第4章TOFD技術(shù)的盲區(qū)和測量誤差20165

1、 第四章 TOFD技術(shù)的盲區(qū)和測量誤差 許遵言許遵言 4.1 TOFD技術(shù)的盲區(qū)概述技術(shù)的盲區(qū)概述nTOFD技術(shù)的所謂盲區(qū)是指應(yīng)用TOFD技術(shù)實施檢測時，被檢體積中不能發(fā)現(xiàn)缺陷的區(qū)域。n對上表面缺陷，因為缺陷信號可能隱藏在直通波信號下而漏檢.n對下表面缺陷，其信號有可能被底面反射信號淹沒而漏檢。n盲區(qū)和測量誤差的共同作用導(dǎo)致TOFD檢測的近表面問題。這里近表面是指探頭掃查面附近區(qū)域，該區(qū)域是TOFD技術(shù)應(yīng)用效果最差的區(qū)域。近表面檢測有兩個主要問題：n一是直通波的存在影響缺陷信號顯示，產(chǎn)生檢測的上表面盲區(qū)，上表面盲區(qū)范圍比下表面盲區(qū)更大，對檢測可靠性的影響也更大；n二是由于近表面區(qū)域的時間測量不

2、準(zhǔn)導(dǎo)致深度分辨力變差，不僅影響缺陷位置測定的準(zhǔn)確性，而且影響缺陷高度測量精度。n盲區(qū)和深度測量不準(zhǔn)的疊加作用使得近表面區(qū)域的TOFD技術(shù)的應(yīng)用效果特別差。4.1.1 直通波盲區(qū)直通波盲區(qū)n掃查面附近的內(nèi)部缺陷信號可能隱藏在直通波信號之下，導(dǎo)致無法識別，因此上表面盲區(qū)就是直通波信號所覆蓋的深度范圍。n如果聲速為c，探頭中心距為2 s，直通波的傳輸時間是TL (= 2s/c)，直通波脈沖時間寬度為Tp，則盲區(qū)的深度可按下式算出： D Z = (c/2)2(TL + Tp)2 -s21/2 = (c/2)2(2s/c + Tp)2 -s21/2 = (cTp/2)2 +csTp1/2 (4-1)圖圖

3、4.1 直通波的傳輸時間直通波的傳輸時間n問題： 為什么直通波的盲區(qū)不等于TPc？A型掃描缺陷定位1、聲程定位 s=ct2、水平定位 L=ssin3、深度定位 d= scos圖圖4.2 A型掃描缺陷定位示意圖型掃描缺陷定位示意圖檢測過程中定位偏差原因之一圖圖4.3 A型掃查定位偏差示意圖型掃查定位偏差示意圖nTOFD直通波盲區(qū)計算 TOFD檢測顯示的是深度而不是聲程，設(shè)盲區(qū)為Dz，則有：n由式(4-1)可以看出，盲區(qū)的大小與三個量有關(guān)：c、Tp和s，其中c為材料中縱波的聲速，為一定值；Tp是直通波脈沖時間寬度，與頻率和探頭帶寬有關(guān)；s是探頭中心間距的一半，取值與工件尺寸有關(guān)。n用公式計算直通波

4、盲區(qū)，Tp取值對結(jié)果影響很大。以往資料提出Tp取直通波兩倍周期。n實測結(jié)果表明，如果使用脈沖長度不超過一個半周期的短脈沖探頭，且缺陷信號足夠大（大于直通波振幅的50%），缺陷波與直通波相差1周期，就可以發(fā)現(xiàn)缺陷信號（圖4.4）。n如果使用的探頭的脈沖長度很長，周期很多，則缺陷波與直通波相差2個周期甚至更多，也不能發(fā)現(xiàn)缺現(xiàn)信號，因此Tp取值與探頭的脈沖長度和帶寬有關(guān)。圖4.4 缺陷波與直通波相差1周期的A掃信號和圖像n進一步研究表明，Tp取直通波1個信號周期的計算值與實際測量的盲區(qū)值也不一致，實測盲區(qū)大于Tp值取1個信號周期的計算值而小于Tp值取2個信號周期的計算值，大致在Tp值取1.5個信號周

5、期和2個信號周期的計算值之間。n究其原因，認(rèn)為是由于TOFD技術(shù)使用寬頻帶寬波束探頭，信號頻率是變量，處于聲束邊緣的直通波的頻率低于探頭標(biāo)稱頻率，聲波傳輸過程中又有頻散現(xiàn)象，回波頻率低于發(fā)射頻率而導(dǎo)致，因此直通波的周期時間按探頭標(biāo)稱頻率取值計算是不準(zhǔn)的。n取縱波聲速取縱波聲速c5.95mm/ s，Tp值分別取值分別取1個和個和2個信號個信號周期，按式周期，按式(4-1)計算不同頻率（計算不同頻率（5MHz、10MHz）和不）和不同探頭中心間距（同探頭中心間距（PCS）的盲區(qū)大小，有關(guān)數(shù)據(jù)見表）的盲區(qū)大小，有關(guān)數(shù)據(jù)見表4.1。n表表4.1 不同探頭頻率，不同不同探頭頻率，不同PCS時的盲區(qū)大小時

6、的盲區(qū)大小5MHz探頭不同探頭不同PCS(mm)6080100120160200Tp取取1個周期（個周期（0.2 s）計算的盲區(qū)值計算的盲區(qū)值 (mm)6.006.927.738.479.7710.9Tp取取2個周期（個周期（0.4 s）計算的盲區(qū)值計算的盲區(qū)值 (mm)8.539.8210.9712.0113.8515.4710MHz探頭不同探頭不同PCS(mm)6080100120160200Tp取取1個周期（個周期（0.1 s）計算的盲區(qū)值計算的盲區(qū)值 (mm)4.234.895.465.986.907.72Tp取取2個周期（個周期（0.2 s）計算的盲區(qū)值計算的盲區(qū)值 (mm)6.00

