超声衍射时差(TOFD)技术原理简介(含图表)
TOFD(杜迎九唐勇)
最小采样数
• 为了使数字化采样得到的波形能生成 一个正弦曲线，一个周期内至少需要2 个采样点
2个采样点形成的曲线可能产生错误
理想状态的最小采样数
5个采样点
每隔20%有一个采样点
数字化采集的优点：扫查过程中、每个检测点、完整、未修正
、A-扫信息。 1.能够实现海量数据的长期保存； 2.便于采取各种信号处理操作，例如多样的可视化显示、信号增强、平 均、叠加等； 3.取用、再分析、通讯传输方便； 4.精度高，抗干扰性强。
裂纹上尖端的信号
θ 度数 衍射波波幅随着角度变化的曲线
TOFD基本设臵
发射探头
直通波
接收探头
直通波(LW)
底面反射信号 底面反射波(BW)
缺陷上端点衍射波 缺陷下端点衍射波 射频A扫信号相位的变化
TOFD检测用探头及探测系统
• TOFD检测用探头
• TOFD检测的探测系统
TOFD检测探头
采用纵波进行TOFD检测原因
非平行扫查中有一种特殊的扫查，探头在焊缝两边不对称放臵， 扫查方向与超声波束方向不平行,这种特殊扫查被称为偏臵非平行扫查 例如解决轴偏离底面盲区问题。当工件的底面的焊缝较宽时，为 提高焊缝底面熔合区和热影响区的缺陷检出率就需要采用偏臵非平行 扫查。
焊缝底面宽度过宽的情况 偏臵非平行扫查可以减小底面盲区
TOFD(超声时差衍射法) 检测技术原理及其应用
杜迎九 唐勇
一.原理 Time-Of-Flight-Diffraction
衍射现象
• 衍射现象发生在缺陷的尖端
• 衍射现象要求缺陷和周围介质的声阻抗不 同
尖端衍射
• 尖端衍射示意图
纵波斜探头
缺陷尖端衍 射波
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(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。
TOFD–超声波衍射时差法
TOFD–超声波衍射时差法超声波衍射时差法（TOFD）是一种非破坏性检测技术，常用于测量材料中的缺陷尺寸和位置。
TOFD基于超声波传播的原理，通过计算超声波信号的到达时间差来确定材料中的缺陷。
TOFD的原理是利用超声波在材料中的传播速度来测量缺陷。
当超声波传播到材料中的缺陷时，它将发生衍射现象，这导致超声波信号的出射角度和到达时间发生变化。
通过测量这些角度和时间的变化，可以计算出缺陷的尺寸和位置。
TOFD的检测设备包括一个超声波发射器和一个接收器。
发射器将超声波信号发送到被测材料上，接收器接收反射回来的信号。
接收器上的传感器测量信号的到达时间，并将数据发送给计算机进行处理。
TOFD的步骤如下：1.准备工作：确保被测材料表面清洁，并涂上耦合剂以方便超声波的传播。
2.发送超声波信号：发射器发送超声波信号，信号穿过被测材料并遇到任何缺陷。
3.接收超声波信号：接收器接收被缺陷反射的超声波信号，传感器测量信号的到达时间。
4.数据处理：计算机接收到传感器测量的到达时间数据后，使用TOFD原理计算缺陷的尺寸和位置。
TOFD的优点是能够提供准确而详细的缺陷信息。
它可以测量缺陷的尺寸和位置，并且在一次扫描中能够检测到多个缺陷。
此外，TOFD对材料的表面和涂层厚度没有严格要求，适用于不同类型的材料。
然而，TOFD也有一些限制。
首先，TOFD需要高度训练的操作员才能正确操作设备和解读结果。
此外，材料的形状和尺寸可能会影响到信号的传播，导致检测不准确。
此外，TOFD对材料的密度和声波传播速度也有一定要求。
总之，超声波衍射时差法是一种非破坏性检测技术，通过计算超声波信号的到达时间差来确定材料中的缺陷尺寸和位置。
它可以提供准确而详细的缺陷信息，适用于不同类型的材料。
然而，正确操作设备和解读结果需要高度训练的操作员，且对材料的形状、尺寸、密度和声波传播速度有一定要求。
TOFD超声波衍射时差法教程(共90张PPT)
➢ 4. 利用TOFD技术探伤沿焊缝进行扫查基本能发现焊缝所有缺陷， 收集扫查数据组成B扫或D扫图像比单纯看A扫更容易判断缺陷的 尺寸和性质。
缺陷位置的不确切性
S
发射探头
S
接收探头
t1
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 。
dmin dmax
TOFD扫查模式
➢ 平行扫查:又称横向扫查,是指扫查方向与超声波束方向是平行的,扫 查结果称为B-scan,所得结果主要是Ｙ轴和Ｚ轴方向值．该扫查方 法能为我们提供很准确的深度结果，但因扫查时探头须越过焊缝， 操作起来相对烦琐．
➢ 2）TOFD技术可探测的厚度大，对厚板探伤的效果比较明显， 但射线对厚板的穿透能力非常有限
➢ 3）TOFD技术检测缺陷的能力非常强，特殊的探伤方式使 其具有相当高的检出率，约90%左右，而相比之下，射线检 测的检出率稍低，大约75%，在实际工作中，我们也发现有 TOFD检测出来的缺陷，X射线未能发现的情况，这给质量 控制带来了极大的隐患。
探头频率，晶片尺寸，探头角度，探头对数，扫查次数等． ➢ 设置探头间距：
根据工件及探头的选择情况计算并设置探头中心间距． ➢ Ａ扫描采集参数选择：
激发脉冲宽度设置，时间窗口的设置，阻尼设置等．
