TOFD特检院培训

1 目 录 第一章 TOFD 基础知识及原理介绍 ...................................................... 1 1.1 TOFD 历史背景 .......................................................................................................... 1 1.2 衍射现象 ....................................................................................................................... 1 1.3 衍射信号波幅变化 ....................................................................................................... 3 1.4 TOFD 技术应用的基本知识 ......................................................................................... 4 1.4.1 探头配置 ........................................................................................................... 4 1.4.2 超声波类型 ....................................................................................................... 4 1.4.3 波型转换 ........................................................................................................... 5 1.4.4 TOFD 技术的 A 扫波 ....................................................................................... 5 1.4.5 A 扫波的相位关系 ........................................................................................... 6 1.5 信号处理与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 方法 ................................................................................................... 7 1.5.1 信号平均 ........................................................................................................... 7 1.5.2 图像拉直 ........................................................................................................... 8 1.5.3 去除直通波 ....................................................................................................... 8 1.6 抛物线拟合指针 ........................................................................................................... 8 1.6.1 用抛物线指针测量缺陷长度 ......................................................................... 10 1.7 对比试块 ..................................................................................................................... 10 1.8 TOFD 技术的优点和局限性 ..................................................................................... 11 第二章 TOFD技术的信号处理以及硬件系统知识 ........................................ 12 2.1 模拟信号与数字信号 ................................................................................................. 