非常好。
超声波衍射时差法(TOFD)检测过程控制要点
超声波衍射时差法(TOFD)检测过程控制要点超声波衍射时差法(TOFD)是采用一发一收探头，利用缺陷端点的衍射波信号探测缺陷和测定缺陷尺寸的一种超声检测技术，其对垂直于探测面缺陷的尺寸测量具有独特的优势，在结构焊缝检测上的应用已经较为成熟。
随着国内标准NB/T 47013.10-2010《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》的颁布，TOFD检测技术在国内得到迅速推广。
TOFD检测不是一个基于幅度响应的超声检测技术，但需要足够的灵敏度以使待检测的缺陷能够被识别。
TOFD检测的一个弱点是检测面和底面附近存在盲区，为了确保声束覆盖检测区域，必须在确定检测工艺时考虑这一因素。
探头选择和探头配置很大程度上决定着TOFD检测技术的整体精度、信噪比和覆盖区域。
进行仪器设置是为了确保足够的系统增益和信噪比，以便发现所关注的衍射信号，确保分辨力可接受、声束能够覆盖所关注的区域以及系统动态范围的有效使用。
TOFD检测过程和现场评审中有以下几点需要重点关注：一、检测区域覆盖根据任务要求的检测区域和检测级别，首先通过选择探头角度、测定探头前沿及声束扩散角来确定探头组合和间距，并根据厚度决定是否需要分区检测。
然后进行上下面盲区的确认，以决定是否需要补充超声横波检测，或偏置非平行扫查。
二、数据采样间距进行TOFD扫查时，沿扫查方向的数据采样间距在各标准中有明确规定。
三、仪器设置和验证1．灵敏度:TOFD检测不是基于幅度对缺陷进行当量评定的检测技术，TOFD检测灵敏度的设置方式也与常规超声不同，不是以人工缺陷的幅度作为基准。
灵敏度的设置只是为了保证信号幅度在一定范围内，并具有较高的信噪比。
通常要求直通波高度为满刻度的40%~90%，或在底波80%的基础上再增益20~32dB，或噪声在满刻度的5%~10%。
有时标准会要求在试块上验证探头指定区域缺陷的检出性。
2．深度校准:TOFD检测中，探头接收的信号到达时间与反射体的深度并不是线性关系，反射体的深度是在假定信号位于两探头中心的正下方的情况下，依据已知的声速和信号与直通波的时间差由软件自动计算得到的。
超声波衍射时差法(TOFD)与超声波相控阵检测方法对比
摘要:超声波衍射时差法，即Time Of Flight Diffraction(TOFD)，是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，用于缺陷的检测、定量和定位。
该技术已经在我国得到了广泛的应用，后来在无损检领域又兴起了一项新的检测方法，即超声波相控阵检测方法，这项新技术已经在医疗领域得到了广泛的应用，本文主要是对这两项检测技术进行简要对比。
关键词:超声波衍射时差法（TOFD）超声波相控阵对比目前我国无损检领域应用最广泛的是TOFD技术，业界人士已经普遍认可了TOFD技术，这项技术在我国的工业领域已经有了数不胜数的成功案例。
21世纪初，我国引入了Isonic系列便携式超声波成像检测系统（以色列的IsonotronNDT公司出品），经由一系列的实际的对比以及验证加之不断改进和创新了的扫查器系统，TOFD技术被更多的应用到各工业现场检测中。
TOFD方法具有超声成像技术，它通过采用一发一收探头布置，然后要求相应的探头入射点间距离，在平板对接焊缝、环焊缝及直径大于500mm的纵缝中厚板检测方面具有很大的优势，但是该技术也存在一些弊端，比如对于复杂几何形状的结构件、焊缝检测盲区等束手无策。
到目前为止超声相控阵技术已经在我国发展了20年，在早期主要应用在医疗领域，利用该技术可以在实际的医学超声成像中对被检器官进行成像，有益于医学的不断发展和进步，但是由于很多客观因素的限制，比如系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等，使得该技术的应用面受限。
