无损检测之TOFD超声波探伤检测系统浅析
"TOFD"即Time off light diffraction,译成中文是"超声波衍射时差法检测"，TOFD检验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。
二.本课题研发内容
1.TOFD系统主机硬件电路、系统软件研发
2.自动探伤系统传感器和扫查架的设计
3.试制TOFD探伤系统样品
三.TOFD主机超声波自动化探伤检测系统方案
TOFD超声波自动化探伤检测系统构成可用图下所示的方框图说明，硬件电路、操作软件研发以此系统构成原理为基础。
其整机主要由同步、发射、时基、接收放大、显示以及报警、电源七大部分组成，各部分的主要功能分述如下：
(一)同步电路
同步电路的作用是产生周期性的同步脉冲信号，用以同时触发TOFD超声探伤仪各部分电路协同工作，它相当于全机的指挥中心。
同步电路输出的控制脉冲应具有陡峭的前沿以保证分辨率的要求，具有一定的触发功率，此外，还必须注意同步脉冲的重复频率(单位时间内产生同步脉冲信号的次数，特别是在高速探伤的超声自动化检测系统中，这是很重要的参数之一)。
重复频率太高时，也会使得两次超声脉冲之间的时间间隔太短，容易使第二次触发的超声脉冲与第一次触发的超声脉冲反射回波相遇而发生干扰，或者是进入了第一次触发的超声脉冲的周期内，也会形成干扰，或者说是第一次触发的脉冲波尚未充分衰减而落入第二次触发的周期内，形成干扰等等，结果会产生例如幻影波、假信号等。
当被检材料透声性优良，而重复频率选择过高时，还会出现所谓"游动波"，特别在钢(例如5CrNiMo、 1Cr11Ni2W2MoV、 Cr17Ni2等)或铝合金锻件中容易出现。这种游动波酷似缺陷的反射回波信号，其特点是从荧光屏水平刻度的始波位置出发缓慢地(快慢不一)向底波方向移动，直至越过第一次底波之后，从始波位置起又重新出现并向底波方向游动，在不同条件下，其移动速度不同，有时极为缓慢，在探伤检测中应注意予以识别。当把重复频率降低后，这种游动波现象即会消失，因此其识别也是比较简单的。
相反，在高速TOFD自动化超声探伤中，为了保证高速扫查以提高检测效率但同时不致漏检，则要求有较高的重复频率，例如，工件厚度方向上某一深度位置存在一个缺陷，探头发出的第一次超声脉冲尚未投射到缺陷上，而探头第二次发射超声脉冲时，探头又已经越过了缺陷位置，从而造成漏检。这需要提高重复频率，亦即是缩短两次发射超声脉冲之间的时间间隔来弥补。假定探头的扫查速度为10米/秒，探头直径为20毫米，为了保证探头移动扫查过程中始终有声束覆盖探测区域以免漏检，则探头每移动20毫米应至少有一次超声脉冲发出，为此其重复频率至少应为1+(20mm/10x103mm/s)=500Hz。实际上，考虑到探测灵敏度的要求，声束覆盖区之间还必须有一定的交互覆盖，这里假定交互覆盖二分之一，也就是说重复频率应达到1KHz。
(二)发射电路
在同步脉冲信号的触发下，发射电路产生大幅度的高频电脉冲输送给超声探头，激励探头发出具有相同中心频率的脉冲超声波入射到被检材料中去。发射脉冲的幅度(脉冲电压)和持续时间(脉冲宽度)的大小决定着发射功率(又称发射强度、发射能量)的大小。
发射功率大，其脉冲电压高，涉及到超声换能器元件的承受能力是否适合，如果电压太高，会导致压电晶体发热、加速老化甚至被击穿损坏，所以大功率超声波探伤仪使用的是专用探头而不能代以普通探头以免造成探头损坏。此外，发射功率大，其脉冲宽度也大，会影响检测时的分辨力，在要求高分辨力，特别是近表面分辨力要求高的情况下，则不宜使用过高的发射功率。当然，发射功率大，带来了检测灵敏度高、穿透距离大、穿透力强的好处，因此必须兼顾分辨力要求和被检材料的具体情况(如声衰减大小)等作综合考虑。
