TOFD衍射时差法超声检测技术
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。
TOFD检测
TOFD定义Time Of Flight Diffraction(TOFD)超声波衍射时差法，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。
TOFD技术的来源TOFD技术的英文全称是Time of Flight Diffraction Technique，中文译名为衍射时差法超声检测技术。
TOFD技术于20世纪70年代由英国哈威尔的国家无损检测中心silk博士首先提出，其原理源于silk博士对裂纹尖端衍射信号的研究。
在同一时期我国中科院也检测出了裂纹尖端衍射信号，发展出一套裂纹测高的工艺方法，但并未发展出现在通行的TOFD检测技术。
TOFD技术首先是一种检测方法，但能满足这种检测方法要求的仪器却迟迟未能问世。
详细情况在下一部分内容进行讲解。
TOFD要求探头接收微弱的衍射波时达到足够的信噪比，仪器可全程记录A扫波形、形成D扫描图谱，并且可用解三角形的方法将A扫时间值换算成深度值。
而同一时期工业探伤的技术水平没能达到可满足这些技术要求的水平。
直到20世纪90年代，计算机技术的发展使得数字化超声探伤仪发展成熟后，研制便携、成本可接受的TOFD检测仪才成为可能。
但即便如此，TOFD仪器与普通A超仪器之间还是存在很大技术差别。
TOFD技术的物理原理衍射现象是TOFD技术采用的基本物理原理。
衍射现象的解释：波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，根据惠更斯原理，媒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。
TOFD工作原理TOFD技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。
发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。
接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。
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。
TOFT检测技术简介
一、TOFD技术特点TOFD（Time of Flight Diffraction）衍射时差法超声检测或超声波衍射时差法，是利用缺陷端点的衍射波信号探测和测定缺陷尺寸的一种自动超声检测方法。
它是国内外无损检测行业公认的新的检测技术，其主要优势是检测图像比较直观、检测能力强、精度高。
在国外工程上应用广泛，而且有逐渐取代X射线检测方式的趋势。
TOFD技术的特点：1)TOFD技术的可靠性好。
由于其主要是利用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向的缺陷都能有效的发现，使该技术具有很高的缺陷检出率。
国外研究机构的缺陷检出率的试验得出的评价是：手工UT，50-70%；TOFD，70-90%；机械扫查UT+TOFD，80-95%。
由此可见，TOFD检测技术比常规手工UT的检测可靠性要高得多。
2）TOFD技术的定量精度高。
采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。
一般认为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD定量误差小于1mm。
对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米。
3）TOFD检测简单快捷，最常用的非平行扫查只需一人即可以操作，探头只需沿焊缝两侧移动即可，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低。
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，信号通过处理可以转换为TOFD图像。
图像的信息量显示比A扫描显示大得多，在A型显示中，屏幕只能显示一条A扫信号，而TOFD图像显示的是一条焊缝检测的大量A扫信号的集合。
与A型信号的波形显示相比，包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。
5）当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能够高速进行大批量信号处理。
6）TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控，是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一。
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。
TOFT检测技术简介
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一、TOFD 技术特点 TOFD(Time of Flight Diffraction)衍射时差法超声检测或超声波衍射时差法，是利用缺陷端点的衍射波信号探测和测定缺陷尺寸的一种自动超声检测方法。
它是国内外无损检测行业公认的新的检测技术，其主要优势是检测图像比较直观、检测能力强、精度高。
在国外工程上应用广泛，而且有逐渐取代 X 射线检测方式的趋势。
TOFD 技术的特点: 1)TOFD 技术的可靠性好。
由于其主要是利用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向的缺陷都能有效的发现，使该技术具有很高的缺陷检出率。
国外研究机构的缺陷检出率的试验得出的评价是:手工 UT，50-70%;TOFD，70-90%;机械扫查 UT+TOFD， 80-95%。
由此可见，TOFD 检测技术比常规手工 UT 的检测可靠性要高得多。
2)TOFD 技术的定量精度高。
采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。
一般认为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD 定量误差小于 1mm。
对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米。
3)TOFD 检测简单快捷，最常用的非平行扫查只需一人即可以操作，探头只需沿焊缝两侧移动即可，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低。
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，信号通过处理可以转换为 TOFD 图像。
图像的信息量显示比 A 扫描显示大得多，在 A 型显示中，屏幕只能显示一条 A 扫信号，而 TOFD 图像显示的是一条焊缝检测的大量 A 扫信号的集合。
与 A 型信号的波形显示相比，包含丰富信息的 TOFD 图像更有利于缺陷的识别和分析。
5)当今使用的 TOFD 检测系统都是高性能数字化仪器，完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能够高速进行大批量信号处理。
衍射波时差法超声检测技术(TOFD).
