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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。
![[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](https://uimg.taocdn.com/8e34eaaa0722192e4536f6b4.webp)
[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)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。
超声波衍射时差法(TOFD）技术分析发表时间：2018-12-05T16:15:38.130Z 来源：《科技新时代》2018年10期作者：陈拥军[导读] 针对超声波衍射时差法，在介绍其原理、优缺点的基础上，对其与A型脉冲检测和射线探测两种方法进行了对比，明确其优势和特点所在，为其推广应用提供参考依据。
（中国能建葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北宜昌 443000）摘要：针对超声波衍射时差法，在介绍其原理、优缺点的基础上，对其与A型脉冲检测和射线探测两种方法进行了对比，明确其优势和特点所在，为其推广应用提供参考依据。
关键词：超声波衍射时差法；A型脉冲检测；射线探测超声波衍射时差法（Time of Flight Diffraction，TOFD）最初主要用于缺陷测高，经过多年的完善和发展，正不断取代传统检测技术，在缩短检测周期的同时保证检测结果准确性。
1超声波衍射时差法基本原理在不具连续性缺陷尖端进行波形转换，如果完成转换后有衍射波，则该衍射波将覆盖很大范围，继而对缺陷进行检测。
通过对飞越时间的准确记录，就能对缺陷高度进行测量，进而实现缺陷的准确定量，对于缺陷的尺寸，一般被定义成信号对应的飞越时间差，但要注意的是信号波幅和缺陷的定量之间没有关系。
该技术由两部分组成，分别为超声波发射（存在一定间隔距离）和超声波接收探头，因缺陷尖端所在方向波往往较弱，所以常用角度相对较大的探头在一定长度范围内进行一次扫查，这一过程中应做到精确，声波脉冲被探头接收以后，将得到侧向波，该侧向波于工件表面以下进行传播。
若未检出缺陷，则底面回波将被探头接收[1]。
以上信号均可作为参考，若未考虑变形波，则缺陷信号处在这两个信号之间。
当两个信号均已到达以后，发射与接收探头之间的路径会有明显的长短，一般是指缺陷下尖端对应的信号。
对缺陷而言，其高度是指尖端之间的飞越时间，需要注意的是，侧向波和底面回波，两者相位完全相反，同时上、下尖端相位同样完全相反。
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。
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。
[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。