12 2.2 数模转换和数字采样 ................................................................................................. 13 2.3 灰度成像和 D扫 ......................................................................................................... 14 2.4 TOFD 检测系统的组成 ............................................................................................. 16 2.4.1 TOFD 检测仪器的主要功能 ......................................................................... 16 2.4.2 TOFD检测仪器的主要性能指标 .................................................................... 17 2.5 带宽和滤波 ................................................................................................................. 18 2.6 脉冲特性 ..................................................................................................................... 19 2.6.1 脉冲宽度 ......................................................................................................... 19 2.6.2 脉冲上升时间 ................................................................................................. 20 2.6.3 脉冲高度 ......................................................................................................... 20 第三章 TOFD技术的工艺知识 .......................................................... 21 3.1 探头的一般要求 ......................................................................................................... 21 3.2 探头的扩散角和频率分量计算 ................................................................................. 22 3.2.1 声束扩散角计算 ............................................................................................. 22 3.3 不同频率分量在波束中的分布 ................................................................................. 25 3.4 扫查方式和信号测量 ................................................................................................. 26 3.4.1 扫查方式的选择 ............................................................................................. 26 3.4.2 信号的位置测量 ............................................................................................. 28 3.5 TOFD 技术的盲区和扫查误差 ................................................................................. 29 3.6 相关信号的传播时间和深度计算 ............................................................................. 30 3.7 TOFD 相关的时间窗口计算 ..................................................................................... 31 3.8 探头的选择 ................................................................................................................. 