衍射波时差法超声检测技术(TOFD王庆军大连西太平洋石油化工有限公司 116600简介:本文简要介绍了工业发达国家正在兴起和应用的TOFD技术的起源,原理,优缺点,标准规定和在实际产品订货中节约的费用和时间。
主题词:TOFD起源原理优缺点相关费用1. 衍射波时差法检测技术(TOFD的起源TOFD(Time-of-flight-diffraction technique检测技术是在1977年,由Silk根据超声波衍射现象提出来,意大利AEA sonovatiion公司在TOFD应用方面,已经有15年历史,此技术首先是应用于核工业设备在役检验,现在在核电,建筑,化工,石化,长输管道等工业的厚壁容器和管道方面多有应用,TOFD技术的成本是脉冲回声技术的1/10。
现在,TOFD检测技术在西方国家是一个热门话题,现在已经开始推广应用,经过几年以后,将有取代RT趋势的可能。
2. TOFD原理及系统组成2.1 TOFD原理是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。
TOFD原理当超声波在存在缺陷的线性不连续处,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(图1。
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。
图11 =发射波2 =反射波3 =穿透波4 =顶部裂纹端衍射波5 =底部裂纹端衍射波除了发现由缺陷衍射的能量变化以外,TOFD方法也探测到一个直接穿过两个探针的表面(横向波和达到试块底部(测试对面没有受到缺陷干涉的底部反射波(图1中的注1和4。
图. 21- 横向波 2 - 顶部裂纹端衍射波3 - 底部裂纹端衍射波 4- 对面器壁反射波这种现象的研究产生了用于下列应用衍射波时差法无损检测方法:■探伤检验因为来自于缺陷范围的信号可记录。
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。
衍射时差法TOFD和相控阵超声检测PAUT技术应用指南CCS
衍射时差法TOFD和相控阵超声检测PAUT技术应用指南CCS衍射时差法TOFD（Time-of-Flight Diffraction）和相控阵超声检测PAUT（Phased Array Ultrasonic Testing）技术是目前非破坏检测中常用的超声波检测技术。
本文将介绍这两种技术的基本原理、应用领域和操作指南。
一、TOFD技术TOFD技术是一种全声程全记录的方法，通过检测超声波从缺陷的前端和后端边界发生的绕射波，通过分析绕射波到达的时差来确定缺陷的位置和大小。
TOFD技术具有以下特点：1.高灵敏度：TOFD技术能够检测到非常小的缺陷。
2.高精度：通过分析超声波的传播时差可以得到精确的缺陷位置和大小。
3.全声程扫描：TOFD技术能够扫描整个检测区域，不会遗漏任何可能的缺陷。
TOFD技术主要应用于以下领域：1.裂纹检测：TOFD技术能够准确地检测到各种裂纹，特别适用于高温、高压管道等环境下的裂纹检测。
2.焊缺陷检测：TOFD技术能够检测到焊缺陷的位置、大小和形态，对焊接质量的评估非常有帮助。
3.壳程检测：TOFD技术能够检测到壳程中的腐蚀、磨损等缺陷，有助于判断设备的安全性和可靠性。
TOFD技术的操作指南如下：1.设定扫描参数：包括扫描范围、扫描步长、发射和接收的超声波参数等。
2.放置探头：将探头与被检测物表面接触，并按照指定位置进行扫描。
3.开始扫描：根据设定参数开始扫描，同时记录采集到的数据。
4.数据分析：根据采集到的数据，分析缺陷的位置、大小和形态。
5.缺陷评定：根据分析结果进行缺陷的评定和分类。
二、PAUT技术PAUT技术是一种利用超声波的相位控制技术，通过控制多个发射和接收元件的相位差，达到改变超声波束的方向和焦点位置的目的，从而实现对被检测物的全面检测。
PAUT技术具有以下特点：1.快速扫描：PAUT技术能够快速地扫描整个检测区域。
2.高分辨率：通过控制超声波的发射和接收，可以实现高分辨率的检测。
衍射时差法超声检测技术(TOFD技术)课件整理2018.12.