(三)时基电路
在同步脉冲信号触发下，时基电路产生一个随时间呈线性变化的扫描锯齿波电压输送到示波管的水平偏转板上，示波管荧光屏上将出现一个电子束(光点)沿水平方向自左向右地、随时间成正比地扫描，由于人眼的余辉效应，在示波屏上将看到的是一条水平扫描线，又称为时基线或时间轴。同步脉冲信号每触发一次，电子束就扫描一次，所以重复频率越高，扫描线的亮度就越大。
(四)接收放大电路
接收放大电路的功能是把超声探头接收到的超声回波转换成的电信号加以放大，以满足显示观察的需要。它主要包括以下几个部分：
1.衰减器
接收探头输出的电信号首先进入衰减器，它可以以分贝(dB)为单位定量控制由衰减器输送到放大电路的信号，用以比较接收信号的强弱，便于对缺陷大小或材料的超声波衰减情况等进行定量评定。
对衰减器的要求是应具有一定的衰减量，一般至少为50分贝，目前商品化超声波探伤仪上的衰减器其衰减量多在80-110分贝之间。此外，衰减器的输入阻抗(特性阻抗)应为常数，不影响仪器的输入和输出阻抗，并且要与放大电路的阻抗相匹配。衰减器的分贝值必须精确，以免造成定量误差，一般要求至少达到 2dB±0.1dB，这与衰减器所用电阻的性能与精度，以及衰减器的结构和接线方式有关。除此之外，衰减器应有良好的频率响应特性，即频带要足够宽，能覆盖探伤仪的整个工作频率范围。为了抵抗外界干扰，衰减器还应装有接地的屏蔽外壳。
2.TOFD前置放大电路
前置放大电路位于衰减器和高频放大电路之间，其功能是将接收到的微弱回波信号首先进行电压放大。超声探头接收到的回波信号一般只有数百微伏至几伏之间，为便于后面进一步的放大和处理，必须首先采取前置放大。
3.高频放大电路
前置放大电路输出的信号进入高频放大电路进行高增益的选频放大。
前置放大与高频放大合起来总称为接收放大电路，主要有以下几个方面的要求：
(1)采用宽频带放大电路以容纳尽可能多的回波脉冲信号的谐波成分，使放大后的脉冲信号不致失真(畸变)。不过，随着频带的加宽，将会相应增大噪声而降低信噪比，这是必须注意的。所谓放大器的频带宽度，是指放大器具有的频率特性，其放大倍数会随频率变化，在高频端和低频端的放大倍数都要下降，一般把放大倍数下降到相应中心频率放大倍数的21/2/2=0.707倍(即下降3分贝)时高低端频率之差作为放大器的频带宽度，它直接影响检测分辨率。频带宽度越大，脉冲宽度就越窄，放大后的波形畸变也越小，在配合以宽频带(窄脉冲)超声探头使用时，就能获得较高的检测分辨力。
(2)具有较高的增益，即有较大的放大倍数。增益越高，意味着放大电路输出信号幅度与输入信号幅度之比越大，检测灵敏度就越高。不过，随着增益的提高，噪声也要增大，因此决定了增益不可能达到非常高的程度。
(3)具有良好的放大线性，即放大电路输出信号的幅度与输入信号幅度有良好的正比例关系(线性关系)，这决定着检测仪器显示部分的垂直线性，对准确评定回波信号大小进而判断缺陷大小起着重要作用。放大电路能够不失真地输出信号的最大幅度范围则决定了线性放大区-动态范围的大小。
(4)具有抗阻塞特性。在采用单探头(兼顾发射与接收)的工作方式时，高达数百伏甚至上千伏的发射脉冲信号输送给超声探头的同时，也直接进入放大器输入端。在如此高电压的脉冲信号冲击下，使放大器在一段时间内造成放大倍数严重下降甚至完全失去放大作用，这种现象称为阻塞。放大器因阻塞而不能正常工作的时间称为阻塞时间或阻塞区，如果此时探头接收到缺陷回波信号也无法被正常放大，从而检测不到。因此，放大器的阻塞时间要越短越好，这是可以从电路设计上加以改善的。