32 2 3.8.1 PCS 的设定 ..................................................................................................... 32 3.8.2 探头角度的选择 ............................................................................................. 32 3.8.3 探头频率的选择 ............................................................................................. 33 3.8.4 探头晶片尺寸的选择 ..................................................................................... 34 3.9 增益设定 ..................................................................................................................... 35 3.9.1 利用直通波设置增益 ..................................................................................... 35 3.9.2 用晶粒噪声来设置增益 ....................................................................................... 36 3.9.3 用底面反射波来设置增益 ................................................................................... 36 3.9.4 用尖角槽的衍射波来设置增益 ........................................................................... 36 3.9.5 用侧孔的反射波来设置增益 ............................................................................... 37 3.9.6 选择设置增益方法的小结 ................................................................................... 37 第四章 数据判读....................................................................... 38 4.1 在线分析 ..................................................................................................................... 38 4.2 离线分析 ..................................................................................................................... 38 4.3 缺陷类型及信号特征 ................................................................................................. 39 4.4 TOFD记录中的气孔和夹渣 ........................................................................................ 40 4.5 上表面开口缺陷 ......................................................................................................... 41 4.6 下表面开口缺陷 ......................................................................................................... 43 4.7 详细定性的进一步扫查 ............................................................................................. 44 第五章 TOFD检测 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ................................................................. 45 1 第一章 TOFD 基础知识及原理介绍 1.1 TOFD 历史背景 TOFD 技术（Time of Flight Diffraction Technique）是一种基于衍射信 号实施检测的技术，即衍射时差法超声检测技术。 