衍射时差法超声检测技术(T O F D技术）第一章TOFD技术的基本知识 2018.11.301.衍射时差法：是采用一发一收探头对工作模式、主要利用缺陷端点的衍射波信号探测和测定缺陷位置及尺寸的一种超声检测方法。
2.缺陷的衍射信号与哪些因素无关？①与衍射信号的角度无关②与衍射信号的幅度无关因为衍射信号与角度和振幅无关，所以，TOFD技术在原理和方法上与传统脉冲反射超声波检测技术有根本性的区别。
3.传统超声检测技术是： 1、根据缺陷反射信号检出缺陷； 2、根据缺陷幅度评定缺陷尺寸4.传统超声检测技术影响缺陷的定量因素： 1、入射声束角度；2、检测方向； 3、缺陷表面粗糙度；4、工件表面状态；5、探头的压力。
5.TOFD仪器性能：1.更宽的接收放大系统频带；2.更快的数字化采样频率；3.更高的信号处理速度；4.更大的存储量6.TSG R0004-2009 《固定式压力容器安全技术监察规程》于2009年12月1日起施行，做出如下规定：无损检测人员应当按照相关技术规范进行考核取得相应资格证书后，方能承担与资格证书的种类和技术等级相对应的无损检测工作。
7.压力容器焊接接头无损检测方法的选择：压力容器的对接接头应当采用射线检测或者超声检测，超声检测包括衍射时差法超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法超声检测（自动检测）和不可记录的脉冲反射法超声检测（手动检测）；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测（手动检测）时，应当采用射线检测或者衍射时差法超声检测做为附加局部检测；8.衍射现象：波在传播路径中遇到障碍物，发生绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象，称为波的衍射。
衍射也是波在传输过程中与界面作用而发生的不同于反射的另一种物理现象。
9.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，向空间的各个方向传播，没有明显的指向性、能量低、衍射方向不取决于入射角。
10.惠更斯－菲涅尔原理：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。
TOFD技术介绍
4、不同角度下衍射信号波幅的变化
4、不同角度下衍射信号波幅的变化
u u
u
u
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。 在45 °～80 °区间，裂纹下尖端的信号波幅略大 于上尖端的信号波幅。 在45 ° ～80 °之间波幅的变化小于6dB。
5
确定探头间距
• 聚焦深度： d = 2/3 D • 探头间距： PCS =2S=2d tanq = (4/3)D tanq
2s=PCS d=2/3D D
s q
6、TOFD检测图像的形成（灰度图）
将每一个A扫描信号转 化为灰度线， 沿探头的运动方向拼 接成二维灰度图
TOFD图像的一维坐标分 别代表探头位移 另一维坐标代表信号传输时 间。
TOFD技术得以推广应用的先决条件
u u
TOFD技术得以推广应用的关键主要是： 数字技术：是计算机技术、多媒体技术 、智能技术和信息技术的基础。 计算机技术：快速处理大量数据 压电复合材料：可用于相控阵探头、 TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头
u u
1、物理基础－衍射
入射波 衍射波
缺陷上的每一点形成新的子波 源称为衍射——惠更斯原理
2018/7/25 42
10、TOFD的局限性
1、TOFD技术对近表面缺陷的检测可靠性不够。 （1）扫查面盲区 （2）底面盲区 2、对缺陷定性比较困难
2018/7/25
43
10、TOFD的局限性
3、横向缺陷检出率较低；
横向裂纹信号一般是可以采集到的，但是信号没有长度，因为看起来象 是来自于一个微小的点状反射体（例如气孔）的信号，容易被忽略。
TOFD衍射时差法超声检测技术
+100%
Amplitu de
Zero
-100% -128
第三十页，共63页。
典型的TOFD图像
第三十一页，共63页。
常规扫查方式
• 非平行扫查或D扫：扫查方向与声 束方向垂直。
• 平行扫查或B扫：扫查方向与声 束方向平行。
第三十二页，共63页。
非平行扫查-D扫
• 非平行扫查主要 用于缺陷定位和 长度方向的定量， 但是在高度方向 上的定量不精确。
发射探头
直通波
接收探头
反射信号
底面反射波
LW
BW
反射回波
第五十二页，共63页。
与
检 测
面
平
行 的
面 状 缺 陷
第五十三页，共63页。
内 部
埋 藏
缺 陷
第五十四页，共63页。
TOFD检测的特点
l 检验是使用一对宽声束、宽频带、纵波斜探头，探头