(5)放大器与衰减器应能达到良好的阻抗匹配。
4. TOFD深度补偿电路
它能在同步脉冲信号触发下产生随时间变化而以对数形式增加的增益补偿，亦即可以改变锯齿波的起始点和上升斜率，使放大器的放大能力随时间延伸而提高，结果是抑制了近区放大能力，相对提高了远区放大能力，起到自动补偿远区检测灵敏度的作用。在实际检测例如较大型的工件或衰减较大的材料时，由于超声波传播路径较长，为了发现远区的缺陷，往往需要较高的接收灵敏度，但是在检测灵敏度较高时，近区的小缺陷、晶粒反射与晶界散射等又会产生强烈的杂乱干扰信号，明显加大近区中有效检测时的盲区(即大大降低近表面分辨率)。利用深度自动补偿电路，可以适当降低近区的检测灵敏度，随着检测深度(声程)的加大-时间延伸，自动地提升增益，从而可以满足检测的需要。
TOFD超声探伤系统可以在示波屏上显示深度自动补偿的灵敏度变化曲线，甚至可以使近区与远区达到相同的检测灵敏度，即近区和远区中相同大小的缺陷能显示出相同的回波高度，此时深度自动补偿的灵敏度曲线呈水平延伸。
5. TOFD检波电路与功率放大电路
检波电路的功能是把放大器输出的脉冲信号取其单向脉冲包络电压馈送给功率放大(视频放大)电路进行增幅，然后输入显示电路，在示波屏上将以正向回波形式显示。单向脉冲包络显示的回波波形简单，便于对回波的位置和大小进行观察评定，但无法对回波携带的相位、周期等信息加以了解。有些超声波探伤仪上还加设了不检波显示的功能，即直接把放大器输出的完整的脉冲信号馈送给功率放大(射频放大)电路进行增幅，然后送入显示电路，在示波屏上显示为双向(全波)高频脉冲形式(称为射频显示或RF显示)。通过对此完整的脉冲波形的分析，有利于对缺陷回波的相位、周期进行了解以辅助判断缺陷性质。检波显示与不检波显示的波形如下图所示。
对于功率放大电路，同样要求具有良好的抗阻塞特性(每个脉冲信号之后也有一段区域不能出现其他信号或者信号很小，亦即同样有阻塞现象存在，影响检测的分辨率)、宽频带(可以不失真地放大那些脉冲宽度变化的信号，这是由于回波信号的频谱特性会随传声材料显微结构、缺陷形状、缺陷性质及取向等多种因素影响而发生变化所造成的)以及应具有较大的线性放大区-即有较大的动态范围等。
TOFD超声波自动化探伤检测系统中通常还设有"抑制"电路，这是一种削波电路，它可以把由于放大电路的噪声以及来自被检材料的无意义的杂乱干扰信号加以抑制，使示波屏上的杂波降低，突出需要观察评定的波形，从而使示波屏上的波形显示更加清晰，提高了信噪比。
必须指出，目前大多数的超声探伤仪中加入抑制电路时，由于有附加电压加入，改变了负载条件，实质上改变了放大电路的工作点，因此会减小动态范围、恶化垂直线性。所以，一般在对缺陷回波作准确的定量评定时都规定不允许在抑制状态下进行评定。目前，一些较新型的超声波探伤仪已对抑制电路作了很大改进，它所设置的抑制电路既有抑制功能，而又不会影响仪器的垂直线性与动态范围。
(五)显示电路
显示电路的功能是把经过功率放大后的脉冲信号转换成可见的波形显示图形以供检测人员观察评定。
示波管的水平偏转板连接时基电路输出的扫描锯齿波电压，在示波屏上显示为水平基线;垂直偏转板连接功率放大电路输出的脉冲信号电压，在垂直偏转板的电场作用下，水平扫描的电子束将发生垂直运动，直到脉冲信号电压消失才能回到原位继续作水平扫描，因而在示波屏上显示出波形，波形的幅度大小与施加在垂直偏转板上的脉冲信号电压大小成正比，而波的前沿距水平基线始端(左端零点)的距离则反映该脉冲信号与传播时间的关系。