上世纪七十年代，由于工业发展的需求的不断增多，Mauric Silk 博士（英 国国家无损检测中心）率先提出了 TOFD技术。在 TOFD系统的发展过程中，计算 机和数字技术的应用起到了决定性的作用。早期的常规超声检测使用的都是模拟 探伤仪，用横波斜探头或纵波直探头做手动扫查，大多数情况采用单探头检测， 仪器显示的是 A扫波型，扫查的结果不能被记录，也无法作为永久的参考数据保 存。自二十世纪九十年代起，模拟仪器开始慢慢演变为由计算机控制的数字仪器， 随后数字仪器逐渐完善和复杂化，可以配置探头阵列，自动扫查装置，而且能够 记录和保存所有的扫查数据用于归档和分析。 TOFD检测需要记录每个检测位置的完整的未校正的 A扫信号，可见 TOFD检 测的数据采集系统是一个更先进的复杂的数字化系统，在接收放大系统、数字化 采样、信号处理、信息存储等方面都达到了较高的水平。 TOFD技术与传统脉冲回波技术的最主要的两个区别在于： A) 更加精确的尺寸测量精度(一般为±1mm，当监测状态为±0.3mm)，且检 测时与缺陷的角度几乎无关。尺寸测量是基于衍射信号的传播时间而不依赖于波 幅。 B) TOFD技术不使用简单的波幅阈值作为 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 缺陷与否的标准。由于衍射信 号的波幅并不依赖于缺陷尺寸，在任何缺陷可能被判不合格之前所有数据必须经 过分析，因此培训和经验对于 TOFD技术的应用是极为基本的要求。 1.2 衍射现象 衍射是波在传输过程中与传播介质的交界面发生作用而产生的一种有别于 反射的物理现象。当超声波与有一定长度的裂纹缺陷发生作用，在裂纹两尖端将 2 会发生衍射现象。衍射信号要远远弱于反射波信号，而且向四周传播，没有明显 的方向性。如图 1.1 所示： 任何波都可以产生衍射现象，如光波和水波。 衍射现象可以用惠更斯（Huygens）原理解释,即介质中波动传播到的各点都 可以看作是新的发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包络面就构成了新 的波阵面，图 1.2 为惠更斯原理示意图。由图可以看出，裂纹尖端的子波源发出 了方向不同于反射波的超声波，即为衍射波。缺陷端点越尖锐，则衍射现象越明 显，反之，端点越圆滑，衍射越不明显。 3 1.3 衍射信号波幅变化 下图是衍射波波幅在不同的探头折射角度下随角度变化的实验结果示意图。 由图可见，将 TOFD 探头放在垂直于试件的表面的裂纹两侧，等距离放置，分别 用来发送和接收信号，并且确保探头的角度能够同时产生和收到缺陷上端点和下 端点的衍射信号。实验结果表明，当折射角度为 65°时，上下尖端的衍射信号 波幅均为最大。其中下尖端信号在 38°时，波幅下降很大，而在 20°时，又出 现上升，可见下尖端信号波幅曲线出现两个波峰。而在 45°到 80°之间，上下 尖端衍射信号波幅均成规律性变化，而且下尖端衍射信号要略高于上尖端信号， 但是变化幅度不超过 6dB。因此，TOFD 技术探头通常在 45°- 70°之间，避开 了 38°这一不利角度。 4 1.4 TOFD 技术应用的基本知识 1.4.1 探头配置 在 TOFD技术应用中可以使用单一探头，但并不推荐这样使用，因为使用单 探头时返回探头的衍射波信号很可能被缺陷的反射波掩盖，导致单探头系统对端 点衍射信号接收存在不确定性。使用两个探头配对组成一发一收的双探头系统， 则可以避免镜面反射信号对衍射波信号的干扰，从而在任何情况下都能很好的接 收到缺陷端点衍射波的信号。另外还容易实现大范围的扫查，快速接收大量的信 号。因此，双探头扫查系统可以说是 TOFD技术的基本配置和特征之一。 1.4.2 超声波类型 对于常用的脉冲反射法探伤来说，大多数情况下使用的超声脉冲都是横波。 通过特殊的设计使探头只发射横波而没有纵波，这就避免了工件中存在两种波而 导致回波信号难以识别的问题。在 TOFD 检测中不使用横波而选择使用纵波，其 主要目的也是为了避免回波信号难以识别的困难。 在各种波中，不同模式的声波以不同的声速传播，纵波的传播速度最快，接 近横波的两倍，所以纵波能够在最短的时间内到达接收探头。而且使用纵波并利 用纵波的波速来计算缺陷的深度所得到的结果也是唯一的。但是如果使用横波检 测，并根据横波波速来计算缺陷的位置则结果可能是不唯一的。大家都知道，任 意一种波都可以通过折射或衍射转换成为其他类型的波。如果一束横波通过端点 衍射后产生纵波，那么纵波信号将先于横波到达接收探头，这时采用横波的波速 计算就会得到错误的缺陷位置。 在 TOFD 检测中，通过波的传输时间来确定缺陷的位置，所以信号传输的时 间与缺陷的位置都是有唯一性的。在一般的金属材料中，纵波最先到达接收探头， 根据最先到达探头的纵波信号来识别缺陷和以纵波波速计算其位置，就不会与后 面到达的横波信号混淆，也不会发生差错。而使用不论哪一种变型波或者横波信 号判断缺陷的位置，都可能得到错误的结果。 TOFD 中两种有关的声波类型是： 1) 纵波：对于纵波，介质质点的振动方向与波的传播方向是一致的。碳钢 5 中纵波声速约为 5950m／s。 2) 横波：对于横波，介质质点的振动方向垂直于波的传播方向。碳钢中横 波声速约为 3230m／s。 1.4.3 波型转换 任意一种波都可能通过折射或衍射转换成为其他种类的波。因此在 TOFD检 测时，被测工件中会存在多种波。