目 录第一章 TOFD 基础知识及原理介绍 11.1 TOFD 历史背景 11.2 衍射现象 11.3 衍射信号波幅变化 31.4 TOFD 技术应用的基本知识 4 探头配置 4 超声波类型 4 波型转换 5 TOFD技术的A扫波 5 A扫波的相位关系 61.5 信号处理与分析方法 7 信号平均 7 图像拉直 8 去除直通波 81.6 抛物线拟合指针 9 用抛物线指针测量缺陷长度 101.7 对比试块 111.8 TOFD技术的优点和局限性 12第二章 TOFD技术的信号处理以及硬件系统知识 132.1 模拟信号与数字信号 132.2 数模转换和数字采样 142.3 灰度成像和D扫 162.4 TOFD检测系统的结构 17 TOFD检测仪器的主要功能 172.4.2 TOFD检测仪器的主要性能指标 182.5 带宽和滤波 192.6 脉冲特性 20 脉冲宽度 21 脉冲上升时间 22 脉冲高度 23第三章 TOFD技术的工艺知识 243.1 探头的一般要求 243.2 探头的扩散角和频率分量计算 25 声束扩散角计算 253.3 不同频率分量在波束中的分布 293.4 扫查方式和信号测量 31 扫查方式的选择 31 信号的位置测量 333.5 TOFD技术的盲区和扫查误差 343.6 相关信号的传播时间和深度计算 353.7 TOFD相关的时间窗口计算 373.8 探头的选择 37 PCS的设定 37 探头角度的选择 38 探头频率的选择 39 探头晶片尺寸的选择 403.9 增益设定 41 利用直通波设置增益 42 用晶粒噪声来设置增益 423.9.3 用底面反射波来设置增益 42 用尖角槽的衍射波来设置增益 43 用侧孔的反射波来设置增益 433.9.6 选择设置增益方法的小结 43第四章 数据判读 454.1 分析 454.2 离线分析 454.3 缺陷类型及信号特征 464.4 TOFD记录中的气孔和夹渣 474.5 上表面开口缺陷 484.6 下表面开口缺陷 504.7 详细定性的进一步扫查 51第五章 TOFD检测标准 53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中纵波声速约为5950m／s2) 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／s1.4.3 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。