7、6.927.738.479.7710.9由表4-1的數(shù)據(jù)可以看出：1、無論Tp值取1個周期或是2個信號周期，計算得到的直通波盲區(qū)數(shù)值都很大。實際上，對50mm以下的焊縫檢測，如果只進行一次掃查，盲區(qū)大致要占檢測厚度的1525，因此直通波盲區(qū)是檢測不能忽視的問題。2、減小PCS值或提高探頭頻率都能顯著地減小盲區(qū)深度。3、采用短脈沖探頭也是十分重要的，如果使用的探頭頻帶較窄，脈沖長度較大，則Tp取值就應(yīng)更大，計算的盲區(qū)也更大。4、用公式（4-1）計算直通波盲區(qū)雖然簡便易行，但不夠準(zhǔn)確。用計算機仿真軟件來計算直通波盲區(qū)，結(jié)果要準(zhǔn)確一些，但軟件價格較貴。最可靠和實用的方法是通過對比試塊來測定盲區(qū)大小。

8、4.1.2 底面盲區(qū)底面盲區(qū)1、焊縫中心底面盲區(qū)、焊縫中心底面盲區(qū)n國外文獻提出在焊縫中心存在著底面盲區(qū),并給出了一個焊縫中心底面盲區(qū)高度D dz的計算公式： D dz = (c/2)2(TD + Tp)2 - s21/2 - Dn公式中的D是底面反射深度，TD是回波信號傳輸時間，Tp是底面回波信號寬度。圖4.5 底面盲區(qū)示意圖n但理論分析和實測結(jié)果均表明，所謂“焊縫中心的底面盲區(qū)”與上表面直通波盲區(qū)性質(zhì)不同。位于底部的缺陷的上尖端信號應(yīng)在底面信號之前，不應(yīng)被底面信號淹沒。n該盲區(qū)的存在只是由于缺陷信號與底面信號不重疊度的分辨能力造成的。這種分辨能力取決于D掃描圖像的分辨率和肉眼觀察能力，同時

9、與缺陷信號大小，以及底面的平整程度等因素有關(guān)。圖4.6 缺陷信號與底面信號不重疊n當(dāng)今使用的TOFD儀器已能提供足夠高分辨率的D掃描圖像，用其測量底面平整試塊上的足夠長的槽，只要缺陷信號超前底面信號1個周期，甚至0.5個周期，就可以識別。因此，焊縫中心的底面盲區(qū)的計算公式不準(zhǔn)確，也無計算的必要，該盲區(qū)即使存在，也是很小的，一般不超過1mm，甚至小于0.5mm。n以上是底面平整的情況，如果底面有焊縫余高，則盲區(qū)會增大，由于余高部分處于盲區(qū)范圍，其中的缺陷不能檢出。 2、軸偏離底面盲區(qū)、軸偏離底面盲區(qū)n對TOFD技術(shù)檢測可靠性影響較大的底面盲區(qū)主要是軸偏離底面盲區(qū)，即偏離兩探頭中心位置的底面區(qū)域存

10、在的盲區(qū)。n對處于軸偏移盲區(qū)的缺陷，例如X型坡口焊縫下坡口處或熱影響區(qū)的缺陷，其信號遲于底面反射波信號到達，被底面反射波信號淹沒，從而無法識別，也就不能檢出。n按TOFD檢測一收一發(fā)的探頭布置，超聲衍射信號傳輸時間相等位置為一個橢圓軌跡。圖4.7所示的橢圓軌跡是與底波信號傳輸時間相等的衍射點位置，如果缺陷在橢圓以下區(qū)域，則信號出現(xiàn)在底面反射波之后，因此無法檢出。n此外還需說明，橢圓曲線上超聲衍射信號傳輸時間相等的特性除了會導(dǎo)致軸偏離底面盲區(qū)外，還會導(dǎo)致深度測量出現(xiàn)誤差。圖4.7 軸偏離底面盲區(qū)的計算n該盲區(qū)的重要特點是其高度與距兩探頭中心線的相對距離，即軸偏離值有關(guān)，由圖4.7可知，距中心線越

11、遠(yuǎn)，盲區(qū)高度就越大。在聲束范圍內(nèi)，橢圓曲線的最大深度差在兩個探頭中軸線上最大深度和聲束邊緣最小深度之間。在針對焊縫檢測時，檢測區(qū)域的最大軸偏離是焊縫中心到熱影響區(qū)的距離。n如果底面反射波深度是H mm（工件厚度），兩探頭中心距是2S，則偏離兩探頭中心x處的軸偏離底面盲區(qū)H可按式4.2計算： h =H-y=H-H【1-x2/(s2+H2)】1/2 = H1-【1-x2/(s2+H2)】1/2 (4.2)圖圖4.8 橢圓方程橢圓方程式式4.2推導(dǎo)推導(dǎo)n推導(dǎo)過程：n由圖和公式可以看出，軸偏離底面盲區(qū)除了與軸偏離值有關(guān)外，還與工件厚度和PCS有關(guān)，在工件厚度一定時，增加PCS可以減小軸偏離底面盲區(qū)。n

12、在實際檢測中，要特別注意焊縫型式和形狀對軸偏離底面盲區(qū)高度的影響。X型坡口焊縫的熔合線處的盲區(qū)高度顯然大于V型坡口根部的盲區(qū)高度。X型坡口焊縫熱影響區(qū)缺陷的軸偏移位置最大，最不利于檢出。n對底面有余高的X型坡口雙面焊焊縫，還應(yīng)注意底面焊縫余高對盲區(qū)的影響。如圖4.9所示，余高使底面反射波信號延遲，橢圓軌跡降低，也就減小了焊縫熔合線處的盲區(qū)高度。仿真和實測均表明，余高的存在使熔合線處的盲區(qū)高度減小，但卻使焊縫中心位置的盲區(qū)增大。圖圖4.9 底面焊縫余高對底面盲區(qū)的影響底面焊縫余高對底面盲區(qū)的影響n在TOFD檢測方案設(shè)計時，為防止下表面附近缺陷漏檢，就必須明確需要檢測的最小缺陷尺寸、檢測區(qū)域、焊縫