(六)报警电路
在同步脉冲信号触发下，报警电路产生一个位置与宽度可调的"闸门"，在示波屏时基线上显示为一个矩形波，闸门宽度即是监控区域(可报警区域)。在时基线上出现的脉冲回波信号落入闸门宽度范围内，并且其回波幅度达到一定电平(可通过调整报警灵敏度来设定)时，即能驱动报警装置发出声音(蜂鸣器、电铃等)或发光(指示灯)引起检测人员注意，也可以驱动记录装置自动记录，或者驱动喷标装置在被检工件上相应缺陷的位置表面喷涂识别标记，从而可以减轻检测人员监视示波屏时的紧张程度，以及在自动化探伤系统中成为重要的一环。
在报警功能上，如果令回波高度高于某一电平时报警，则称为"进波报警"，多用于监视缺陷是否存在及其大小;如果令回波高度低于某一电平时报警，则称为"失波报警"，主要用于监视材料显微组织对超声能量衰减情况的变化或倾斜的大缺陷等导致的底面反射回波异常降低;还有的超声探伤仪上还具有界面波跟踪报警，监视例如水浸法探伤时的界面波的稳定情况。一些新型的超声波探伤仪能够同时具有上述三种报警闸门功能，同时实施监控。
报警信号(声音的声调、光的闪烁等)的频率一般与同步脉冲的重复频率相同。在高速自动化探伤系统中，为了使喷标设备的动作响应与检测时的工件相对移动速度相匹配，报警电路中还设有延迟电路。
(七)电源电路
电源电路的功能是供给整机各部分工作所需的电能。TOFD电源电路主要是把交流电经降压、整流和稳压得到低压直流电，或者直接使用例如镍镉电池、锂电池，甚至普通干电池供给的低压直流电(常见为6伏至24伏范围)，然后经过自激振荡器转变成重复频率达数千赫甚至数十千赫的各种脉冲电压(此过程称为"变流")，再经整流和滤波，成为所需的直流工作电压，供给整机各部分电路使用。供给示波管灯丝的是低压交流电，而供给示波管阳极的高压直流电(可达数千伏甚至近万伏)则通过倍压整流获取。在检修超声波探伤仪而打开仪器外壳后，应特别小心注意不要触及高压部分，即使在关机(断电)的情况下，也要小心一起的电源电路和显示电路中大容量电容还可能储有高压电荷，不要发生触点意外或者短路以至烧毁电路中的元件。
四.传感器的研制
(一)形状尺寸的确定
国内一些单位在TOFD传感器探伤研究方面做了很多工作，并且已经运用于裂纹探伤，但由于采用的为串联式探头，体积偏大，导致应该检查的部位无法放置探头，因而不能做到100%检验。为解决这一问题，我们设计探头晶片尺寸如下：
晶片尺寸：7 mm×10 mm×2
探头示意图
仪器面板上接收和发射转换开关置于一发一收 ，探头连线 与仪器面板上符号 应对应连接。
(二)频率的确定
与传统A扫超声检测使用相同频率：2.5MHz ~ 5MHz
五.扫查架的设计的原则
1.扫查架一方面作为探头的夹具，所以设计扫查架时要考虑探头尺寸
2.考虑被检测工件的尺寸或缺陷尺寸
检测缺陷时，制作扫查架要横跨缺陷两测，以扫查焊缝为例，要考虑钢板厚度和焊缝宽度
六.缺陷的识别和定量
缺陷产生的部位多是有规律的，从作大量模拟裂纹实测均证实了缺陷波的落点均位于底波前，见下图;缺陷定量多采用6dB法。
七.应达到的主要技术指标和参数
1.重复发射频率(Hz)：100～1000
2.探伤灵敏度余量： ≥65dB (深200mmФ2平底孔)
3.材料声速(m/s)： 1000 ～ 9999,
4.增益调节(dB)： 0 ～ 110
6.分辨力： ≥40dB(2.5P20)