首先是发射探头发射出的纵波和横波；其次， 波在传播过程中遇到一些缺陷或者底面时，也会发生波型转换，即由纵波转换出 横波以及由横波转换出纵波。由此，接收探头得到的信号包括所有纵波，所有横 波，波型转换后的一部分纵波和横波。 1.4.4 TOFD技术的 A 扫波 TOFD扫查时的 A扫波通常包括： 1） 直通波 通常，在 TOFD 中最先观察到的是微弱的直通波，它在两个探头之间的 最短路径以纵波速度传播，即使探头之间的金属表面弯曲，它依然在两探头 之间直线传播。总之它遵守 Fermat 原理，即在两点之间直线传播费时最少。 对于表面有覆层的材料，其直通波基本上都在覆层下的材料中传播，覆 盖层本身对直通波并没有太大影响。直通波不是真正的表面波，而是在声束 边缘产生的体积波。直通波的频率往往是比声束中心处波的频率低(声束扩散 与频率相关，对于较宽的声束扩散存在较低的频率成份)。对于真正的表面波， 其波幅随着检测面的距离增加呈指数衰减。对于较大的探头间距，直通波可 能非常微弱，甚至不能识别。 2） 缺陷信号 若被测工件中存在一个裂纹缺陷，则超声波在缺陷上部和下部尖端都将 产生衍射信号，这两个信号在直通波之后底面反射波之前出现，而且信号强 度都比直通波要强，比底面回波弱。若缺陷高度较小，则通常这两个信号会 发生重叠，为了能很好的辨别这两个信号，通常采取减小信号周期的方法。 3） 底面反射波 6 底面反射波的传播距离较大，所以在直通波和缺陷衍射波之后出现。 4） 波型转换信号以及底面横波信号 TOFD探伤检测中，对这些信号一般不做观察。 1.4.5 A 扫波的相位关系 下图为包含直通波及底波信号的 A 扫描记录。高阻抗介质中的波在与低阻 抗介质界面处反射，会产生 180 度的相位变化(如钢到水或钢到空气)。这意味着 如果到达界面之前波形以正循环开始，在到达界面之后它将以负循环开始。 当存在缺陷时，将出现如下图所示情形。缺陷顶端的信号类似底面反射信号， 存在 180°相位变化，即相位像底波一样从负周期开始。然而，缺陷底部波信号 如同绕过底部没有发生相变，相位如直通波，以正周期开始。理论研究表明，如 果两个衍射信号具有相反的相位，他们之间必定存在连续的裂纹，而且只在少数 情况下上下衍射信号不存在 180 度相位变化，大多数情况下，他们都存在着相位 7 变化。因此，对于特征信号和更精确的尺寸测量，相位变化的识别是非常重要的。 例如试样中存在两个夹渣而不是一个裂纹时，可能出现两个信号。在这种情况下 信号没有相变。夹渣和气孔通常太小一般不会产生单独的顶部和底部信号。信号 可观察到的周期数很大程度上取决于信号的波幅，但相位往往难以识别。对于底 面回波更是如此，它由于饱和无法测出相位。在这种情况下，首先将探头放置在 被测试样或校准试块上，调低增益，使底面回波或其他难以识别相位的信号调整 到像缺陷信号一样具有相同的屏高，然后增大增益，记录信号如何随相位变化。 这种变化往往集中在二、三个周期中。 正因为相位信息如此重要，所以 TOFD技术需要采集数字化的原始信号信息。 1.5 信号处理与分析方法 1.5.1 信号平均 前面已经讲过从裂纹尖端得到的衍射信号比较弱，所以很容易受到电路中的 8 噪声影响，导致缺陷信号难以辨别。噪声通常是由系统的随机电信号引起的，我 们可以通过信号平均来减少噪声。 但是使用信号平均的方法来提高信噪比是有前提的，一是参与平均的有用信 号应该是一致的，要有较大的相关性；二是噪声部分是随机的，不具有相关性。 1.5.2 图像拉直 在 TOFD 检测实际操作中，经常会出现信号弯曲的现象，导致这个现象的原 因可能是耦合层厚度不均匀，工件表面不平整等原因，所以很多情况下我们需要 对图像进行拉直处理，以方便我们对缺陷信号的识别以及缺陷长度的测量等。 “拉直”是数字信号处理的一种简单方式，以直通波或者底面反射波作为参 照，使弯曲的图像变直，看上去就像耦合层是稳定的一样。 1.5.3 去除直通波 在对 TOFD 扫查图像进行处理的时 候，会出现近表面缺陷信号隐藏在直 通波信号之下无法处理的情况，我们 可以通过图像处理的方法来解决。因 此 TOFD软件都会提供一个“去除直通 波”（差分）的功能，可以去除指定地 方的掩盖了近表面缺陷信号的直通 波。右图就是一个直通波去除的例子。 1.6 抛物线拟合指针 在扫查图像的分析和处理中，抛物线指针主要用于缺陷的定位和定量。 A 扫有一个很大的缺陷就是信号的识别性不好。而 TOFD 技术通过连续的扫 查将大量的 A 扫信号集中起来组成连续的一幅图像，因此在 TOFD 扫查结果中， 不管是 B扫还是 D 扫，缺陷的识别都比在 A扫中容易的多。 在 TOFD扫查图像中，由于声束的衍射、扩散等等，缺陷会呈现特殊的形状， 但是只要掌握 TOFD 信号显示的特点和规律，对于缺陷的识别也是不难的。只是 9 在 TOFD 图像的识别中，测量信号的深度和缺陷的尺寸都需要借助特别的工具- 抛物线指针，用来与缺陷的特征弧线进行拟合，这样才可以保证缺陷位置、高度 和长度的测量准确性。 在 TOFD 扫查过程中，由于缺陷衍射信号的传输时间随着探头位置的变化而 变化，所以不管是 B扫还是 D扫，无论是点状缺陷还是线性缺陷，缺陷的端点都 会形成一个 TOFD技术特有的、向下弯曲的特征弧形显示。 我们拿均匀厚度试块上的单个点来举例。当这个点位于由探头声束中心线所 在的垂直平面上并且到两探头的距离相等时，信号 传输时间最短。如果探头装置向任何一方移动一点， 信号仍然会存在，因为这个点仍然在探头发出的声 场范围内。但是由于距离的增加，信号传输的时间 就会变长，显示屏上信号出现的位置也就会出现一 定的延时。这样的话，通过连续的扫查就会产生一 幅具有向下弯曲特性的显示图像。