在这种情况下，在超声相控阵成像领域应用压电复合材料、数据处理分析等高新技术是大势所趋，未来超声相控阵检测技术一定会得到更加广泛的应用。
超声相控阵是采用多晶片控制声束聚焦技术，探头可以在同一位置实现很大声束及角度范围内的电子扫查，适用于复杂几何形状结构件的检测。
下面对TOFD和相控阵的检测技术做简要对比。
1TOFD的技术特点1.1TOFD的优点TOFD技术不仅具有很强的缺陷检出能力，还具有很高的缺陷定量精度，除此之外还具有很高的时效性和安全性，可永久保存其检测数据。
超声波衍射时差(TOFD)技术 ppt课件
ppt课件 4
TOFD技术概念
TOFD技术,即Time of flight diffraction technique,超声波衍射 时差检测技术． 概念：
超声波衍射时差法,是采用一发一收两只探头,利用 缺陷端点处的衍射信号探测和测定缺陷尺寸的一 种自动超声检测方法．
发展条件： 因其原理与传统检测方式有很多不同，弥补了传统方法 的不足之处．
ppt课件 17
复合压电晶片
优点: 1.横向振动很弱,串扰声压小 2.机械品质因子Q值低 3.带宽大(80~100%) 4.机电耦合系数值大 5.灵敏度高,信噪比优于普通PZT探头 6.在较大温度范围内特性稳定 7.可加工形状复杂的探头 8.易与声阻抗不同的材料匹配 9.可通过陶瓷体积率的变化,调节超声波灵敏度
发射探头
接收探头
+ _
+ _
根据理论和实验证明，如果两个衍射信号的相位相反，则在两个信号间一定存在一 个连续不间断的缺陷。因此识别相位变化对于评定缺陷尺寸非常重要。利用上、下 端点的时间差来计算缺陷深度和自身高度是TOFD探伤最重要的部分
*注在一些特殊情况下，例如气孔，小夹渣之类的缺陷
ppt课件 由于几何尺寸太小不会产生两个分离的端点信号 24
实际上: 绝对深度的最大误差低于壁厚8 %. 内部（小）缺陷的高度估计误差是可以忽略的 。
ppt课件
30
平行扫查
平行扫查时，扩散声 束作用于缺陷时的衍 射信号传播时间较长 ，而当缺陷位于主声 束中心时即当探头相 对于缺陷处于对称位 置时，传播时间最短 。因此会形成一个抛 物线，抛物线的顶点 处所计算的深度为缺 陷实际深度
ppt课件 18
多点声源同时激发，产生大扩散声束，由于声束是 由多个声源在不同位置相互干涉和叠加形成，因此 主声束与扩散声束之间的能量差异不像单晶片探头 那么明显，从而达到大范围的扫查。
TOFD(衍射时差法)的原理及应用[1]
![TOFD(衍射时差法)的原理及应用[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/b53dae3e0912a2161479295c.png)
一TOFD原理超声TOFD（Time of Flight Diffraction Technique –衍射时差法）技术就是用两个探头相向对置，一发一收，利用缺陷端部产生的散射波和衍射波，来检测出缺陷和评定缺陷的方法。
下图即表示TOFD法的探伤原理、探伤波形的模式图。
（a）TOFD原理图（b）波形图图（a）中，①为发射探头发射横向纵波沿试件表面传播的正向侧向波（Lateral wave），它是区分和测量缺陷的参考。
④为底面负向反射波（Back-wall reflection），当有裂纹缺陷存在时，在①④间会接收到缺陷上端的负向衍射波②（Upper Crack Tip Signal）和缺陷下端的正向衍射波③（Lower Crack TipSignal ）。
这里只考虑纵波声速V ，忽略缺陷处的波形变换产生的横波等。
说明：TOFD 技术采用一发一收的方式，通常使用高阻压、窄脉冲压力探头，主压力波的反射角范围是45º至70º。