13、類型等，對于底面焊縫寬度較寬的焊縫實施檢測，應(yīng)考慮是否需要幾條非平行掃查。例如采用兩次偏置掃查，一次針對焊縫中心線左側(cè)，另一次針對焊縫中心線右側(cè)，以防止盲區(qū)內(nèi)缺陷的漏檢。4.1小結(jié)1、TOFD檢測近表面問題檢測近表面問題盲區(qū)和深度測量誤差。2、上表面盲區(qū)上表面盲區(qū) 公式D Z = (cTp/2)2 +csTp1/2 。產(chǎn)生原因：直通波寬度TP。盲區(qū)大小與三個量有關(guān)：c、TP、s，其中TP（與探頭帶寬和頻率有關(guān)）。用公式計算不準(zhǔn)，原因：聲束邊緣直通波頻率低于標(biāo)稱頻率，頻散現(xiàn)象。減小上表面盲區(qū)的措施：減小PCS、使用寬頻帶探頭、 使用較高頻率探頭。3、底面中心盲區(qū)、底面中心盲區(qū)原則上不存在，因為缺

14、陷的上尖端始終在底波之前。觀察到的焊縫中心底面盲區(qū)，原因：儀器、探頭的分辨力和人眼的識別能力，與常規(guī)超聲相同。4、軸偏離底面盲區(qū)、軸偏離底面盲區(qū)產(chǎn)生原因：TOFD檢測中，傳輸時間相等的位置為一個橢圓，偏離PCS中心的缺陷出現(xiàn)在底波后，不能發(fā)現(xiàn)。公式公式h =H1-【1-x2/(s2+H2)】1/2，相關(guān)因素：工件厚度、PCS以及偏離值。增加PCS可減小軸偏離底面盲區(qū)。5、焊縫底面余高對底面盲區(qū)的影響、焊縫底面余高對底面盲區(qū)的影響焊縫型式和形狀對軸偏離盲區(qū)有影響，X型坡口焊縫軸偏離盲區(qū)大于V型坡口焊縫。余高的存在使熔合線處軸偏離盲區(qū)高度減小，使焊縫中心盲區(qū)增大。4.2 TOFD測量的精度 4.2

15、.1 TOFD信號測量的精度概述 TOFD信號測量的精度是指測量信號到達時間的準(zhǔn)確性。由于TOFD技術(shù)是利用衍射信號時差來測定衍射點深度位置的，而缺陷高度又是通過測量上下端點衍射信號時差來確定的，因此也可以說，TOFD技術(shù)的測量精度是指測量缺陷深度和高度的準(zhǔn)確性。 n在第一章中曾提到，與脈沖反射法相比，TOFD技術(shù)的優(yōu)點之一是對缺陷深度和高度的測量非常準(zhǔn)確。n理論上用超聲波信號測量缺陷高度尺寸的精度大約是0.1個波長。對頻率為5MHz的探頭，0.1個波長約為0.1mm。換算成傳輸時間，時間間隔大約為0.017s，一般認(rèn)為，這是TOFD測量所能達到的最高精度。實際測量時，由于各種誤差的存在，往往

16、達不到這一精度。 n需要強調(diào)的是，在TOFD技術(shù)中，要想進行精確的尺寸測量，必須參照直通波和底面反射波校準(zhǔn)后的信號來測量時間。 n保證缺陷深度和高度測量精度的前提是選擇正確的信號取值點。但即使測量點選擇正確，在不同區(qū)域或不同位置上，TOFD技術(shù)的測量精度也是不同的。TOFD信號測量精度除了測量點位置的選取有關(guān)外，還與數(shù)字采樣頻率有關(guān)。n提高測量精度有以下幾個措施，這些措施不僅對提高測量精度有利，而且其中的前面3項對減小近表面盲區(qū)也有利：（1）減小PCS；（2）使用短脈沖寬頻帶的探頭；（3）使用更高頻率的探頭；（4）增加數(shù)字化頻率。4.2.2 TOFD信號測量點位置的選取nTOFD信號位置測量可

17、以在A掃信號上進行，也可以在圖像上進行。在圖像上進行測量的優(yōu)點是方便快捷，在實際工作中，面對大量信號，如不需要很高精度，則快速測量通常是在圖像上進行。n當(dāng)需要仔細(xì)分析和研究信號時，應(yīng)結(jié)合圖像在A掃信號上選擇位置進行測量，這樣可以達到更高精度，同時可以獲得更多信息。n為了得到最準(zhǔn)確的深度值，必須仔細(xì)選擇以A掃信號上的哪一位置作為信號的到達時間。測量信號有三種選擇：n測量A掃信號起始點，即前沿（圖4.10的X點）；對應(yīng)圖像中的位置則是信號色帶的上緣；n測量信號的峰尖（圖4.10的Y點），對應(yīng)于圖像中白色帶或黑色帶的中間。3. 測量信號第一個半周與時間軸的交點，即信號由正變負(fù)的那一點（圖4.10的Z

18、點）；對應(yīng)于圖像中色帶由白變黑或由黑變白的界限。 圖圖4.10 測量不同信號到達時間的取值點位置測量不同信號到達時間的取值點位置使用交點法測量信號應(yīng)注意以下規(guī)則：n如果直通波信號以正半周開始，時間讀數(shù)取值點就選在該信號第一周期的半周由正變負(fù)的那一點。n由于底面反射波的信號相位與直通波相反，按照常取值點應(yīng)選在第一個負(fù)半周的由負(fù)變正的那一點，但底面反射信號周期有時變得很多，信號發(fā)生紊亂，有時選取底面反射波的第二個波起點測量更準(zhǔn)確（圖4.10的W點）。n測量裂紋尖端衍射信號時，則選取第一個負(fù)半周的由負(fù)變正的那一點位置作為裂紋頂端的時間讀數(shù)取值點，選取第一個正半周由正變負(fù)的那一點位置作為裂紋下端點的時

19、間讀數(shù)取值點。n信號位置測量可以從上述三種方法中任選，關(guān)鍵是反復(fù)實踐熟練掌握，驗證測量準(zhǔn)確性最方便的試驗是測量試塊厚度，精確應(yīng)達到0.1mm。選擇測量位置有時會遇到困難。例如：nTOFD圖像的灰度是由A掃信號的幅度轉(zhuǎn)換得到的，由于圖像中白色帶或黑色帶有一定寬度，所以在TOFD圖像中測量，有時找不準(zhǔn)A掃的峰值。n另一種情況是在A掃信號上測量，有些信號前半周微弱，無法確定是信號的前沿還是噪聲。還有一種情況是底面反射信號經(jīng)常會飽和，采集不到底面反射波的峰尖。n遇到上述情況時，可通過圖像與A掃信號的對照，以及改變信號測量位置等方法予以解決。4.2.3 數(shù)字采樣頻率對數(shù)字采樣頻率對TOFD測量精度的影響

