TOFD超声波衍射时差法原理
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。
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。
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。
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
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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。
超声TOFD法原理和标准介绍
综述 超声T O FD法原理和标准介绍 李 衍(无锡华光锅炉公司, 江苏无锡214028)摘 要:介绍超声TO FD法用于焊缝缺陷检出、定位、定量的基本原理。
TO FD法所采用的A、B、D三种显示为缺陷评价和结果记录提供了有效手段。
还对世界上最先制订的TO FD法标准B S7706:1993的重要内容作了简要介绍。
企望该新技术在国内迅速得到应用。
关键词:TO FD法;缺陷;测深;测高;国际标准;双探头法中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:167124423(2003)03201204 TO FD法是T i m e of F ligh t D iffracti on(衍射时差法)的缩写。
按原意,是利用缺陷端部的衍射波。
因此,广义地讲,凡是利用缺陷端部衍射波接收时间差来定量评价的方法统称为TO FD法。
但近年来的实际应用和相关标准,已将使用两个纵波斜探头相向对置,一发一收,利用所谓“回波”(即侧向波、散射波、衍射波和底面波)信息进行缺陷定位、定量、定性评价的方法专指为TO FD法。
这种方法是英国A EA(原子能机构)最先提出的,随后在1993年的B S7706中规定了用TO FD法进行缺陷定量评价的具体程序和要求,最早曾用于发电设备的在役检测。
两年前,用TO FD法检测压力容器和动力锅炉焊缝的方法和验收条件,又在A S M E规范案例2235中作出了详细规定。
但作为检测方法的专用标准,B S7706是唯一的标准。
用此法时,要将两个同角度的纵波斜探头间距固定,用所谓D扫描或B扫描的扫查方法获取显示图像,并据此对缺陷进行测深定高。
目前就将此法称为狭义的TO FD法。
以下对狭义的TO FD法,就其基本原理以及世界上第一份T O F D标准B S7706的有关内容作一介绍,以期在国内相关行业得到广泛应用。
1 TO FD法基本原理1.1 双探头布置和波形图模式TO FD法原理和示波屏波形图模式(A C波形)见图1,双探头布置和缺陷测深模式见图2。
TOFD技术介绍
TOFD技术介绍TOFD技术是一种应用于可视检测及无损检测领域的超声波技术，全称为时序差超声测深技术（Time of Flight Diffraction）。
它可以高精度、高速度地检测和定位各种缺陷类型，如裂纹、孔洞、疤痕等。
TOFD技术的原理是利用短脉冲超声波向材料中发射，并在材料中缺陷处产生扩散波。
其中扩散波的传播时间与缺陷的深度有关，通过测量这些传播时间的差异，可以确定缺陷的存在和位置。
TOFD技术的测量精度高于常规超声波技术，可以实时监控缺陷的变化和生长。
TOFD技术的主要特点之一是其高速度。
通过准确测量扩散波到达不同传感器的时间差，可以快速地确定缺陷的位置和大小，无需扫描探头。
这种实时定位的能力使得TOFD技术在工业生产线上广泛应用，可以大大提高生产效率。
TOFD技术可以用于各种材料的无损检测，包括金属、复合材料、陶瓷等。
它可以应用于许多行业，如航空航天、石油化工、电力等。
在航空领域，TOFD技术广泛用于飞机的结构检测和维护。
在石油化工领域，TOFD技术可用于检测管道和容器的腐蚀和裂纹。
在电力领域，TOFD技术可以用于检测火电站锅炉管道的腐蚀和裂纹。
与传统的超声波技术相比，TOFD技术具有一些独特的优势。
TOFD技术可以提供定量的深度信息，并提供缺陷的长度和高度测量。
通过使用多通道的接收机，TOFD技术还可以提供更高的解析度。
此外，TOFD技术不受材料的吸收和散射的影响，适用于各种复杂的工况。
尽管TOFD技术在无损检测领域具有很大的潜力，但它也存在一些局限性。
首先，TOFD技术对探测头的位置和方向要求非常高，需要准确地调整和定位。
其次，TOFD技术对材料的起伏和表面不平整度较为敏感，可能会导致误差。
此外，TOFD技术在探测大型结构和离探测头较远的区域时可能存在问题。
总之，TOFD技术是一种高灵敏度和高精度的超声波技术，广泛应用于可视检测及无损检测领域。
它可以实时定位和监测各种缺陷类型，并在多个行业中发挥着重要的作用。
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。
(优选)TOFD超声波衍射时差法教程
2，能量低
3，衍射方向不取决于
入射波使缺陷产生振动。入射角
缺陷上的每一个点都 产生出一个球面子波。
第14页，共90页。
TOFD扫查焊缝
发射探头
接收探头
直通波
上端点
形成的A扫脉冲图像
下端点 底波
被测工件
第15页，共90页。
3. 波形的相位关系
当超声波束由一个高阻抗的介质传播到一个低阻抗介质中时， 在界面经过反射后波束相位发生改变，如果波束在遇到界面前 是负向周期则在界面反射后转变为正向周期。
*注在一些特殊情况下，例如气孔，小夹渣之类的缺陷
由于几何尺寸太小不会产生两个分离的端点信号
第16页，共90页。
4. 深度计算公式
sபைடு நூலகம்
s
t h
如上图所示，两探头的信号是对称的，则 在两探头之间的信号时间 t 可以用下式计算
2 • S 2 h2
t c
s＝两探头中心距的一半 h=反射信号的深度 c=声速
➢ 7）TOFD检测成本低，重复成本少；而射线检测，建造暗室 需要较高的投入，平时工作中的耗材成本重复发生，综合成 本相对较高