如右图就是一个 典型的点状缺陷在 TOFD扫查中的成像。通过调校后 的抛物线可以很好的拟合起来。 但是对于线性缺陷来说，如果其处于同焊缝水平的位置，而且探头装置移动 方向与缺陷方向一致，那么移动过程中始终有位于探头声束中心线所在的垂直平 面上的点的衍射信号最先被接收。虽然由于波束扩散，较远一点的衍射信号能够 被接收到，使得单个信号的图形表现成弧形，但 是整个条形缺陷所得到的信号是沿缺陷长度方向 的所有弧线曲线的综合，各信号可以产生互相抵 消性干涉，使得缺陷中部各点衍射信号所表现出 来的 A 扫组合信号呈直线，只是在两端会呈弧线 形状。如右图就是一个条状缺陷。 10 1.6.1 用抛物线指针测量缺陷长度 在 TOFD的非平行扫查（D扫）图像中测量缺陷的长度不会像测量深度那样 根据信号出现的精确时间来计算，而是通过测量信号两端的位置来估算的，有时 还需要根据波束的扩散来进行修正。 与工件表面平行的埋藏缺陷的长度测量比较简单。测量时，首先将抛物线的 指针与缺陷图像的左端点弧形进行拟合，然后再对右端点弧形进行拟合，计算扫 查方向上两个抛物线位置之差，便是该缺陷的长度。 对于弯曲或者走向倾斜的缺陷，测量其长度比较困难。典型的情况是底面开 口裂纹，其在深度上的轮廓呈现为曲线，多数情况下近似于椭圆曲线，这主要因 为他们是从表面原始缺陷开始扩展而形成的，因此在 D扫图像中该类裂纹信号显 示的是曲线而不是直线。对于底面开口裂纹，当看到图像中信号弯曲而且形成一 个顶部的时候，应该采用曲线型测量技术来测量长度。 曲线型测量技术主要方法为：移动抛物线指针使其尽量与弯曲信号的两侧拟 合，如果不能完全拟合，则尽量使抛物线指针与信号末端的三分之一相拟合，然 后测量两抛物线指针的距离，即为缺陷的长度。抛物线指针拟合的越好，则测量 的误差会越小。 1.7 对比试块 对比试块也可称为参考试块，是指用于 TOFD 检测校准的试块。TOFD 检测校 准通常包括两项内容： 增益校准和扫查分区校准。 对比试块的一般要求 对比试块应该采用与被测工件声学性能相同或者相似的材料制成，其外 形尺寸应能代表工件的特征和满足扫查装置的扫查要求，试块厚度应与工件 厚度相对应。 检测曲面工件的焊缝时，应选择与工件有相近曲率的试块。 对比试块的厚度要求 1. 最大厚度 由前面叙述可知，当裂纹下尖端相对于探头的折射角度为 38°时，其衍 11 射信号波幅下降到 0。为了避免在试块底面附近出现这一不利情况，需要规 定试块的最大壁厚。 一般 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 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°。 2. 最小厚度 试块的最小厚度应该使得声束的交点处于试块内。 1.8 TOFD 技术的优点和局限性 总的来说，TOFD 技术有很多优点： 1. 可靠性好，由于利用的是波的衍射信号，不受声束角度的影响，缺陷 的检出率比较高。 2. 定量精度高。 3. 检测过程方便快捷。一般一人就可以完成 TOFD检测，探头只需要沿焊 缝两侧移动即可。 4. 拥有清晰可靠的 TOFD扫查图像，与 A型扫描信号比起来，TOFD扫查图 像更利于缺陷的识别和分析。 5. TOFD 检测使用的都是高性能数字化仪器，记录信号的能力强，可以全 程记录扫查信号，而且扫查记录可以长久保存并进行处理。 6. 除了用于检测外，还可用于缺陷变化的监控，尤其对裂纹高度扩展的 测量精度很高。 但是 TOFD技术也有它自身的局限性： 1. 对近表面缺陷检测的可靠性不够。上表面缺陷信号可能被埋藏在直通 波下面而被漏检，而下表面缺陷则会因为被底面反射波信号掩盖而漏检。 2. 缺陷定性比较困难。 3. TOFD图像的识别和判读比较难，需要丰富的经验。 4. 不容易检出横向缺陷。 5. 复杂形状的缺陷检测比较难。 6. 点状缺陷的尺寸测量不够精确。 12 第二章 TOFD 技术的信号处理以及硬件系统知识 2.1 模拟信号与数字信号 自然界中存在着很多在时间和数量上都是连续的物理量，称为模拟量。比如 日常生活中常见的有：压力、温度、声音等等。在工程上常用传感器将模拟量转 换为电流、电压、电阻等电信号，称为模拟信号。超声波检测使用的脉冲信号是 模拟信号的一种。 自然界中还存在另外一种时间和数值上都表现出离散特性的物理量，也就是 说它们在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间，这类物理量也称为 数字量。比如股票的价格、国家 GDP总量、文章的字数等等。用来表示数字量的 信号称为数字信号。 数字信号通常用数字波形表示，数字波形是逻辑电平与时间的关系。逻辑电 平通常用 0和 1来表示，这个 0和 1区别于十进制中的数字，它们是逻辑 0和逻 辑 1，可以称为二值数字逻辑或简称数字逻辑。在电路上，用电子器件的开关特 性很容易实现数字信号的数字逻辑 0和 1。如下图的脉冲波形，此时，数字波形 和脉冲波形的关系是统一的，区别是表达方式不同，前者用逻辑电平表示，后者 则用电压值表示（如下图所示）。 在电子和信息技术系统中，数字信号具有非常重要的地位和意义。模拟信号 有很多的局限性，比如容易失真，精度低，抗干扰能力差，远距离传输和大规模 的存储都很困难，也无法进行复杂的分析处理等等，而如果将模拟信号转换为数 字信号，上面的问题都会迎刃而解。数字化技术可以说是计算机技术、多媒体技 术、智能技术和信息技术的基础。同样，TOFD 技术能够发展和应用起来，前提 条件也取决于超声模拟信号的数字化。 