20、測量精度的影響n影響信號測量精度的另一因素是數(shù)字采樣頻率。圖4.11中數(shù)字化頻率是信號頻率的2倍，也就是每一個周期進行2次采樣。這樣的采樣頻率能夠保證重建的數(shù)字波形頻率不失真，卻不能保證波形和波幅不失真。圖4.11 數(shù)字采樣頻率對測量精度的影響n重建后的A掃波形與模擬信號存在較大不相似度：數(shù)字信號與模擬信號峰值點位置存在偏差1，數(shù)字信號與模擬信號與橫軸的交點位置存在偏差 2，因此在僅滿足奈奎斯特極限的數(shù)字化采樣頻率（例如采樣頻率是信號頻率的3倍）所采集的數(shù)據(jù)重建的A掃圖形上測量，即使測量位置選擇是正確的，也不能得到準(zhǔn)確的信號到達時間。由此可見，數(shù)字化頻率低會影響信號測量精度。 n在第二章我們曾

21、經(jīng)說過，TOFD信號的數(shù)字化頻率至少應(yīng)是信號頻率的5倍。選擇標(biāo)稱頻率5倍的數(shù)字采用頻率，即每個信號周期采集5個樣本，可以使峰值信號的平均誤差在10%以內(nèi)。n 數(shù)字采樣頻率越高，A掃波形或TOFD圖像精度就越高，重建的A掃圖形的峰尖或信號與橫軸的交點位置與模擬信號的相似程度也就越高，測量的結(jié)果也就越精確。 4.3 TOFD測量誤差測量誤差nTOFD技術(shù)的測量包括缺陷在工件中位置（深度）的測量和缺陷尺寸的測量，而缺陷尺寸的測量又包括缺陷的高度和長度的測量，因此測量誤差也包括了位置（深度）的測量誤差，以及缺陷高度尺寸和長度尺寸的測量誤差。 n在缺陷長度方面，TOFD技術(shù)是利用在D掃描中信號保持的距離

22、來進行測定的，這非常類似于常規(guī)脈沖回波的方法，兩者的測量精度也是相似的，因此TOFD技術(shù)的測量精度優(yōu)勢主要體現(xiàn)在缺陷的深度和高度測量方面。n與脈沖反射法相比，TOFD技術(shù)的優(yōu)點之一是對缺陷位置和高度的測量非常準(zhǔn)確。但在不同區(qū)域或不同位置上，TOFD技術(shù)的測量精度是不同的。nTOFD技術(shù)在測量缺陷高度方面可以達到很高的精度，無論從力學(xué)角度還是失效分析角度，通常認(rèn)為缺陷高度測量的精度比長度測量的精度更有意義。n由于缺陷高度測量精度依賴于深度測量精度，因此本章在對深度測量誤差進行分析的同時，討論保證測量精度的一些措施。n導(dǎo)致TOFD技術(shù)產(chǎn)生深度測量誤差主要因素有：（1）聲束傳輸時間；（2）軸偏移；（

23、3）探頭間距；（4）耦合劑厚度變化；（5）檢測表面不平整；（6）聲速變化；（7）聲束入射點偏移。 4.3.1 聲束傳輸時間引起的深度測量誤差聲束傳輸時間引起的深度測量誤差nTOFD技術(shù)的深度測量誤差隨著接近表面而迅速增大。由于在近表面區(qū)域內(nèi)衍射波傳輸路徑幾乎是水平的，深度上一個較大的變化只會引起時間上一個很小的變化，因此近表面深度測量不準(zhǔn)，分辨率差。n【例題】衍射點位于兩探頭連線的中心線上，設(shè)聲速為6mm/s，已知兩探頭中心距80mm，計算衍射點深度1 mm、2mm、4mm的信號傳輸時間。 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得： d 1 mm ，t1 = 2(402 + 12)

24、1/2/613.3374s； d 2 mm ，t2 = 2(402 + 22)1/2/613.3499s； d 4 mm ，t4 = 2(402 + 42)1/2/613.3998s； 由計算結(jié)果可知，深度2mm與1mm的衍射信號傳輸時間差僅為0.01259s；深度4mm與1mm的衍射信號傳輸時間差僅為0.0624s，由于深度變化的時間增量太小，一點點時間誤差會導(dǎo)致大的深度誤差。n根據(jù)缺陷深度計算公式（楔塊延時忽略不計），假定缺陷尖端處于兩個探頭中間的對稱位置，則時間t由下列公式得出： t = 2(s2 +d2)1/2/c （43） 整理后尖端深度為： d = (ct/2)2 - s21/2

25、（44） 兩邊平方： d2 = (c/2)2 t2 - s2 求上式關(guān)于d和t的微分，深度誤差d可以由時間誤差t來表示，即： 2dd = (c/2)22tt （45） 用式（43）替代t： d = c (s2 +d2)1/2t/2d （46） 對于近表面 d遠(yuǎn)小于s，公式可簡化為： d = cst/2d （47）n從式(47)可以看出，隨著深度d的減少，誤差d迅速增加。因此缺陷越接近上表面，測量越不準(zhǔn)。由公式還可以看出，減小探頭中心距（S）有助于減小誤差d。但這樣做會使掃查覆蓋范圍減少，降低工作效率。n利用式(47)計算時，時間誤差t可取數(shù)字化采樣間隔的一半，因為當(dāng)選擇交叉點或者樣本頂點附近進

26、行尺寸測量時，誤差不會大于采樣寬度的一半（圖4.12） 。nt與數(shù)字化頻率有關(guān)，又由于數(shù)字化頻率取探頭頻率的5倍，所以也可以說t與探頭頻率有關(guān)?？梢酝ㄟ^數(shù)字化頻率或探頭頻率來減小深度誤差。圖圖4.12 時間誤差的圖解時間誤差的圖解【例題】有一50mm厚的焊縫試件，其聲速為5.95mm/s，TOFD檢測時，PCS為115mm，探頭頻率5MHz，假設(shè)數(shù)字化頻率為探頭頻率的5倍，當(dāng)時間誤差為數(shù)字化取樣間隔的一半時，試計算深度為1mm、3mm、5mm時的深度測量誤差。 解：已知：c=5.95mm/s， PCS=115mm， f=5MHz 則數(shù)字化頻率為55=25MHz， 取樣間隔，s04. 0251s