假定两探头间的距离为S ，试件的厚度为H ，裂纹在试件厚度方向的高度为L ，裂纹上端距离试件表面的埋藏深度为D ，沿试件表面传播的侧向波的接收时间为t L , 接收到缺陷上端的负向衍射波的时间为t 1，接收到缺陷下端的正向衍射波的时间为t 2，接收到底面负向反射波的时间为t BW 。
试件的纵波声速为V 。
则：CS t L = CS D t 2214+= CS L D t 222)(4++= CS H t BW224+= 根据以上各个时间可以求出： 裂纹上端距离试件表面的埋藏深度 222121S C t D -=裂纹在试件厚度方向的高度 D S C t L --=222221二 TOFD 应用超声TOFD 法之所以引人注目，是由于此法对缺陷检测、定位、定量较一般的波幅法容易、直观，且有客观记录。
这对在役设备检测中的缺陷评价特别有价值。
如果结合常规的缺陷测长方法，就可掌握缺陷二维形状，就可利用断裂力学对被检测设备进行寿命评价。
浅谈超声衍射时差法TOFD检测技术
４超声ＴＯＦＤ扫描方式及波形成像特征
对ＴＯＦＤ缺陷成像的图形进行分析，进而对缺陷定 性、定量。
首先，依据缺陷成像的形状对缺陷进行定性分析，
要多个ＴＯＦＤ探头组，此时可能看不到表面波或底面回
区分缺陷为何种形式。例如，熔焊试件的主要缺陷有气
波，应通过计算对壁厚进行合理分区，不同区域分别采 用ＴＯＦＤ探头组扫查。在检测奥氏体或高衰减的材料时，
ｌ超声ＴＯＦＤ检测基本原理
超声ＴＯＦＤ检测方法的物理基础是惠更斯原理。
９６航窄制造技术·２００９年增刑
万方数据
惠更斯原理由荷兰物理学家惠更斯于１６９０年提出。该 原理指出，介质中的波动传到的各点，都可以看作是发 射声波的新波源（或称次波源），以后时刻的波阵面，可 由这些新波源发出的子波波前的包络面做出。
描为主，Ｂ扫描为辅，可以利用相位信息有效地检测出 缺陷。有时遇到Ｄ扫描或Ｂ扫描得到的图像比较模糊， 又要求对缺陷长度进行定量，此时需要对得到的灰度图 进行数字化处理。常用的数字化处理方法有：利用中值 滤波保护图像边缘，同时去除噪声；利用双曲线指针来 拟合缺陷的边缘；直通波或底波的拉直；直通波或底波 的消除等。ＡＳＴＭ标准Ｅ２３７３—２００４中提到结合双轴曲 线捏合运算或合成孔径聚焦技术（ｓＡ盯）改善缺陷长度 方向定量。
Ｆｉｇ．５ ＴＯＦＤ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
很多因素影响ＴＯＦＤ的检测效果，在实际检测中需 要一一加以考虑。
TOFD–超声波衍射时差法培训课件
TOFD检测技术的优势
高效性
TOFD检测技术具有高效性，能够快速准确 地检测出缺陷的位损伤，使用安全。
可靠性
由于其非接触性，TOFD检测技术不易受到 外界因素的干扰，检测结果可靠。
可视化
TOFD检测技术能够提供高清晰度的图像， 使缺陷可视化。
检测设备的组成
01
02
03
04
发射器
产生高频超声波信号，发射到 被检测物体上。
接收器
接收从被检测物体反射回来的 超声波信号。
控制器
控制发射器和接收器的操作， 处理和显示检测数据。
显示器
显示检测结果，便于观察和分 析。
检测设备的操作流程
准备工作
检查设备是否完好，确定被检测物体 的材质、尺寸和形状等参数。
检测设备的维护与保养
定期清洁
定期清洁发射器和接收器的探 头表面，保持清洁以免影响检
测结果。
检查电缆
定期检查电缆是否完好，如有 破损应及时更换。
定期校准
定期对设备进行校准，确保检 测结果的准确性。
存储环境
保持设备存储环境的干燥、通 风，避免高温和潮湿等恶劣环
境。
03
TOFD检测技术在实际应用 中的优势与局限性
与其他技术的融合
分析TOFD技术与其他无损 检测技术的融合应用，提 高检测效率和准确性。
应用领域的拓展
展望TOFD技术在更多领域 的应用前景，如航空航天、 新能源等领域。
如何将TOFD技术更好地应用于实际工作中
实践操作技巧
分享实际操作中的技巧和经验，提高 检测效率和准确性。