13 TOFD技术要求保存扫查过程中每个检测位置的完整的未处理的 A 扫信息， 这些信息就是模拟信号转换为数字信号之后保存的。采用数字化来记录保存超声 波检测数据有很多优点： 1.能够实现检测数据的长期和海量的存储。 2.便于采用各种信号处理的操作，比如信号增强、平均、叠加等等。 3.可以随时取来使用、再分析等等，而且文件传输方便。 4.精度比较高，抗干扰能力强。 2.2 数模转换和数字采样 超声波检测的模拟系统优点是速度快，队列探头的激发、回波的峰值检测， 以及信号的放大和滤波都是在模拟模式下进行的。然而，由于需要存储所有的检 测数据并对数据进行进一步的分析和处理，模拟信号必须进行数字化。 模拟信号数字化的主要原理是，对模拟波形用相同的时间间隔来进行取样， 每个样本的信息包括幅度、位置和相位，然后由计算机保存起来。这样保存在计 算机中的信息就不是波形，而是由一连串包含足够特征量，能够重建该 A扫显示 的数字信号。 模拟信号的数字化必须遵循采样定理。采样的意思就是将一个模拟信号转换 成一个数值序列。采样定理指出：要使信号采样后能够不失真还原，采样频率必 须大于信号最高频率的两倍。采样定理是数字电子技术和信息技术中的重要定理 之一，最早由美国物理学家奈奎斯特（Harry Nyquist）于 1928 年提出。1933 年苏联工程师科杰利尼科夫（V.A.Kotelnikov）用公式严格的表述这一定理，因 此有时这一定理也被称为奈奎斯特-科杰利尼科夫采样定理。1948 年信息论的创 始人香农（Claude Shannon）对这一定理加以明确说明并正式作为定理引用，因 此许多文献中又称之为香农定理。采样定理在信息处理、数字通信和采样控制理 论等领域有广泛的应用。 前面采样定理指出采样频率必须大于信号最高频率的两倍，因为只有这样才 可以保证正弦波的每个半周期内至少有一个样点，这被称为 Nyquist 极限。如果 采用低于信号最高频率两倍的采样频率来进行采样，则采样点不足以使每个半周 期内都有一个样本，那么当进行信号重建时，将不能重建正确的频率，那么计算 14 机也不能得到正确的数据。因此采用正确的采样频率是很有必要的。 例如某探头频率是 5MHz，数字化频率是 25MHz。该 A扫波形以每 1/25=0.04 μs的时间间隔进行样本采集，那么在回波信号的一个周期内（1/5=0.2μs）内 将有 5个样本。 模拟/数字转换器以选定的采样率对 A 扫信号进行取样。采样点的位置相对 于超声波信号的任何位置是随机的，因此一个样本能否取在正半周期波峰或者负 半周期波峰都是有一定几率的，这样的话最大振幅的测量有可能不正确。数字化 频率越高，样本采集到峰值的几率就越大，数字信号对于模拟信号失真的程度就 越小。 实际情况下，采样数量越多，重构的波形越精确。要得到理想的波形，可以 提出高的要求，例如每周期采样 10 个样本或者更多，那么对于上述例子来说采 样频率就要采用 50MHz 或者更高。但是采样频率越高，也意味着 TOFD 的 A 扫的 采样点数量越大，仪器所需要的存储空间也就越大，扫查的速度也会降低。 当检测厚度很大的焊缝时，TOFD的 A 扫的持续时间会很长，如果仍选取很 高的数字化频率，那么样本的数量会很大。因此要寻找一个折中的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ：要获得 一个合适的数字化峰值信号（平均误差在 10%以内），每个信号周期至少需要 5 个样本。需要指出的是，对于常规的脉冲回波检测，因为任何尺寸估计都依靠猜 测信号振幅的最大值，所以数字化采样取到波峰很重要。而对于 TOFD 检测技术 来说，峰值的测量并不十分重要，因为衍射点的深度与信号到达时间有关，并不 取决于信号的幅度。总之，要想保证检测的准确性，必须要减小信号失真，这就 意味着要有足够的采样点数量。典型的探头频率如 2MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz， 则所使用的数字化采样频率至少应该达到 10 MHz，25 MHz，50 MHz，75 MHz。 目前很多数字超声波系统的最大数字化采样频率已经超过了 60 MHz。 总之，对模拟信号进行采样时，使用的数字化频率至少是该信号频率的两倍， 工业检测应用的数字化频率应该至少是探头中心频率的 5倍。 2.3 灰度成像和 D扫 扫查后显示的 A扫是数字采样后得到的信息，它是由一组表示数字化样本的 点绘制而成的。屏幕的纵坐标表示幅度（+100%到-100%全屏幕高度），而横坐标 15 表示从发射脉冲开始，超声信号传输的时间。使用光标从显示的 A扫中可以进行 幅度和时间测量。 连续不断的 A 扫波可以显示成 D扫或者 B扫图像。D扫的意思是沿着焊缝的 扫查，B扫的意思是垂直于焊缝的扫查。两种扫查图像都是由一系列 A扫波组成 的。使用 D扫或者 B扫图像的优点是能够又快又准地发现缺陷。有些衍射信号非 常弱，在一个独立的 A 扫波中可能不易被发现，但是在连续的 A 扫波组成的 D 扫图或者 B扫图中则很容易被识别。 在 D扫图像中，采用了不同灰度的等级来表示信号的幅度。在灰度码中，振 幅的范围从纯白色到纯黑色，其中纯白色表示+100%满屏信号，经过在 0%位置的 中间灰色，到纯黑色表示-100%满屏。但是有些系统可能使用反向灰度表示，即 从黑色到白色，选择哪一种表示方式对检测结果影响并不大。 由此可知一个 A 扫信号可以转换为由许多淡灰色和深灰色的色点交替组成 的一行，色点的数量取决于采样频率，色点的灰度取决于采样点的幅度。