[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
超声波衍射时差法（TOFD）在焊缝检测中原理及应用分析
超声波衍射时差法（TOFD）在焊缝检测中原理及应用分析超声波衍射时差法(TOFD) 在焊缝检测中原理及应用分析[摘要] 本文介绍了超声tofd法的检测原理及应用状况。
超声tofd(时间渡越衍射法)检测技术具有检测速度快，定量精度高，定位准确和可确定缺陷尺寸等优点，是其它检测方法无法比拟的，已开始广泛应用于焊缝和压力容器等特种设备的检测。
[关键词] 声波衍射时差法；射线检测；精确测量；缺陷尖端；探头[pick to] this paper introduces the method of ultrasonic tofd the detection principle and application conditions. ultrasound tofd (time over the diffraction method) detection technology has the detection speed, quantitative high precision, accurate positioning and defect size can determine etc, and is other detection method of the incomparable, has started to widely used in weld and pressure containers of special equipment detection.[key words] sound waves diffraction method of time difference; the x-ray testing; accurate measurement; defect tip; probe中图分类号：r445.1文献标识码：a 文章编号：0 引言衍射时差法(tofd)是一种新型超声无损检测方法。
无损检测新技术TOFD衍射时差法超声波检测PPT培训课件
二、TOFD在压力容器制造过程中现场应用 3、现场缺陷数据分析 裂纹2（08R063 R713 A10 0.3 H=29 L=40 III级 UT H=28 L=35 SL+13dB III级
X形坡口中部未焊透
2 3 4
1
1
2
3
4
上下尖端都有明显的信号
根部未焊透
1
1 2 3
2 3
直通波的相位与缺陷相位相同
侧壁未熔合
1
1 2 3 4
2 3 4
能够清晰的看到上下尖端信号
气孔
1
2
气孔信号或单个出现，或成串的出现
横向裂纹
1 2
1 2 3
1 2
3
4
3
能够看到裂纹的宽波束信号
根部内凹
1
1
发射探头
S
接收探头
t1
t2
dmin dmax
相等时间的轨迹 (t1+t2=ct)
实际上: 绝对深度的最大误差低于10 %.
横向扫查
当探头相对于 缺陷对称时时 间最短 。
直通波
上表面
内壁
B扫 这种扫查会产生典型的 反向抛物线
TOFD 扫查图
TOFD 图显 示出直通波 和内壁回波 加上 波型转 换信号以及 缺陷反射信 号
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@ info@ •
向外表面延伸的裂纹
发射探头
直通波被隔开了
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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。
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(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。
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衍射时差法超声检测技术课件
• 检测速度快，效率高。
折射角度与衍射波幅度的关系
折射角度与衍射波幅度的关系
• 裂纹上尖端信号从0－65°单调增大，从65 ° ~85°单调降低。波幅最大时的折射角为65 ° 。
• 裂纹下尖端的信号波幅曲线在20 °和65 °时 出现两个峰值，在38 °时，裂纹下尖端的信号 波幅下降到最低。
• 可对原始的检测数据再分析，使用多样 的可视化显示。
TOFD技术的优点
1、TOFD技术的可靠性好。 2、TOFD技术的定量精度高。 3、TOFD检测简便快捷，检测效率高。 4、TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，能够
确定缺陷与探头的相对位置，信号通过处理可转换 为TOFD图像。TOFD图像更有利于缺陷的识别和分 析。
Rx
典型的D扫视图
