TOFD超声波衍射时差法介绍
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。
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。
超声衍射时差(TOFD)技术原理简介(含图表)
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- 1 -(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。
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 (简易教程)
TOFD技术简易教程
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
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1、 向各个方向传播 2、 能量低 3、 衍射方向不取决于入射角
入射波 折射波 裂纹
衍射波
衍射波
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• 衍射和反射的区别:
h d 2 d1
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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 )。
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扫查类型
非平行扫查或B扫: 扫查方向与波束方 向成90° 平行或D扫: 扫查方向平行于波束方向
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北京燃气集团球罐焊缝TOFD检测中石油第Βιβλιοθήκη 建设公司TOFD技术简易教程
TOFD典型缺陷
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
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根部未焊透
1 3 4
2
1
2
3
4
注意上下尖端的两个信号
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根部未熔合
1 2 3
1
2
3
注意直通波和缺陷信号之间的波形相位转换
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侧壁未熔合
1 2 3 4
1
2
3
4
注意上下尖端的两个信号
无损检测技术,衍射时差法超声TOFD检测基本原理
目录1.TOFD检测技术定义及原理2.TOFD检测技术基本知识3.TOFD检测技术的盲区4.TOFD检测技术的特点5.几种典型缺陷TOFD图谱1TOFD检测定义及基本原理1.1TOFD检测的定义衍射时差法超声检测（Time of Flight Diffraction ，英文缩写 TOFD）是依靠超声波与被检对象中的缺陷尖端或端部相互作用后发出的衍射信号来检测缺陷并对缺陷进行定位、定量的一种无损检测技术。
概况起来说 TOFD技术就是一种基于衍射信号实施检测的技术。
1.2 TOFD检测原理1.2.1 衍射现象衍射现象：是指波在传播过程中，遇到障碍物，能够绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象。
缺陷端点衍射现象可以用惠更斯－菲涅尔原理解释：惠更斯提出，介质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。
菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加。
图1.1缺陷端部衍射信号的解释由图示可见:当一束超声波入射到裂纹缺陷时：（1）在裂纹中部会形成有一定方向的反射波，其方向满足反射定律。
反射波接近平面波，其波阵面是由众多子波源反射波叠加构成;（2）在裂纹尖端则没有叠加现象发生。
这种裂纹尖端以独立的子波源发射的超声波即为衍射波。
衍射波的重要特点：1.没有明显的方向性；2.衍射波强度很弱。
衍射波的这两个特点都是由于裂纹尖端独立发射超声波没有波的叠加所造成的图1.2裂纹端点衍射波特点裂纹的上下端点都可以产生衍射波。
衍射波信号比反射波信号弱得多，且向空间的各个方向传播，即没有明显的指向性。
图1.3 端角反射与裂纹端点衍射信号波幅比较根据惠更斯-菲涅尔定理可知，缺陷端点形状改变会对衍射信号产生影响：（1）端点越尖锐，衍射特性越明显，（2）端点越圆滑，衍射特性越不明显，（3）当端点曲率半径大于波长（d>λ）时，主要体现的是反射特性。
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直通波
接收探头
反射信号
LW 反射回波
底面反射波 BW
波幅 +
数据显示
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
D扫
BW
上表面
内壁
校准工具
PCS
t0
t0
T
c LW
PCS（探头入射点间 距离）, 壁厚, 速度, 探头延时, 直通波或 底面反射信号
不需要知道所有的参数
A扫 BW
D-scan
S
S
d
接收探头
t0
2 S 2 d 2
t
c
2t0
发射探头
t0
缺陷深度
S
S
d
接收探头
