第三章TOFD检测系统硬件基本知识

仪器的主要性能指标
• 记录：应使用基于计算机的自动数据记录系统。 能记录整个扫描过程的原始数据，能进行扫查记 录的恢复和回放扫查时候记录的A扫波形，能将 所有的A扫信号和TOFD扫查图像保存于磁盘等永 久介质，并能提供输出拷贝等功能。
• 软件功能：应包括TOFD显示的深度或时基线性 化算法，配备了十字光标和弧形光标，以测量衍 射体深度和高度；应具有局部放大功能，信号平 均功能，直通波（底面反射波）拉直和去除直通 波（底面反射波）功能；应具有在线分析和离线 分析的功能。
sinγL上 = sinγP上 CL/CP sinγL下 = sin γP下 CL/CP
【例题】求晶片尺寸6mm，频率5MHz，折射角60°的纵波 斜探头的钢中-12dB声束边界角，设工件中纵波声速 C=5.95mm/μs，楔块中纵波声速CP = 2.4mm/μs。
• 折射角公式计算出楔块中纵波入射角度：
助于优化接收信号的形状。
脉冲宽度的选择
脉冲宽度的选择
• TOFD系统使用的矩形脉冲宽度是可调的，通常 在25-500ns范围内。
• 矩形脉冲的两个边振动的相位相反，相差180°。 • 脉冲宽度设置成该频率周期的一半（比如5MHz时
使用100ns），信号加强，获得一个振幅更大的 脉冲信号，但是余波也会随之变长。
电子电路的带宽
K( f )
100%
70.7%
fLC
fHC f
Df = fHC － fLC ≈ fHC
3.14电压脉冲特性
• TOFD系统施加在探头上的电压脉冲都是单极性 或者双极性的矩形脉冲。
• 单极性矩形脉冲由一个正向阶跃脉冲和一个在一 定延时后的负向阶跃脉冲的叠加构成；双极性矩 形脉冲由两个反相的矩形脉冲叠加构成。
填技术； 6. 声阻抗可以改变，以实现与不同声阻抗的材料
匹配； 7.横向振动很弱,串扰声压小； 8.带宽大(80~100%)
压电复合材料的几项特性参数
（1）压电应变常数与压电电压常数的乘积d33g33 • 压电应变常数d33是表征发射灵敏度的参数，压电电压常
数的乘积g33是表征发射灵敏度的参数，乘积数值越大， 发射-接收能量越高。 • 压电复合材料的超声发射接收比普通压电材料好的多。
频率测试
3.2.5 宽频带探头检测粗晶材料的回波信号的 频率变化特点
衰减后频谱的变化
试块厚度
最大厚度：一般规 定是：试块的厚度 应保证探头入射点 到试块底面连线与 试块底面法线间的 夹角不小于40°。
sinθL上 = sin23.65×5.95/2.4; θL上 =84.0°
sinθL下 = sin17.23×5.95/2.4; θL下 = 47.22°
• 答案：该纵波斜探头在钢中的-12dB上边界角为84°，下 边界角为47.22°
波束在钢中角度 45° 60° 70°
在楔块中角度 16.57 ° 20.44 ° 22.27 °
压电复合材料的几项特性参数
（2）机械品质因数Q
• 机械品质因数Q值小，表征带宽大，脉冲窄，纵向分辨力好。 • 压电复合材料的Q值远远小于普通压电材料。
压电复合材料的几项特性参数
（3）声阻抗 • 压电复合材料的声阻抗Z可通过改变PZT与树脂哦
的体积比率进行调节，从而根据不同条件选择声 阻抗来改变透声效果。
测精度以及分辨率，这一时间越短，则阶跃脉冲的高频谐 波成份越多，带宽越大，脉冲更窄。小于等于50ns。
脉冲高度
• 脉冲高度其实就是矩形脉冲的电压振幅，电压越 高，激励的超声脉冲能量就越大。
• TOFD扫查系统所使用的脉冲电压取决于探头的 频率和晶片元件的类型。
• TOFD检测有时需要使用高频探头，但是高频探 头的材料很薄，容易损坏，为避免探头的损坏， 需要控制发射脉冲的电压不能太高，但同时又要 兼顾检测的灵敏度。
仪器的主要性能指标
• 图像灰度等级：至少64级，最好256级以上。 • 一次线性扫查长度：一般要求达到2000mm。 • 扫查增量：仪器的数据采集应和扫查装置
的移动同步，要求扫查增量应满足检测工 艺要求，最小≤0.5mm。 • 编码器：应能保证各A扫描信号的位置准确 性，编码器增量误差≤0.5mm。
