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（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)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。

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）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。

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。

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。

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。

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实际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。