➢ 增益设置： 根据工件实际情况选择合适检测灵敏度．
TOFD检测中探头的选择
➢ 探头角度 ➢ 探头频率 ➢ 探头晶片尺寸 ➢ 探头对数选择
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超声衍射时差（TOFD）技术原理简介（含图表）
1.超声衍射时差(TOFD)技术介绍
“TOFD”即Timeofflightdiffraction，译成中文是“超声波衍射时差法检测”，TOFD检测技术原理是利用超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷尖端发生迭加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，从而判定缺陷的大小和深度。
极大地提高了缺陷检出率。
TOFD检验技术具有缺陷检出能力强、缺陷定位精度高、节省设备的制造时间等特点，在检测资料上保证安全，并且可以用数字型式永久保存，恰好弥补了常规超声波检测技术的不足。
此技术首先是应用于核工业设备检验，如今在电力、石化、管道、压力容器、钢结构等方面多有应用。
上个世纪七十年代早期，英国原子能管理局(UnitedKingdomAtomicEnergyAuthority，即UKAEA)的国家无损检测研究中心的Harwell实验室提出了了超声波衍射在UT中应用的原理。
UKAEA为了开发比常规超声波检测更精确的缺陷定量技术，最早由史可·毛瑞斯(SILKMG)博士开发出了超声衍射时差技术
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(TimeofFlightDiffraction，简称TOFD)。
后来欧美国家的有关机构进行了大量的试验，到80年代早期证实，对于核反应堆的压力容器和主要部件，TOFD技术作为超声检测是可行的，其可靠性和精度要高于常规超声检测(即脉冲回波)技术；相比常规的脉冲回波技术，当时的TOFD 技术有几个最明显的不同，一是很高的定量精度，绝对误差<±1mm，而裂纹监测的误差<±0.3mm；二是对缺陷的方向和角度不敏感，不向脉冲回波技术那样对某些方向的缺陷有“盲区”；三是对缺陷的定量不是基于信号的波幅，而是基于缺陷尖端衍射信号的声程和时间。
后来开发了便携的设备系统(即国际无损检测中心的ZIPSCAN)，TOFD技术被国际工业界广泛公认。
90年代，该项技术开始应用与石油化工管线的检测。
此后，BSI、ASTM、ASME以及EN等相继承认了TOFD检测技术，颁布并不断修订了有关标准。
而发展到今天，世界上有很多无损检测设备制造商开发了很多数字化的无损检测系统可以满足上述标准进行TOFD检测。
当然，顶尖的制造商的设备系统可能还具备或者同时兼容常规超声、超声相控阵(PA)、常规涡流(ECT)和涡流阵列(ECTARRY)检
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测。
2.TOFD的主要原理
超声衍射时差技术(TOFD)是一种依靠从检件工件内部结构，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。
当超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷尖端发生叠加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，可以判定缺陷的大小和深度。
当超声波在存在缺陷的线性不连续处(欧洲很多标准中都使用discontinuity一词，即理解为材质的不连续结构)，如裂纹等处出现传播障碍时，在裂纹端点处除了正常反射波以外，还要发生衍射现象。
衍射能量在很大的角度范围内放射出并且假定此能量起源于裂纹末端。
这与依赖于间断反射能量总和的常规超声波形成一个显著的对比。
超声波在工件内的传播遵循惠更斯原理，除在缺陷表面产生超声波的反射波外，还在缺陷的端点或端角处产生衍射波。
衍射波被接收后经过仪器放大，由于缺陷端点和端角间的传播时间的差异，检测仪器可以自动记录和计算出时间差，进而对缺陷大小进行计算；同时计算机系统还
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搜集相关的数据，通过全功能的A扫、B扫和C扫，对该缺陷进行数字成像，形成易于理解的被检工件的截面图，对缺陷进行成像显示，进而对缺陷进行定性。
如图
2.1.1所示。
3.TOFD技术的优势
使用两个超声波探头，一个发射超声波信号，另一个接收衍射信号、表面横波和底波，因此在A扫显示四个幅值信号，结合软件技术可以实现全功能的A扫、B扫和C扫；
TOFDA可提供被检区域(如焊缝和热影响区)大范围的覆盖的单线扫查，检测效率高；
TOFD对各种缺陷都非常敏感，且对缺陷的方向不敏感；
可以实现手动扫查，也可以进行半自动的扫查布置；
被检材料的厚度范围很宽，一般可达10mm~400mm，有的设备甚至可以实现6mm~600mm
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