第10页，共90页。
TOFD 的局限性
➢ 在上、下表面附近盲区 ➢ 对“噪声”敏感 ➢ 夸大了一些良性的缺陷, 如气孔, 冷夹层, 内
部未熔合。 ➢ 解释比较困难 ➢ 注意标准问题 (有待解决)
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
第37页，共90页。
侧壁未熔合
1 2 3
4
1
2
3
4
注意上下尖端的两个信号
第38页，共90页。
2
3-TOFD 超声波衍射时差法
根部未焊透在TOFD中的显示
2 3 4
1
注意缺陷上下尖端的两个信号
根部未焊透在TOFD中的显示
1 2 3
注意直通波和缺陷信号之间的波形相位转换
根部裂纹在TOFD中的显示
1 2 3
缺陷造成底面回波信号减弱
侧壁未熔合在TOFD中的显示
1 2 3 4
注意缺陷上下尖端的两个信号
密集气孔在TOFD中的显示
TOFD技术局限性
• • • • • 在被检工件上、下表面存在盲区 对“噪声”敏感 夸大了一些良性的缺陷, 如气孔, 冷夹层, 内部未熔合。 TOFD一维扫查不能确定缺陷在焊缝Index方向的位置。 注意标准问题 (有待解决) 。
问题？
TOFD+PE检测成像
探头移动方向
45-SW(左)
60 SW (左）
TOFD
60-SW(右)
45-SW(右)
厚壁焊缝TOFD检测
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。
TOFD基本原理
TOFD基本原理TOFD（Time of Flight Diffraction）是一种无损检测技术，常用于检测材料中的缺陷和裂纹。
它的基本原理是利用超声波在材料中的传播时间来检测缺陷位置和尺寸。
TOFD技术主要基于以下三个原理：1.超声波传播时间的差异:TOFD技术使用两个探头，一个用于发射超声波，另一个用于接收回波。
当超声波通过材料中的缺陷时，会有一部分能量被散射和透射，然后再次被接收探头接收。
以缺陷表面和底表面的超声波传播时间之差作为计算参数，在材料中测得的超声波传播时间差有助于确定缺陷的位置。
2.衍射现象:当超声波传播过程中遇到缺陷时，它会发生衍射现象。
衍射产生的射线与原来的射线会在缺陷表面和底表面产生交叉，并保存到接收探头中。
通过识别这些交叉点，可以确定缺陷的尺寸。
3.扇形扫描:TOFD技术使用扇形扫描，即探头以缺陷为中心，同时从不同角度发射超声波。
这种扇形扫描技术可以提供更多的信息，以确定缺陷的准确位置和形状。
通过同时测量多个射线的时间来计算射线传播时间差，从而计算出缺陷的深度和长度。
基于以上原理，TOFD技术可以实现对材料中的缺陷和裂纹进行全面的评估。
通过测量超声波的传播时间和幅度，可以确定缺陷的位置、尺寸和形状。
与传统的超声波检测技术相比，TOFD技术具有更高的准确性和灵敏度。
TOFD技术在工业领域中得到了广泛应用，特别是在航空、航天、石化和钢铁等行业。
它可以用于检测焊接接头、管道、容器和结构的裂纹、气孔、腐蚀和其他缺陷。
由于TOFD技术具有高效、可靠和非侵入性的特点，在工程领域广泛应用，对质量控制和结构完整性的评估起着重要作用。
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。
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
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2 3 4
1
1
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上下尖端都有明显的信号
中国工业检验检测网
根部未焊透
1
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2 3
直通波的相位与缺陷相位相同
中国工业检验检测网
侧壁未熔合
1
1 2 3 4
2 3 4
中国工业检验检测网 Source: NDT On-line
衍射时差技术
衍射现象 TOFD原理 实际操作 校准 TOFD优点和局限性
中国工业检验检测网
衍射现象
入射波 衍射波
裂纹
向各个方向传播 能量低 取决于入射角
衍射波
中国工业检验检测网
TOFD的基本原理 的基本原理
中国工业检验检测网
info@ info@ •
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
中国工业检验检测网
info@ info@ •
向外表面延伸的裂纹
发射探头
直通波被隔开了
相位变化
直通波
内壁反射波
+
LW -
+ -
BW
上端点 下端点 中国工业检验检测网 需要不检波的A扫来显示相位的变化
传播时间
S
发射探头
S
接收探头
t0 d
t0
始脉冲 LW BW
中国工业检验检测网
接收探头
内壁反射波 BW 没有直通波
裂纹尖端
中国工业检验检测网
向内表面延伸的裂纹
发射探头 接收探头
直通波
内壁反射信号被隔开了 LW 没有内壁 反射波
尖端信号
中国工业检验检测网
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
中国工业检验检测网 Source: Ginzel
无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x”，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
t
传播时间
S
发射探头
S
接收探头
t0 d
t0
t=
2•
(S
2
+d
2
中国工业检验检测网
c
) + 2•t
0
缺陷深度
S
发射探头
S
接收探头
t0 d
t0
c 2 2 d = • (t − 2t0 ) − S 2
2
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缺陷自身高度
2S
发射探头 接收探头
d1 d2