t0
d
c 2
2
t
2t0
2
S
2
发射探头
缺陷自身高度
2S
d1 d2
接收探头
h d2 d1
由于计算自身高度只需要测量时间, 所以高度估计会很准确。 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 )。
因为检测速度快，对于板厚超过25mm的材料， 成本比RT少的多
可以在200℃以上的表面进行检测（已经有在 400℃检测的实例）
TOFD检测系统易于搬运，可以在方便的任何 地方进行检测
由于可以在产品制造期间进行检测，由此可以 节约大量的时间和修复成本
TOFD标准
ASME 第V 卷，第四篇及附录L ASME 2235-4《锅炉压力容器规范》 ASTM-E2373《超声波衍射技术标准》 ASME B31.3《工艺管道》 ASME 第VIII 卷 WGAC9613 CEN 1997《TOFD检验验收规范》 CEN/TC 121 /SC 5/WG 2《焊接-焊缝检验TOFD技术应用》 BS7706《超声波TOFD技术对缺陷检测、定位和定量的校验与设置
七十年代中期由 UKAEA Harwell 发现的 在八十年代早期，以横向的方式用于PISC
II和DDT系统 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
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
折射波
裂纹 衍射波
向各个方向传播 能量低
取决于入射角
以往对衍射的利用
端点衍射法 (伴生脉冲观察法 - SPOT)
时间, 角度 和 声速 高度
波幅
1
2 时间
角度 2 1
时间
尖端衍射
槽或裂纹 棱角反射
TOFD的基本原理
TOFD: 典型的设置
发射探头
直通波
接收探头
上端点 下端点
底面反射信号
发射探头
A扫信号
直通波
接收探头
底面反射波
LW
BW
上端点 下端点
相位变化
直通波
底面反射波
+
LW
+
BW
-
-
上端点 下端点 需要不检波的A扫来显示相位的变化
发射探头
t0
传播时间
S
S
d
接收探头
t0
始脉冲
LWBWt发来自探头t0传播时间
TOFD 技术介绍
TOFD – 超声波衍射时差法
TOFD也叫 “裂纹端点衍射法” 或 “尖端反射法”
衍射时差(TOFD)技术
TOFD发展简史 衍射现象 以往对衍射的利用 TOFD原理 实际操作以及在现场中的应用(tnlink 公司) TOFD优点 标准
TOFD发展简史
特别应注意靠近内壁的小缺陷
当探头相对于 缺陷对称时时 间最短 。
横向扫查
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 图显 示出直通波 和内壁回波 加上 SW横 波信号以及 缺陷反射信 号
TOFD 扫查图
在线扫查图谱
TOFD 扫查图
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。 底面反射很强，可以 观察到摇动。
接收探头
直通波线性化
发射探头
直通波
接收探头
探头间距有小的变化 时间改变
TOFD可靠性
•最近的研究表明 TOFD 在用线形扫查 时检出率较高 •将 TOFD 和脉冲反 射法相结合时检出率 更高
Source: Sonomatic
TOFD检测过程中的照片
TOFD的优点
对于焊缝缺陷检出率很高.检测速度快.定量精度高 容易检出方向性不好的缺陷
可以识别向表面延伸的缺陷
使用横向TOFD模式时, 特别是有信号处理的帮助下缺陷 定量很准。
在安全上，不需要一个安全的独立的操作空间，因此可 以在不中断工艺生产的情况下进行检测，节约设备制造 时间
可以在线得到检测结果，并且可以将结果用数字信号型 式永久保存在光盘中，以便于以后在役检验进行对比分 析
测量工具
A扫
h
d1
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
发射探头
t0
缺陷位置的影响
S
S
d x
接收探头
t0
发射探头
缺陷位置的不确切性
S
S
接收探头
t1
t2
相等时间的轨迹
(t1+t2=ct)
dmin dmax
实际上: 绝对深度的最大误差低于10 %. 内部（小）缺陷的高度估计误差是可以忽略的 。
一些典型缺陷
向外表面延伸的缺陷 向内表面延伸的缺陷 水平方向平面形缺陷
发射探头
向外表面延伸的裂纹
直通波被隔开了
接收探头
没有直通波
底面反射波 BW
裂纹尖端
发射探头
向内表面延伸的裂纹
直通波
接收探头
底面反射信号被隔开了 LW
尖端信号
没有底面 反射波
水平方向的平面形缺陷
(层间未熔, 冷夹层)
发射探头
离线分析图谱
PCS t0
T
PCS（探头入射点间 距离）, 壁厚, 速度, 探头延时, 直通波或 底面反射信号
校准
t0
c LW
A扫 BW
D扫
平行扫查
LW
A扫
D扫
BW
上表面
内壁
横波 45 PE
TOFD
横波60 PE
系统允许同时采集和分析TOFD 和脉冲反射 信号
直通波线性化
发射探头
直通波
耦合剂厚度变化 时间改变
两个探头相对排列在焊缝两边，一发一收工作 方式，由发射探头发射的超声纵波在焊缝截面 较大的范围内扩散，一部分通过沿表面的路径 到达接收探头（边波），该路径是两探头间最 短路径，所以是第一个接收到的脉冲；另一部 分到达焊缝底部，被底面反射回来，到达接收 探头位置形成底部脉冲（底波）；超声纵波在 焊缝内部若遇到缺陷，在缺陷的入射正面产生 反射波，在缺陷的边缘产生衍射波，其中衍射 波基本上是没有指向性的，通常能被接收探头 接收到，超声波传输的路径在边波和底波之间