27、04. 0251，s02.0t tdd2cs d=1mm時， mm42. 302. 0125 .5795. 5d d=3mm時， mm14. 102. 0325 .5795. 5d d=5mm時， mm68. 002. 0525 .5795. 5d答：當(dāng)d=1mm時，深度測量誤差為3.42mm； 當(dāng)d=3mm時，深度測量誤差為1.14mm； 當(dāng)d=5mm時，深度測量誤差為0.68mm。n表4.2是以40 mm厚的試塊為對象計算出的一些深度誤差值，聲速是5.95 mm/s，PCS為 100 mm。探頭頻率為5 MHz，假設(shè)數(shù)字化頻率為25 MHz，采樣間隔為0.04 s，t = 0.02 s。根

28、據(jù)表4.2數(shù)據(jù)畫出的曲線見圖4.13。 表表 4.2 深度誤差隨深度而變化深度誤差隨深度而變化d, mm135102040d, mm3.00.990.60.30.160.09圖圖 4.13 時間不確定引起的深度誤差隨深度變化的示意圖時間不確定引起的深度誤差隨深度變化的示意圖n可以通過深度誤差與探頭角度的函數(shù)關(guān)系來進行分析。時間t與探頭角度的函數(shù)關(guān)系見圖4.14圖4.14 時間t與探頭角度的函數(shù)關(guān)系n由圖4.14可見ct/2cos = dn所以聲程 ct= 2d/cos， 得到時間t = 2d/ccos ，把t代入公式（45）2dd = (c/2)22tt， 可推導(dǎo)出下式： d =ct/2cos

29、 （48）【例題】TOFD檢測時，已知試件聲速c=5.95mm/s，探頭頻率f=5MHz、數(shù)字化頻率為探頭頻率的5倍，假設(shè)時間誤差為數(shù)字化取樣間隔的一半，試計算60和70聲束的深度測量誤差值。=60mm時， mm12.002.060cos295.5d1=70mm時， mmd17. 002. 070cos295. 52圖圖 4.15 時間不確定引起的深度誤差隨角度變化的示意圖時間不確定引起的深度誤差隨角度變化的示意圖n圖4.15所示是按公式（4-8）計算得出的深度誤差與角度的關(guān)系曲線，取t = 0.02 s。從圖中可以看出深度誤差在接近水平線，即折射角大到一定程度時迅速增大。分辨力在接近水平線時

30、迅速惡化，即角度越大，分辨力越差。例如，由圖中曲線可見，深度誤差小于0.2mm的點對應(yīng)的角度大致為70，即如果要求深度誤差小于0.2mm，則到達裂紋尖端的聲束入射角應(yīng)該小于70。 n問題： 如果探頭折射角為70則深度誤差小于0.2mm？n有時會應(yīng)用另一個準(zhǔn)則，即定義一個深度dmin，在這個深度上深度誤差等于深度的一半，（小于這個深度值，深度誤差大于深度的一半）， 把d =dmin，d =dmin/2代入公式（4-7） d = cst/2d，可以得到關(guān)于深度誤差的另一公式： (dmin)2 = cst (4-9) dmin是最小可接受的深度. 表4.3中給出了一些按式(4-9)的計算值。表表 4

31、.3 誤差為深度一半時的最小深度誤差為深度一半時的最小深度s, mm t, sdmin, mm500.022.4500.0152.1250.021.7250.0151.54.3.2 軸偏移引起的深度測量誤差軸偏移引起的深度測量誤差圖圖4.16 軸偏移引起的深度測量誤差軸偏移引起的深度測量誤差n非平行掃查時，如果缺陷不是位于兩探頭之間的中心位置，會導(dǎo)致深度測量出現(xiàn)誤差。如圖4.16所示，設(shè)裂紋尖端偏離兩個探頭中心距離為X mm，則傳輸時間(忽略楔塊延時)可用下式表示： t = (L + M)/c 聲程 ct = (s + X)2 + d21/2+(s - X)2 + d21/2 (4-10) 這

32、是一個橢圓方程，兩探頭的聲束入射點為橢圓的兩個焦點。聲程ct在數(shù)學(xué)上的意義為兩個焦點與橢圓上任意點的連線的長度，是一個常數(shù)，即橢圓上F1點和F0點衍射的信號聲程是相同的。由于在非平行掃查中衍射點偏離中心的位置是不確定的，因此得到的深度會有誤差。在ct為恒定的情況下，最大深度d max,是X = 0的直線與橢圓的交點 (即圖4.16中F點)， 最小深度d min為超聲波聲束的邊緣與橢圓的交點(即圖4.16中E點)。n如果考慮缺陷位置偏移到超聲波聲束的邊緣處，則深度誤差將大到不能容忍。但如果認(rèn)為缺陷只存在于焊縫體積內(nèi)，誤差就小的多，雖然在焊趾上誤差會大一些。n由缺陷位置的軸偏移引起的深度測量誤差大

33、小同時還與深度、探頭中心間距和探頭特性有關(guān)。當(dāng)聲束中心指向某一深度時，在此深度超聲波聲束邊緣的深度誤差大約為8%。所以，對于焊縫根部腐蝕檢查，如果探頭對著底面，則聲束邊緣的深度誤差是8%,也就是說 (d max d min) / d max = 8%n例如，工件厚度50mm，對于焊縫根部腐蝕掃查，底面的軸偏移反射體深度誤差最大值是4 mm。n一般軸偏移缺陷的深度測量絕對誤差可以達到幾毫米。對于V型坡口，如果從焊縫寬度大的一面進行掃查，焊縫底部通常處于兩探頭的中間，因此誤差很??；即使從焊縫寬度小的一面進行掃查，焊縫體積內(nèi)的缺陷深度誤差大部分也小于3%。n對于X型坡口，其熔合線和熱影響區(qū)誤差可能較