对探头获得的信号数： MN
• 获取一个有效信号的周期T：
T MN PRF 0
• 举例： PRF0=2000；M=4；N=16；则T=0.032s。
• 探头移动速度50mm/s；则0.032×50=1.6mm，即1.6mm
取样一次，速度太快。
避免出现空白A扫地措施
1. 减小扫查速度； 2. 增加PRF； 3. 减少平均次数； 4. 减少需要进行数字化采用的A扫长度； 5. 加大步进量； 6. 减少数字化采样频率。
• 波形显示方式：应提供射频波显示和检波（全检、 负或正半波检波）显示。
• 时间闸门：应提供可调节的有足够长度的闸门， 闸门起点相对于发射脉冲至少应在0到200微秒间 可调节，其宽度至少在5到100微秒间可调节。
• 数字采样频率：规定至少≥4倍探头标称频率，若 需对原始数据进行数字信号处理，采样率应提高 到探头频率的8倍。也有规定一般不小于20MHz， 最好60MHz以上。
• 脉冲宽度设置为超声波发射频率的一个周期（比 如5MHz设置为200ns），两个信号反相，获得一 个振幅很小的信号，余波的振动也会明显减小， 对于TOFD技术的应用来说是很有意义的。
脉冲上升时间
• 上升时间：从脉冲幅值的10%上升到90%所经历的时间。 • 下降时间：从脉冲幅值的90%下降到10%所经历的时间。 • 脉冲上升和下降的时间会影响到超声脉冲波形和TOFD检
• 正向阶跃脉冲（矩形波上升沿）或负向阶跃脉冲 （矩形波下降沿）都能激发探头振动产生脉冲。
• 一个单极矩形脉冲可以让探头晶片产生两次振动， 而一个双极矩形脉冲可以激发探头晶片产生三次 振动。
脉冲宽度
• 脉冲宽度：激发脉冲幅值持续在50%高度的时间。 • 当使用TOFD时，脉冲宽度是非常重要的，它有
600 5MHz 6mm
600 10MHz 6mm
450 5MHz 6mm
3.2.4不同频率分量在波束中的分布
5Mφ6，60°不同频率分量分布
5Mφ6，60°不同频率分量分布示意图
5Mφ6，45°不同频率分量分布
5Mφ6，45°不同频率分量分布示意图
5MHz 4MHz 3MHz 2MHz Shear
下降12dB F = 0.7
下降20dB F = 1.08
第一零值扩散角
• sinθ= 1.22(λ/D)
扩散角计算
q1
q
q1
q1
q2
q2
q2
Refraction : Sinq1 C1 Sinq2 C2
Beam Spread in probe shoe:
Sine q= K D
声束模拟
600 longitudinal probe 6mm circular crystal Simulated in steel
2、脉冲回波信号的频域特性参数
TOFD探头的声学特性
3、脉冲信号的带宽
TOFD探头的声学特性
4、 TOFD探头的声学特性要求
3.2.3TOFD探头的波束扩散计算
• 折射角公式（折射定律）： sin1 sin2
C1
C2
• 声束半扩散角公式：sin F
D
截取波束边缘的声压下降值 F值
下降6dB F = 0.51
TOFD探头的波束扩散计算
• 为计算被测工件中声束扩散，需要执行如下步骤：
1. 由折射角公式计算出楔块中纵波入射角：
sinqP
sinqL
CP CL
2. 计算楔块中纵波声束扩散角：
sinP
F
CP Df
3. 计算楔块中纵波声束上下边界角：
γP上 = θp＋ γP ；γP下 = θp－γP 4. 由折射角公式计算钢中纵波声束上下边界角：
• 对于非常弱的TOFD信号，需要大约70dB的增益 。 • 如果TOFD信号非常弱或者探头距离主放大器40dB。
3.1.2仪器的主要性能指标
• 接收放大电路的带宽：-6dB带宽一般规定为所使 用探头的标称频率的0.5-2倍，或者规定大于探头 的频带宽度，也有的建议最好≥30MHz。
输出检测报告。
模拟部分
• 模拟部分包括激励探头的脉冲发射电路和接收信 号进行放大滤波处理的接收放大电路。