D 扫所看到的视图
• D扫描用于采集焊缝及两侧母材中的缺陷 • D扫描视图不能判断出缺陷在焊缝中的横向位置
Tx
Rx
平行扫查-B扫
• 采用平行扫查可 以对缺陷深度进 行更精确的定量， 而且有助于对缺 陷宽度和倾斜角 度的判断。
扫查方向
Tx
Rx
波束方向
焊缝
平行扫查
• 当探头相对于缺陷对称时时间最短 。
TOFD中文名称
• Time of Flight Diffraction Technique的中文 翻译为——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
• 物理学术语翻译为——衍射渡越时间
TOFD发展历程
• TOFD技术发现(20世纪70年代）——摸 索、完善、装备研发
与底波信号时间差至少20个周期的要求，这可 使直通波与底波回波在10％以上的波幅不超过 两个周期，减小盲区，提高时间分辨率。 • 综合考虑晶片尺寸与探头频率，根据标准规定 选择。 • 一般使用的TOFD探头中心频率为1～15MHz， 晶片尺寸为 3～20mm。 • 常用的探头角度为：45 ° 、60 ° 、70 °
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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[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)071-0198-01
1 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。
在选择高低通滤波器频率时，推荐滤波器带通宽度的最小范围是0.5到2倍的探头中心频率。
选择信号平均值至最低要求，以获得一个合理的信噪比，设置时间窗口覆盖A扫的有用部分，以便数字化。
分区的A扫数据窗口在深度方向上应该覆盖相邻检测分区。
时间窗口一般根据直通波或底面反射波设置，如果没有直通波或者底面波，就必须通过计算设置时间窗，并在试块上校核。
在工件小于50 mm且单通道检测时，时间窗口的起始位置应设置为直通波到达探头前0.5 μs以上，时间窗口的终止位置应设置为工件底面的一次波形转换波后的0.5 μs以上。
在厚度方向分区检测时，上区的时间窗口起始位置应设置为直通波到达探头前0.5 μs以上，下区的A扫信号时间终止位置应设置为工件底面反射波后的0.5 μs以上；各分区的时间窗口应至少覆盖相邻检测分区在厚度方向上高度的25%。
可利用检测设备提供的深度参数输入，但应采用对比试块校验时间窗口在厚度方向上的覆盖性[3]。
灵敏度的设置三种方法：第一种可直接在被检工件上进行灵敏度设置，一般将直通波信号设置为满屏高度的40%～80%；第二种若直通波信号不适合时，可将底面反射波幅设定为屏高的80%，再提高20 dB～32 dB；第三种若直通波和底波均不适合时，可将材料的晶粒噪声设置为满屏高度的5%～10%作为灵敏度。
在被检工件厚度小于50 mm时，可直接采用第一种方法来调节。
所有灵敏度设置后应该在参考试块上验证或校准所设置的灵敏度。
个人认为以上所有直通波波幅的高度以最高波幅为准，而不是最低波峰或波谷。
因为在实际检测中，直通波一个半周期内的波谷或波峰波幅高度差有时会差一半，若以低
波幅为标准时，在做厚板时晶粒噪声会大于10%，图谱效果很差影响评定。
有条件时最好采用对比试块进行验证。
2 TOFD检测中的综合判定
TOFD检测中的定性定量分析是关键，NB/T47013.10-xx《承压设备无损检测第10部分衍射时差法超声检测》中所提到的相关显示分类如下所示：
很明显在TOFD检测中没有像常规检测需要注意有无裂纹等危害性缺陷的规定。
对缺陷的准确定性，需要检测人员的检测经验，条件允许时可结合常规超声进行检测，来确定其危害性。
缺陷的定位，尤其是对缺陷在焊缝中心线左右侧位置的定位，TOFD检测中比较繁琐，非平行扫查找到缺陷后，再采用平行扫查来确定缺陷偏离中心线的具体位置。
若焊缝宽度很大时，此法将无法正常进行。
建议采用常规超声进行定位，会提高工作
效率。
3 TOFD检测中的误区
TOFD检测会将某些缺陷夸大，尤其是气孔类缺陷，如果多个尺寸较小的气孔间隔不足够大，则这些气孔在TOFD图谱上显示较为严重，但实际上可不作处理，检测人员在评判时必须谨慎，如下图所示。
有条件时可采取与常规超声结合来判定，这将有助于提高检出率和准确度。
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[1]何莎,袁宗明,喻建胜,巩艳,刘从箐.超声衍射时差法检测技术研究[J].中国测试,xx,03.
[2]刚铁,徐艳,迟大钊,吕品.铝合金焊缝超声TOFD检测的信号特征[J].焊接学报,xx,8.
[3]陈建玉,袁榕.热壁加氢反应器深厚焊缝的TOFD检测技术[J].压力容器,xx,08.
内容仅供参考。