34、大，但焊縫體積內(nèi)的深度誤差大部分小于1%。如果使用大的探頭中心間距，聲程增大，可以減小誤差。n另外需要說明的是，軸偏移誤差對缺陷高度測量影響不大，因為當(dāng)缺陷上尖端和下尖端衍射的軸偏移誤差可以相互抵消。如果缺陷相當(dāng)小，缺陷上端和下端的誤差值可能非常接近，則自身高度能夠精確測量。n跨越焊縫的平行掃查不存在軸偏移誤差。由此可以看出為什么平行掃查對于精度要求高的深度尺寸測量來說是重要的，因為在這種情況下，總可以找到這一點，在缺陷尖端位于兩個探頭中心時進行測量。4.3.3 探頭間距引起的深度測量誤差探頭間距引起的深度測量誤差n計算探頭距離的變化或者誤差s所帶來的影響。根據(jù)TOFD基本公式 d2 = (c

35、/2)2 t2 - s2 對d和s微分， dd = -ss d = -ss/d (4-11) d = -s s/d (4-11) 由式(4-11)可見，在探頭間距一定的情況下，誤差s對深度測量有很大影響。而且對越接近表面的缺陷，深度測量誤差越大。例如 s = 50 mm，誤差s = 1 mm ，如果缺陷深度為 20 mm，則得到誤差d = 2.5 mm；但如果缺陷深度為 10 mm ，得到的誤差d = 5 mm。由于深度測量的誤差過大，因此實際檢測時，需要利用直通波和底面波信號來進行校準(zhǔn)。n雖然探頭距離的變化或者誤差s對深度測量準(zhǔn)確性影響很大，但是對缺陷高度測量影響很小。4.3.4 使用直通波

36、和底面反射波校準(zhǔn)的重要性使用直通波和底面反射波校準(zhǔn)的重要性n從上節(jié)知道，探頭間距的一個很小的變化可以導(dǎo)致絕對深從上節(jié)知道，探頭間距的一個很小的變化可以導(dǎo)致絕對深度測量的一個很大的誤差。然而如果根據(jù)直通波或者底面度測量的一個很大的誤差。然而如果根據(jù)直通波或者底面反射波信號校準(zhǔn)尖端信號到達的時間，能使這個誤差大大反射波信號校準(zhǔn)尖端信號到達的時間，能使這個誤差大大減小。減小。 1、根據(jù)直通波測量時間、根據(jù)直通波測量時間 設(shè)深度設(shè)深度d的衍射點的信號聲程為：的衍射點的信號聲程為： ct = 2(s2 +d2)1/2 直通波聲程為：直通波聲程為： ctl = 2s 因此這兩個信號的時間差為：因此這兩個信

37、號的時間差為： ctr = c(t-tl) = 2(s2 +d2)1/2 -2s 因為因為d遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于 s, ctr = 2s(1 + (d/s)2)1/2 -1 d2/s 如果對如果對d和和s求微分，得到求微分，得到 d = ctr s/2d = d s/2s （412）【例題】對60mm厚試件進行TOFD檢測， 設(shè) 定PCS=120 mm，但實際存在誤差S=1mm，現(xiàn)對30mm處的缺陷進行深度測量， （1）測量缺陷深度時已根據(jù)直通波校準(zhǔn)， 求誤差是多少？ （2）如果未進行校準(zhǔn)，則誤差是多少？解：已知：解：已知：PCS=120mm， mm6021202PCSSS=1mm，d=30mm（1）

38、按式（4-12） d = ds/2smmSSdd25. 060213022 （2）按式（4-11） d = ss/d d = 601/302 mm 答：（1）用直通波校準(zhǔn)后，30mm處的深度測量 誤差為 0.25mm。 （2）不進行校準(zhǔn)，30mm處的深度測量誤差 為2mm。2、根據(jù)底面反射波測量時間、根據(jù)底面反射波測量時間n設(shè)深度d的衍射點的信號聲程為： ct = 2(s2 +d2)1/2 底面反射波聲程： ctb = 2(s2 +D2)1/2 因此這兩個信號的時間差為： ctr = c(tb - t) = 2(s2 +D2)1/2 - 2(s2 +d2)1/2 因為 s 大于 D且s 大于

39、d，因此可以得到： ctr (D2 - d2)/s 對d和s求微分，得到： d = - ctrs/2d - D2s/2ds （4-13） 【例題】對60mm厚試件進行TOFD檢測，如果 PCS=120mm，測量缺陷深度時已根據(jù) 底波校準(zhǔn)，求30mm處的深度測量誤差。 （假設(shè)S=1mm） 解：已知：D=60mmmmd160321602答：30mm處的深度測量誤差為1mm。 較為精確的計算公式： d =（D2-d2）s/2ds n計算絕對深度所需條件參數(shù)：（1）測量裂紋尖端的時間，把速度、PCS 和探頭延遲作為輸入?yún)?shù)，可以計算 絕對深度。（2）測量裂紋尖端和直通波的時間，把 PCS 和速度作為輸

40、入?yún)?shù)，可計算出相 對于直通波的深度。（3）測量裂紋尖端和底面反射波的時間，把 PCS 、壁厚和速度作為輸入?yún)?shù)，可計算 出相對于底面的深度。設(shè)設(shè)s = 50 mm，D = 40 mm， s = 1 mm， 則可計算出絕對深度測量誤差，不同深度則可計算出絕對深度測量誤差，不同深度 的誤差的比較在表的誤差的比較在表4.4中列出。中列出。 表表4.4 一定一定PCS的深度測量誤差的深度測量誤差深度深度, mm絕對誤差，絕對誤差，mm相對于直通波相對于直通波的深度測量誤的深度測量誤差，差，mm相對于底面波的相對于底面波的深度測量誤深度測量誤差差,mm51003.21050.11.5202.50.20