• 每对用于检测的TOFD探头都定义了单独的发射/ 接收通道，每个检测位置的信息都需要完整记录 以便能够重建A扫。
• 为了减小电噪声，通常使用与超声探头频谱适配 的滤波器来限制放大后信号的频带宽度。
sinθP = sin60°× 2.4/5.9 θP =20.44° • 计算楔块中纵波的声束扩散角
sinγP= 0.7 ×2.4/（6×5）
γ = 3.21°
• 计算楔块中纵波的声束上下边界角
γP上 = 20.44 + 3.21 = 23.65
γP下 = 20.44 - 3.21 = 17.23 • 计算钢中纵波的声束上下边界角
3.2TOFD 探头
• ＴＯＦＤ检测通常采用小晶片、大扩散角、短脉冲、宽频带、高灵敏 度的纵波探头。
• 晶片一般采用复合压电晶片，有效提高发射和接收灵敏度,且直径一般 不超25mm。
压电复合材料的优点
1.发射和接收性能好，灵敏度高； 2.机械品质因子Q值低，带宽大，脉冲短，分辨力
高； 3.机电耦合系数值大，声能/电能的转换效率高； 4.在较大温度范围内特性稳定； 5.可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充
• TOFD检测系统使用的脉冲电压范围一般是从 100V - 400V。
3.1.5脉冲重复频率
• 重复频率：每秒钟内用于激发探头晶片的触发脉冲数目。 几百到上千Hz。
• 通常对于数据采集系统而言，设置脉冲重复频率(prf)是很 有必要的。这是触发发射探头的频率。prf和数字化频率不 同。 前者控制多长时间触发发一射探头一次，后者是在A 扫上一个给定长度内样本数量。
• 放大器线性误差：一般要求任意相邻12dB的误差 在±1dB以内，最大累计误差不超过1dB。
• 脉冲重复频率：一般在100Hz～1000Hz，最低应 能符合扫查速度和数据采集要求，最高不会产生 幻象波。
• 水平线性误差和垂直线性误差：一般规定水平线 性误差应小于1%，垂直线性误差小于5%。
仪器的主要性能指标
3.1.3电子电路的带宽
• 电子电路的带宽（Bandwidth）指的是电子 电路中存在一个固有通频带 。
• -3dB带宽是指：在输入信号和输出信号处 于稳定的条件下，调节输入信号频率，使 输出幅度降到初始的70%（-6dB带宽指输出 幅度降到初始值的50%），此时输入信号频 率的上限称为高端截止频率，输入信号频 率的下限称为低端截止频率，高端截止频 率减去低端截止频率就是-3dB带宽。
• 重复频率越高相应的扫查速度也可以提高。
Ｔ－重复周期
f=1/T －重复频率 Ａ－振幅强度
脉冲重复频率
• 仪器的脉冲重复频率PRF0；触发探头发射超声脉冲的频率 PRF；系统接收存储的信号数三者可能并不相同。
• TOFD探头对数为M，则： PRF PRF0
• 若使用N次叠加来获得
M
平均波形，则对其中一 PRF 0
压电复合材料的几项特性参数
（4）厚度方向的机电耦合系数kt • 厚检度测方灵向敏的度机越电高耦。合系数kt数值越大，电声转换效率越高， • 普通PZT kt值在0.48～0.51；压电复合材料0.62～0.67。
3.2.2TOFD探头的声学特性
1、脉冲回波信号的时域特性参数
TOFD探头的声学特性
第三章TOFD检测系统硬件基本 知识
3.1TOFD检测系统
• 硬件系统主要包括主机、TOFD检测扫查器、 TOFD检测探头和TOFD检测校准试块。
3.1.1TOFD检测电子仪器
• 数字化超声波检测仪主要功能： 1. 发射超声波和接收放大回波信号； 2. 采集和保存超声A扫信号波形和相关的数
据； 3. 按照要求设置和校验检测参数； 4. 显示信号波形和扫描图像，分析处理数据，
• 激发脉冲：采用单极矩形波或者双极矩形波，一 般规定脉冲电压幅度为100V～400V。
• 脉冲前沿：要求脉冲上升时间应尽量短，一般规 定上升时间≤50ns。
• 脉冲宽度：一般规定在100ns左右，且应可调， 以便优化脉冲幅度和持续时间。
仪器的主要性能指标
• 增益：一般规定≥80dB，最好100dB，且增益应 该连续可调，一般要求步进≤1dB。