频率高于脉冲回波法（PE）的探头频率，探头相对于焊 缝对称布置。
第二十页，共63页。
TOFD检测的典型信号
•直通波(LW)：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路程 最逗，最先到达。
•缺陷信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底面反射波 之间，比底面反射波信号弱很多。
•底面反射波(BW)：纵波在底面的反射波。因其传播距离比直通波 大，总是在直通波之后。
相位变化
直通波
底面反射波
+
LW
+
-
-
上端点 下端点
需要不检波的A扫来显示相位的变化
第二十二页，共63页。
BW
相位变化
• 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相 反的。
TOFD超声波衍射时差法
TOFD超声波衍射时差法
X形坡口中部未焊透
1
2
3
4
上下尖端都有明显的信号
TOFD超声波衍射时差法
根部未焊透
1
2 3 直通波的相位与缺陷相位相同
TOFD超声波衍射时差法
侧壁未熔合
1 2 3
4
能够清晰的看到上下尖端信号
TOFD超声波衍射时差法
气孔
1 2
气孔信号或单个出现，或成串的出现
TOFD超声波衍射时差法
LW
A扫
D扫
BW
上表面
内壁
TOFD超声波衍射时差法
t0 T
校准工具
PCS t0
c LW
A扫 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
D-scan
TOFD超声波衍射时差法
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
TOFD超声波衍射时差法
校准
PCS
t0
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
c LW
典型的多通道UT仪器用户界 面友好 ，还有软件向导。
A扫 BW
TOFD超声波衍射时差法
D扫
TOFD的优点
F 对于焊缝中部缺陷检出率很高 F 容易检出方向性不好的缺陷 F 可以识别向表面延伸的缺陷 F 通过时间检测缺陷的信号 F 和脉冲反射法相结合时效果更好
TOFD超声波衍射时差法
衍射现象
入射波
TOFT检测技术简介
一、TOFD技术特点TOFD（Time of Flight Diffraction）衍射时差法超声检测或超声波衍射时差法，是利用缺陷端点的衍射波信号探测和测定缺陷尺寸的一种自动超声检测方法。
它是国内外无损检测行业公认的新的检测技术，其主要优势是检测图像比较直观、检测能力强、精度高。
在国外工程上应用广泛，而且有逐渐取代X射线检测方式的趋势。
TOFD技术的特点：1)TOFD技术的可靠性好。
由于其主要是利用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向的缺陷都能有效的发现，使该技术具有很高的缺陷检出率。
国外研究机构的缺陷检出率的试验得出的评价是：手工UT，50-70%；TOFD，70-90%；机械扫查UT+TOFD，80-95%。
由此可见，TOFD检测技术比常规手工UT的检测可靠性要高得多。
2）TOFD技术的定量精度高。
采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。
一般认为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD定量误差小于1mm。
对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米。
3）TOFD检测简单快捷，最常用的非平行扫查只需一人即可以操作，探头只需沿焊缝两侧移动即可，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低。
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，信号通过处理可以转换为TOFD图像。
图像的信息量显示比A扫描显示大得多，在A型显示中，屏幕只能显示一条A扫信号，而TOFD图像显示的是一条焊缝检测的大量A扫信号的集合。
与A型信号的波形显示相比，包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。
5）当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能够高速进行大批量信号处理。
6）TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控，是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一。