41、.6401.20.350n以PCS 為基礎(chǔ)計算絕對深度，可能產(chǎn)生很大的誤差。而相對于直通波和底面反射波進行時間測量時，深度計算的誤差要小得多。用直通波校準(zhǔn)，在直通波處誤差為零，隨著深度增加誤差緩慢增加。反之亦然，用底面反射波校準(zhǔn)，在底面的誤差為零，隨著深度減小誤差緩慢增加。n在實際工作中，應(yīng)先測量直通波和底面反射波的位置，并且用已知的PCS和壁厚D，計算速度和楔塊延時，這些參數(shù)是計算尖端信號深度時要使用的。這是自校準(zhǔn)的一種形式，因為速度和楔塊延時的設(shè)置使得金屬表面在0mm，底面反射波信號在深度D mm。因此尖端信號的相對位置基本正確，誤差也相對較小。 n為了保證校準(zhǔn)有效，直通波和底面波的測量點

42、必須在端點信號附近，如圖4.17所示。這是由于探頭間距的變化或者其它形式的誤差，有可能導(dǎo)致在A掃描中的信號傳輸時間變短或變長。 圖4.17 PCS變化時測量直通波和底面反射波的位置4.3.5 耦合劑厚度變化引起的深度測量誤差耦合劑厚度變化引起的深度測量誤差n超聲波在耦合劑中的傳輸速度遠(yuǎn)小于在金屬中的傳輸速度，所以如果絕對深度用端點信號到達的時間來測量，則深度將會變大。然而，如果測量的時間是相對于直通波的時間（直通波的位置應(yīng)該從耦合劑開始發(fā)生變化的位置進行測量），可以使誤差有很大的降低。圖4.18 超聲波在耦合劑中傳輸?shù)穆窂絥超聲波在耦合劑中傳輸?shù)穆窂饺鐖D4.18所示。如果耦合劑的厚度是H mm

43、，超聲在耦合劑中總的聲程是L，則L = 2H/cos，其中是聲束在耦合劑中的角度。如果聲束在金屬中的角度是，根據(jù)公式 sin =s/(s2 +d2)1/2并應(yīng)用Snell法則，可以得到 L = 2H/1 - (cc/cm)2 s2/(s2 + d2)1/2 (4-14) 其中cc和 cm分別是聲束在耦合劑和金屬中的傳輸速度。如果cc cm，則公式可簡化為 L 2H1 + 0.5(cc/cm)2 s2/(s2 + d2) n由于耦合劑厚度H的誤差H導(dǎo)致時間上的誤差t為： t = 2H1 + 0.5(cc/cm)2 s2/(s2 + d2)/cc 對于直通波，當(dāng)d0時，有： tr = 2H1 +

44、0.5(cc/cm)2 s2/(s2 + d2)/cc - 2H1 + 0.5(cc/cm)2/cc = 2H(cc/cm)2 d2/(s2 + d2)/2cc 應(yīng)用時間誤差引起深度誤差的公式(4-6) 2dd = c(s2 + d2)1/2t , 上式可表示為（4-15），即對耦合劑，可以得出： d = ccdH/2cm(s2 + d2)1/2 (4-15)n表表4.5給出了按式給出了按式4.15計算的一些誤差數(shù)據(jù)（計算的一些誤差數(shù)據(jù)（ s = 50 mm, cc = 1.5 mm/ s, cm = 6 mm/ s和和 H = 1 mm）。）。如果時間從直通波開始測量，那么信號到達裂紋端點的

45、如果時間從直通波開始測量，那么信號到達裂紋端點的時間誤差就很小，因為已經(jīng)除去耦合劑的厚度，但是如時間誤差就很小，因為已經(jīng)除去耦合劑的厚度，但是如果用絕對時間來測量深度，那么誤差就可能非常大。果用絕對時間來測量深度，那么誤差就可能非常大。n表表4.5 耦合劑厚度變化產(chǎn)生的深度誤差耦合劑厚度變化產(chǎn)生的深度誤差深度深度d, mm用絕對時間測量的深度用絕對時間測量的深度誤差誤差 d, mm相對于直通波測量的深相對于直通波測量的深度誤差度誤差 d, mm5210.0110100.025205.40.046403.20.08n探頭離開金屬或者耦合劑的厚度變化，可能會使直通波信號出現(xiàn)明顯的移動，看起來像表面

46、開口缺陷，或者難以辨別是否有缺陷。因此，在設(shè)計掃查器時應(yīng)注意使探頭能夠平滑地移動。n如果因耦合劑厚度的變化導(dǎo)致直通波隨時間上下移動，可以采用軟件工具對直通波進行拉直處理，從而使測量缺陷深度變得容易，也更加準(zhǔn)確。但是，如果懷疑有上表面開口缺陷，則必須拉直底面反射波，因為此時如果拉直直通波，可能會使缺陷的下尖端變成直通波，從而無法分辨缺陷。4.3.6 檢測表面不平整引起的深度測量誤差檢測表面不平整引起的深度測量誤差n檢測時，如果工件表面高度有變化h，則測量會產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。任意深度上的測量都會產(chǎn)生將近h/2的誤差，有關(guān)推導(dǎo)如下： 當(dāng) ds時，誤差近似可以表示為 d = h(1 +d2/2s2)/2

47、 (4-16) 當(dāng) ds時，有：d h/2 這樣，因工件不平整產(chǎn)生1mm高度的變化，在深度測量時就會有0.5mm的誤差。但是，如果測量的是缺陷高度而不是深度，那么誤差大部分會抵消。 工件焊縫兩邊存在錯位或者厚度不等時，用標(biāo)準(zhǔn)公式將會造成很大的深度誤差。4.3.7 聲速引起的深度測量誤差聲速引起的深度測量誤差n當(dāng)被檢工件中的聲速與預(yù)期的不同時，采用絕對深度計算公式就會造成誤差。但如果直通波和底面反射波的掃查距離達到一定長度，則可用直通波和底面反射波自校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后聲速誤差大部分會被消除，因為儀器系統(tǒng)會自動計算出一個聲速使得直通波的位置在0 mm，底面反射波在工件規(guī)定的厚度D mm。相對于直通波，信

48、號的時間是： ctr = c(t-tl) = 2(s2 +d2)1/2 -2s 對時間和聲速進行微分： t = -2c(s2 +d2)1/2 -s/c2 (4-17) n因為d = c (s2 +d2)1/2t/2d， 所以d = -c(s2 +d2)1/2(s2+d2)1/2-s/cd。 設(shè)s=50 mm, c=5.95mm/s和c= 1%c ,即0.06 mm/s，根據(jù)上面的公式得到的一組深度誤差值見表4.6。 聲速誤差控制可通過程序以及推薦使用與工件相同材料的參考試塊來控制。 表4.6 聲速誤差達到1%時的深度誤差深度，深度，mm5102040誤差，誤差，mm0.0250.050.10.