与其他技术的协同工作
标准与规范的学习
设备操作与维护
讲解了TOFD设备的操作 步骤、日常维护和常见故 障排除，确保学员能够熟 练操作和维护设备。
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根部内凹
1
1
2
2 3
3
• 底面回波产生变形
层间未熔合
1 2 3
TOFD +脉冲回波
技术描述
数据浏览 检测结果 优点
技术描述
TOFD PE 45 SW PE 60 SW
多通道系统允许TOFD和脉冲回波同时进 行检测和分析。
TOFD&P/E 数据浏览
探头移动方向
45-SW(左)
在一幅好的 TOFD图 上可以清晰地看到直 通波。 一般用于校 准。 如果待检表面比较干 净缺陷信号比较 明 显。 内壁反射很强。
典型TOFD 成像
直通波
底面回波
不同类型缺陷在TOFD中的显示
近表面裂纹
1 2
1
2
裂纹阻挡了直通波，下尖端衍射信号显示在A-扫描中。
根部未焊透
2 3 4
1
1
2
3
4
d
t0
t
2
S
2
d
2
c
2t
0
缺陷深度
S
发射探头
S
接收探头
t0
d
t0
c 2 2 d t 2t0 S 2
2
缺陷自身高度
2S
发射探头 接收探头
d1 d2
h d 2 d1
由于计算自身高度只需要测量时间, 所以垂直方向定量会很准确。 实际操作中 ，检测裂纹 1-mm 的精度是完全可以达到的 (检测人工缺陷时可以达到0.1 mm ) 。
D-scan
测量工具
A扫
d1
h
d1 t1 t2
指针
内置的计算器 l t1,t2 自动计算d1, d2 和 h
P
D扫
缺陷位置的影响
S
发射探头
S
接收探头
t0
d
t0
x
缺陷位置的不确切性
S
发射探头
S
接收探头
t1
dmin dmax t2
相等时间的轨迹 (t1+t2=ct)
实际上: 绝对深度的最大误差低于壁厚10 %. 内部（小）缺陷的高度估计误差是可以忽略的 。
100%焊缝覆盖。 沿焊缝作一维扫查，具有较高的检测速 度。 缺陷定量、定位精度高。 根据TOFD可进行ECA分析（缺陷寿命 评估）。
TOFD 的局限性
在上、下表面附近盲区
对“噪声”敏感 夸大了一些良性的缺陷, 如气孔, 冷夹层,
内部未熔合。 解释比较困难 注意标准问题 (有待解决)
横向扫查
当探头相对于 缺陷对称时时 间最短 。
横向波
上表面
内壁
B扫 这种扫查会产生典型的 反向抛物线
校准
PCS t0 T PCS（探头入射点间 距离）, 壁厚, 速度, 探头延时, 横向波或 内壁反射信号 t0 A扫
c
LW
BW
典型的多通道UT仪器用户界 面友好 ，还有软件向导。
D扫
TOFD 扫查图
尖端信号
水平方向的平面形缺陷
(层间未熔, 冷夹层)
发射探头 接收探头
横向波 反射信号
内壁反射波
LW BW
反射回波
数据显示
波幅 + 白色
时间
-
黑色
时间 A扫图用带黑度的线表示
数据显示
LW A扫
B扫
BW
上表面
内壁
校准工具
PCS t0 T t0 A扫
c
LW
BW
PCS（探头入射点间 距离）, 壁厚, 速度, 探头延时, 横向波或 内壁反射信号 不需要知道所有的参数
接收探头
耦合剂厚度变化 时间改变
横向波线性化
发射探头 横向波
接收探头
探头间距有小的变化 时间改变
TOFD可靠性
•意大利SAIPEM公司 经过研究表明 TOFD 检出率较高
•将 TOFD 和脉冲反 射法相结合时检出率 更高
rce: Sonomatic
TOFD的优点
对于焊缝中部缺陷检出率很高 容易检出方向性不好的缺陷 可以识别向表面延伸的缺陷 采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现
TOFD培训教程
TOFD – 超声波衍射时差法
也叫 “裂纹端点衍射法” 或 “尖端反射法”
info@ •
什么是 TOFD?