h = d 2 − 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， 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 检测人工缺陷时可以达到0.1 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 mm )。 检测人工缺陷时可以达到 中国工业检验检测网 。
折射波
裂纹
衍射波
中国工业检验检测网
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 。
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衍射现象
入射波 衍射波
折射波
中国工业检验检测网
TOFD 的局限性
在外表面附近有约3mm的盲区 内表面附近也可能存在盲区 对“噪声”敏感 夸大了一些良性的缺陷, 如气孔, 未熔合。FD: 典型的设置
发射探头 直通波
接收探头
上端点 下端点 内壁反射信号
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A扫信号 扫信号
发射探头 接收探头
直通波
内壁反射波 LW BW
上端点
下端点
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培训教程
TOFD – 超声波衍射时差法
也叫 “裂纹端点衍射法” 或 “尖端反射法”
中国工业检验检测网
info@ •
什么是 TOFD?
衍射时差法 (TOFD)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。
应用 TOFD 技术检测到的缺陷信号
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近表面裂纹
1 2
1
2
裂纹上尖端信号将直通波信号打断
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X形坡口中部未焊透 形坡口中部未焊透
能够清晰的看到上下尖端信号
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气孔
1
2 1
3
2
气孔信号或单个出现，或成串的出现
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横向裂纹
1 1 2
1 2 3
2 3
4
3
能够看到裂纹的宽波束信号
缺陷位置的影响
S
发射探头
S
接收探头
t0 d
t0
x
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缺陷位置的不确切性
S
发射探头
S
接收探头
t1 相等时间的轨迹 (t1+t2=ct)
dmin dmax t2
实际上: 实际上 绝对深度的最大误差低于10 绝对深度的最大误差低于 %.
c
LW
BW
典型的多通道UT仪器用户界 典型的多通道 仪器用户界 还有软件向导。 面友好 ，还有软件向导。
D扫 扫
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TOFD的优点 的优点
对于焊缝中部缺陷检出率很高 容易检出方向性不好的缺陷 可以识别向表面延伸的缺陷 通过时间检测缺陷的信号 和脉冲反射法相结合时效果更好
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根部内凹
1
1
2
2 3
3
内壁反射信号发生扭曲
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层间未熔合
1 2 3
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TOFD 扫查图
在一幅好的 TOFD图 图 上可以清晰地看到直 通波。 通波。 一般用于校 准。 如果待检表面比较干 净，则缺陷信号比较 明显。 明显。
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校准
PCS t0 T PCS（探头入射点间 （ 距离） 壁厚, 速度, 距离）, 壁厚 速度 探头延时, 探头延时 横向波或 内壁反射信号 t0 A扫 扫
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D-scan
测量工具
A扫 扫 d1 h 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 扫
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水平方向的平面形缺陷
(层间未熔 冷夹层 层间未熔, 冷夹层) 层间未熔
发射探头 接收探头
直通波 反射信号
内壁反射波 LW BW
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反射回波
数据显示
波幅 + 白色
时间
-
黑色
时间
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A扫图用带黑度的线表示 扫图用带黑度的线表示
数据显示
LW A扫 扫
D扫 扫
BW
上表面
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内壁
校准工具
PCS t0 T t0 A扫 扫
c
LW
BW
PCS（探头入射点间 （ 距离） 壁厚, 速度, 距离）, 壁厚 速度 探头延时, 探头延时 横向波或 内壁反射信号 不需要知道所有的参数
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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 扫 这种扫查会产生典型的 反向抛物线 中国工业检验检测网
TOFD 扫查图