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。
3.-TOFD技术原理及应用介绍
TOFD原理
1.波形衍射
当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，
另外在裂纹表面还会产生反射。
TOFD就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来
探头
对缺陷进行定位定量。
入射波
反射波
衍射波 被测工件
探头 反射波 衍射波
入射波
衍射波 被测工件
反射波
由于衍射波能 量远远低于反射 波能量,因此采用 单探头作TOFD检 测时衍射信号被 反射波掩盖难以 观察,因此单探头 扫查方式,不适合 高效的TOFD检测
h (c t )2 s2 2
5.缺陷自身高度计算
S
S
h1 h2
h
根据刚才的公式，计算出缺陷的上端点深度和下端点深度 两者之差即为缺陷自身高度，如下式
h=h1-h2
h1=上端点深度
h2=下端点深度
TOFD扫描成像
TOFD的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时探头所接收 到的A扫图形转换为黑白两色的灰度图，为了能有更清晰的图像因些要 求至少256级的灰度分辨率
上表面
底波 B扫 这种扫查会产生典型的 反向抛物线
用普通PE探头与TOFD同时进行扫查,有效的弥补TOFD探测的盲区
利用大角度探头一次直射监控探测底面，利 用小角度探头一次反射法监控探测表面，从而实现 上下表面的盲区覆盖
TOFD探头
K2探头
K1探头
PE-K1
PE_K2
TOFD
PE_K2
PE-K1
合成孔径聚焦技术（ SAFT）的应用
关键词：Synthetic Aperture Focusing Technique
SAFT算法最早被应用于雷达技术，来提高雷达图 像的横向分辨率。该算法是一种很有前景的高级 成像方法，它可以用低指向性的信号源和较低的 工作频率来获得很高的方位分辨率。该算法在超 声相控阵领域中得到了应用。但是，将该技术应 用到超声TOFD法检测中还未见诸报道。我公司 根据超声TOFD法扫描图像的形成过程，探头和 缺陷位置的几何关系，建立了超声TOFD 扫描图 像SAFT算法数学模型，实现图像的SAFT重建。
TOFD技术介绍及应用分解
ASME : 12.7mm以上时可替代射线
我国
： 12mm
对接焊接接头（主要）
各种缺陷：裂纹、未熔合、未焊透、气孔、夹渣
错边、腐蚀减薄、未焊满等
材料：
低碳钢和低合金钢（主要）
对其他粗晶和各向异性材料应有特殊方法，如不锈钢
三、 国外TOFD标准
1、欧洲TOFD标准
BS 7706-1993 英国
ENV 583-6:2000
无损检测（法国标准化协会）
CEN/TS-14751:2004
焊接（德国标准化协会） 共识 EN标准
NEN 1822：2005
荷兰 验收标准 铁素体钢
接受准则
2、美国、日本的标准
美国
ASME code case 2235 －1，1996年；
自动超声检测，规范性质（含验收标准）
ASTM E2373-2004采用超声波衍射时差法的标准实施规程
缺陷下尖端
5、检测原理——底面开口缺陷
发射探头
直通波
接收探头
直通波
底面反射波中断
缺陷上尖端
无底面反 射波
发射探头
5、检测原理——层间缺陷
直通波
接收探头
反射信号
直通波 反射波
底面发射波 底面发射波
6、TOFD检测图像的形成（灰度图）
幅度 +
白
时间
-
黑
将每一个A扫描信号转化为灰度线， 沿探头的运动方向拼接成二维灰度图
展望
TOFD专项
能源工业发展，安全环保的强调，对检测质量、成本和效率的不断重 视——越来越广泛的应用
4、TOFD检测标准
TOFD标准
1、JB/T 4730.10《承压设备 衍射时差法超声检测》草案
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。
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内 部 埋 藏 缺 陷
TOFD检测的特点
l 检验是使用一对宽声束、宽频带、纵波斜探头， 探头频率高于脉冲回波法（PE）的探头频率，探头 相对于焊缝对称布置。
l 声束在焊缝中传播遇到缺陷时，缺陷会产生反射 波，缺陷上下端点产生衍射波，衍射波比反射波低 20～30dB。接收探头具有极高的灵敏度，接收衍射 波和反射波。 l 以精确测量衍射波的传输时间和简单的三角方程 为理论基础，使用计算机来完成缺陷尺寸和位置的 测量。
数字化记录