我们可 以采用增强对比度来提高信号振幅，这依赖于一些算法。其中最简单的方法就是 使用一个刻度从-100%到+100%全屏高度的线性振幅来计算。在一个很小的振幅刻 度范围内使用全灰度等级，使灰度级别黑色变为白色，从而实现对比度增强。例 如在-50%到+50%全屏高度范围内使用全灰度等级，振幅超出+50%显示为纯白，低 于-50%显示为纯黑，这样可以使信号的微小变化也很容易被发现。 正常情况下 TOFD 扫查图像的横坐标代表扫查方向和探头相对位置，纵坐标 是声波传输时间，代表工件厚度方向。A扫信号的波幅在成像的过程中会转换成 对应的灰度，图像中信号显示由一些白色和黑色的条纹构成。条纹的白与黑次序 与信号的相位有关，可根据信号相位的关系来判断扫查图像中的直通波、底面反 射波以及缺陷的上下端点信号。在测量信号的传输时间、深度值或缺陷的高度值 时，通常测点选在条纹的白-黑交界或者黑-白交界处。 一幅合格的 TOFD 图像需要满足的条件是：通过观察该图，可以判断其增益 设置比较适当，扫查过程很平稳，获取的信息比较完整。由直通波可以判断其 A 扫波幅在 40%-80%之间，增益选择恰当；直通波没有被干扰，扫查速度适当均衡， 耦合良好；缺陷信号清晰明显；下表面反射波很直而且下表面变型波显示正常等 等。 16 2.4 TOFD检测系统的组成 TOFD检测系统主要包括硬件系统和软件系统。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。我们可以认为扫查器、探头 和试块都是 TOFD 检测仪器的功能延伸，试块用来调校仪器、探头和扫查器的参 数，探头负责将仪器的发射电脉冲转换成超声波进入检测工件，并将接收到的超 声信号转换为电信号传给检测仪器。 2.4.1 TOFD检测仪器的主要功能 TOFD检测仪器是一种由计算机控制的能够满足 TOFD检测工艺过程特殊要求 的数字化超声波检测仪，主要用来实现以下功能： 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，输出检测报告。 典型的 TOFD 检测仪器可以分为模拟和数字两个部分，包括脉冲发射电路、 信号接收放大器、模/数转换电路、数字逻辑控制电路、接口电路、探头位置传 感器等六个单元和计算机终端。 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。多数仪器会有多条发射/接收通道，在计算机控制下进行顺序的多 路传输。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。滤波将减小信号的幅度， 但可以改善信噪比。对于非常弱的 TOFD信号，需要大约 70dB的增益，这时滤波 器对提高信噪比非常有用。 如果 TOFD 信号非常弱或者探头距离主放大器非常远，在尽可能地接近接收 探头的位置上使用一个分立的前置放大器是非常有用的。通常使用前置放大器将 信号增益 30或 40dB。电池供电的前置放大器的优点是不与数据采集系统的外接 电源相接，因此受到的电噪声的影响很少。 17 经过放大和滤波后的模拟信号通过模/数转化器转换为数字信号，存储在计 算机存储器中，供 TOFD检测人员分析处理。 2.4.2 TOFD检测仪器的主要性能指标 TOFD检测仪器的性能指标有如下的基本要求： 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。 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。 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。 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%。 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。 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 18 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。 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。 2.5 带宽和滤波 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，这 个概念或许比较抽象，我们有必要作进一步解释。大家都知道，各类复杂的电子 电路无一例外都存在电感、电容或相当功能的储能元件，即使没有采用现成的电 感线圈或电容，导线自身就是一个电感，而导线与导线之间、导线与地之间便可 以组成电容——这就是通常所说的杂散电容或分布电容；不管是哪种类型的电 容、电感，都会对信号起着阻滞作用从而消耗信号能量，严重的话会影响信号品 质。这种效应与交流电信号的频率成正比关系，当频率高到一定程度、令信号难 以保持稳定时，整个电子电路自然就无法正常工作。为此，电子学上就提出了“带 宽”的概念，它指的是电路可以保持稳定工作的频率范围。 后来人们又专门设计了一些特殊的电路和元器件，可以让信号通过的时候过 滤掉一部分频率范围的信号，这就是选频和滤波。 带宽一般以-3dB（或者-6dB）定量测量。所谓-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