衍射时差法 (TOFD)是一种依靠从待检试
件内部结构（主要是指缺陷）的“端角 ” 和“端点”处得到的衍射能量来检测 缺陷的方法。
折射波
裂纹
衍射波
衍射现象
惠更斯原理:
入射波使缺陷产生振动。
缺陷上的每一个点都 产生出一个球面子波 。
衍射现象
入射波 衍射波
向各个方向传播 折射波 裂纹 能量低 衍射方向不取决 于入射角
衍射波
TOFD的基本原理
info@ •
TOFD: 典型的设置
注意上下尖端的两个信号
根部未熔合
1
1 2 3
2 3
注意直通波和缺陷信号之间的波形相位转换
根部裂纹
1 2 3
1 2
3 1 2 3 缺陷造成底面回波信号减弱
侧壁未熔合
1
1 2 3 4
2 3 4
注意上下尖端的两个信号
气孔
1
2 1
3
2
密集型气孔
横向裂纹
1
1
2
1 2 3
2
3
4
3
在直通波上我们可以看到宽波束在缺陷上的反映。
Source: NDT On-line
TOFD – 认可
TOFD 已经得到ASTM E2373-04，ASME
VIII Code 2235， CEN ENV 583-6 (2000) ， BS 7706 (1993)等标准的认可。 TOFD 对于判定缺陷的真实性和准确定 量上十分有效。 同时， TOFD 可以和脉冲反射法相互取 长补短。 例如， 检出焊缝中部的缺陷， 判断缺陷是否向表面延伸等就是它的强 项。
一些典型缺陷
向外表面延伸的缺陷
向内表面延伸的缺陷
水平方向的平面形缺陷
info@ •
向外表面延伸的裂纹
发射探头
横向波被隔开了
接收探头
内壁反射波
BW 没有横向波
裂纹尖端
向内表面延伸的裂纹
发射探头 接收探头
横向波
内壁反射信号被隔开了 LW
没有内壁 反射波
60 SW (左）
TOFD
60-SW(右)
45-SW(右)
检测结果
TOFD不能发现该处的根部缺陷，但P/E可以发现。
检测结果
TOFD
相控阵 俯视图 侧视图 断面视图
技术描述 (2) 区域划分技术
ADD drawing
检测结果
相控阵 (带状图)
TOFD (D-扫描)
横向波线性化
发射探头 横向波
TOFD结语
TOFD设置正确时是一种很好的缺陷定量
和定位方法； 根据标准和检出率的要求把TOFD和脉冲 反射法相结合。
发射探头 横向波
接收探头
上端点
下端点
内壁反射信号
A扫信号
发射探头 接收探头
横向波
内壁反射波 LW
BW
上端点
下端点
相位变化
横向波
内壁反射波
+
LW -
+ -
BW
上端点 下端点 需要不检波的A扫来显示相位的变化
传播时间
S
发射探头
S
接收探头
t0
d
t0
始脉冲
LW BW
t
传播时间
S
发射探头
S
接收探头
t0
衍射时差技术
TOFD发展简史
衍射现象 TOFD原理 实际操作 标准
TOFD优点和局限性
TOFD发展简史
七十年代中期由 UKAEA Harwell 发现的
定量很准 – 成为了一种标准的定量技术 在九十年代初，线形 TOFD 开始用于管
线 单独使用TOFD的检出率很高
衍射现象
入射波 衍射波