• TOFD记录的是每个检测点的完整的未经 修正的原始的数字化A扫信号。 • 可永久记录所有数据信号，包括检测参 数、校准方式等。 • 可对采集的数据进行处理，提高灵敏度、 信噪比、易于识别缺陷。 • 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。 5、能全过程记录信号，长久保存数据，而且能高速进 行大批量信号处理。 6、TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的 监控，且对裂纹高度扩展的测量精度极高，可达 0.1mm。
压电复合材料制作的探头有以下优点
（1）横向振动很弱，串扰声压小； （2）机械品质因数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，仅需简易的切块和充填技术； （8）声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数易于改变（因 这些参数相关于陶瓷材料的体积率）； （9）易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）； （10）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。
图形显示
LW A扫
B扫
BW
上表面
内壁
典型的B扫视图
B扫
C扫 D扫
近表面盲区
• 由于近表面缺陷的信号可能隐藏在直通波 信号之下，因此相当于直通波信号的深度 是盲区。 • 5MHz探头，周期0.2μs，PCS=100mm，工 件厚度40mm，直通波为两倍周期0.4μs， 则盲区为11mm。 • 减小近表面盲区的措施：减小PCS，窄脉 冲探头，直通波去除。
典型的TOFD图像
常规扫查方式
• 非平行扫查或D扫：扫查方向与 声束方向垂直。 • 平行扫查或B扫：扫查方向与声 束方向平行。
非平行扫查-D扫
• 非平行扫查主要 用于缺陷定位和 长度方向的定量， 但是在高度方向 上的定量不精确。
扫查方向
Tx
波束方向
Rx
焊缝
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
TOFD检测的精度
• 轴偏移误差：8％
S
发射探头
S
接收探头
t1 相等时间的轨迹 (t1+t2=2t)
dmin dmax
t2
TOFD检测的分辨率
• • • • 能够识别两个信号的最小距离。 TOFD可以识别2～3个波长。 5MHz探头，波长1.1mm，分辨率2～3mm 2mm的气孔和夹渣无法分辨出上下尖端。
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。 • 在45 °~80 °区间，裂纹下尖端的信号波幅略 大于上尖端的信号波幅。 • 在45 ° ～80 °之间波幅的变化小于6dB。
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。
焊缝
扫查方向
Tx
Rx
波束方向
平行扫查
• 当探头相对于缺陷对称时时间最短 。
S
发射探头
S
接收探头
t0 d
t0
x
平行扫查
当探头相对于 缺陷对称时时 间最短 。
直通波
上表面
下表面
B扫 这种扫查会产生典型的 反向抛物线
灵敏度的设置
• • • • • 根据标准规定设置。 把直通波的信号调为40～80％FSH. 底面回波信号大于满屏高度的18～30dB。 调节晶粒噪声为满屏的5～10％FSH。 用开有侧横孔、开口槽的试块来调整。 用有上表面开口槽的试块来调整，在 信噪比满足要求的情况下将上表面开口 槽下端点的衍射信号调到满屏的60％ FSH。
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
相位变化
• 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是 相反的。 • 每一个显示的上、下端点衍射波相位是相反的。 • 缺陷的下端点与直通波的相位是相同的。 • 缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的。
传播时间
底面盲区
• 偏离焊缝中心的缺陷很难在D扫描的底面反射 信号中看到，可能被底面回波信号掩盖。 • 在传播时间相同轨迹上任意一点的信号都具有 相同的时间
在传播时间相同轨迹上任意一点的信号 都具有相同的时间
检测不到 的缺陷
TOFD检测的精度
• 时间误差： • 探头频率5MHz，假定采样频率25MHz， 则采用间隔0.04 μs，时间误差0.02 μs， 深度误差0.02 μs ×5.95mm/ μs＝0.1mm
TOFD衍射时差法
超声检测技术天津诚信达金属检测技术有 Nhomakorabea公司 张平
UT-Ⅲ 复试
2010年4月21日于济南
什么是 TOFD?
• TOFD是Time of Flight Diffraction 的第一 个英文字母的缩写，中文简称衍射时差法 。 是上世纪七十年代由英国哈威尔无损检测 中心根据超声波衍射现象首先提出来的， 检测时使用一对或多对宽声束探头，每对 探头相对焊缝对称布置（一发一收），声 束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生反射波 和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波， 通过测量衍射波传播时间，利用三角方程 来确定出缺陷的尺寸和位置。
纵波探头声场特点
1、纵波与横波同时存在。由于TOFD技术采用纵 波检测，探头折射角小于第一临界角。这样在 探头声场中，同时存在纵波与横波。 2、大扩散角和宽波束。探头纵波具有很宽的波 束。通过计算可以求出，该探头在钢中声压下 降12dB的波束上边界角为90°，下边界角为 45.7°。 3、从图11中可以看出，横波声场的强度比纵波 大的多。
TOFD检测为什么使用纵波而不用 横波探头
• 纵波传播速度快，几乎是横波的两 倍，最先到达接收探头，容易识别 缺陷，以纵波波速计算缺陷深度， 不会与横波信号混淆。
60°5MHz 6mm波束模拟
晶片尺寸与频率对探头性能的影响
• 小晶片，扩散角大，覆盖范围大。 • 频率高，扩散角小，覆盖范围小。 • 另一方面，频率高，周期短，容易满足直通波 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 °
反射波
裂纹
向各个方向传播
能量低
衍射波
TOFD技术的优点（与PE相比）
• 缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关。 • 缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度。 • 精确测量衍射波的传播时间来确定缺陷的 尺寸和位置，对面状缺陷自身高度的测量 精度很高。（对于自然裂纹自身高度测量 精度为±1mm，对于监测裂纹扩展测量精 度为± 0.3mm。缺陷长度的测量精度与PE 相当±5mm ） • 检测数据有永久的数字记录。 • 检测速度快，效率高。
TOFD技术得以推广应用的先决条件
• TOFD技术得以推广应用的关键主要是： • 数字技术：是计算机技术、多媒体技术、 智能技术和信息技术的基础。 • 计算机技术：快速处理大量数据 • 压电复合材料：可用于相控阵探头、 TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头
采用数字化记录超声波检测数据 的优点
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。 • 模拟信号的局限性，容易失真，精度低，抗 干扰能力差，远距离传输和大规模存储困难， 无法进行复杂的分析处理 等
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
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
t 2t0 2 d c S 2
2
缺陷自身高度
2S
发射探头 接收探头
d1 d2
h d 2 d1
合格的TOFD成像
缺陷检出率
• • • • 手工UT：50～70％； RT：70～80％； TOFD：70～90％； 机械扫查UT+TOFD：80～95％。
衍射现象
入射波 衍射波
反射波