49、224.3.8 入射點偏移引起的深度測量誤差入射點偏移引起的深度測量誤差圖圖4.19 入射點在金屬表面隨缺陷位置而改變的示意圖入射點在金屬表面隨缺陷位置而改變的示意圖n在深度計算公式中，假設(shè)超聲波是在一個固定點進入工件的，但事實上，從圖4.19可以看出這個假設(shè)并不完全準(zhǔn)確。n靠近上表面的缺陷，容易被探頭楔塊的前緣發(fā)出的聲束檢測到，靠近底面的缺陷容易被探頭楔塊后緣發(fā)出的聲束檢測到，也就是說，探頭間距是深度的函數(shù)。n例如，60的探頭在金屬中具有45到90的聲束擴散角。如果聲束在楔塊和金屬中傳輸?shù)乃俣确謩e是2.4 mm/s和6 mm/s，那么聲束在楔塊中的聲束中心角是20.44，上下擴散角從16.5

50、到23。假設(shè)中心聲束在楔塊中的聲程是10mm，那么探頭晶片表面聲束發(fā)射點的高度Y =10cos(20.44) = 9.3 mm。于是從楔塊下表面聲束邊緣到發(fā)射點的距離是： x1 = 9.3tan(16.5) = 2.75 mm x2 = 9.3 tan(23) = 4.06 mm 而 x2 - x1 = 1.3 mm，那么PCS總的變化量是2.6mm。 當(dāng)探頭間距小于兩倍的工件厚度時(PCS2D)影響是最大的。但是大部分情況PCS 2D，因此入射點偏移的影響很小，一般小于0.25mm。如需要最準(zhǔn)確的深度，可以通過計算方法進行修正，也可以通過對不同深度的人工缺陷進行校準(zhǔn)來達到要求。 4.3.9

51、其他誤差其他誤差n以上已經(jīng)闡述的是產(chǎn)生誤差的主要因素，除此以外，還有許多次要因素會產(chǎn)生一些小誤差，它們對總的誤差也會產(chǎn)生影響，這些因素包括： 1)探頭的改變； 2)探頭角度的變化； 3)探頭傾斜； 4)超聲波衰減； 5)衍射角度； 6)角速度的變化。 以上次要因素產(chǎn)生的誤差大部分是由于脈沖形狀改變而引起的。從一個回波到另一個回波的測量時間也會有微小誤差。一般來說，次要因素引起的誤差比前面提到的主要因素引起的誤差要小一些。4.3.10 深度測量總誤差n上面列出的所有誤差對總的深度測量精度都有影響，把每個誤差的平方和再開方所得到的就是深度測量精度。表4.7所列的是設(shè) D = 40 mm，PCS =

52、 90 mm，探頭角度= 60，數(shù)字化頻率50 MHz，且假設(shè)聲速和楔塊延時已經(jīng)根據(jù)直通波和底面反射波的位置校準(zhǔn)過，而計算出來的誤差數(shù)據(jù)。 表4.7 獨立誤差和總誤差的一組計算數(shù)據(jù)深度深度, mm時間誤差時間誤差 t = 0.01 sPCS誤差誤差, s = 1 mm表面不平誤差表面不平誤差, h = 1 mm耦合劑深度耦合劑深度誤差誤差, H = 0.5 mm總誤差總誤差,mm20.670.020.50.000.8450.270.060.50.000.57100.140.110.50.010.53200.070.220.560.030.61400.040.440.750.040.87圖圖4.

53、20 深度方向上的總誤差深度方向上的總誤差n由于聲束傳輸時間誤差的影響，TOFD技術(shù)的最大的深度誤差發(fā)生在上表面處，隨著深度的增加，誤差逐漸變小。而其他因素引起的誤差在上表面的誤差較小，隨著深度的增加而逐漸增大。n圖4.20所示為典型的總誤差圖。在上表面總誤差很大，下降到10mm深度時，誤差值降到最小，此后隨著深度的增加誤差逐漸增大。除了上表面附近的3至4mm深度范圍誤差很大以外，在深度方向上總的誤差范圍都在1mm以下。n因此，我們說TOFD在深度方向上的尺寸測量精度是1mm。4.3.11 監(jiān)控缺陷擴展的誤差控制措施監(jiān)控缺陷擴展的誤差控制措施n測量裂紋尺寸的總誤差包括幾種系統(tǒng)誤差，比如，錯誤的

54、聲速，表面不平以及PCS誤差。n在監(jiān)控缺陷時，減少誤差最簡便也最有效的措施就是采用相同的探頭和檢測設(shè)置重復(fù)檢測某一個特定的裂紋以監(jiān)控它的增長，這樣可以避免上述系統(tǒng)誤差，可以保證誤差不大于0.3mm。如果改變探頭和檢測設(shè)置，則會出現(xiàn)許多難以預(yù)料的誤差。4.4 缺陷長度的測量誤差缺陷長度的測量誤差n一般來說，在測量缺陷長度方面，TOFD技術(shù)與脈沖回波技術(shù)非常相似，其測量精度不高，大約為5mm。n用拋物線指針測量缺陷長度，在不同深度的測量精度是不同的，對近表面缺陷更準(zhǔn)確一些，因為拋物線指針在掃查方向上很窄，放置光標(biāo)時很容易定位。距掃查面越遠(yuǎn)，拋物線指針弧線就變得越寬，因此對埋藏深度較大的缺陷，測量精

55、度會變差。在這種情況下，可以通過合成孔徑技術(shù)（SAFT）對數(shù)據(jù)進行處理，以提高長度測量值的精度。n對彎曲的缺陷或走向傾斜的缺陷的長度測量難度比較大。沿著彎曲缺陷的擬合弧線并不總是在相同的深度，很難得到好的擬合結(jié)果。n另外，缺陷末端的信號有時看不到，使擬合難以進行。發(fā)生看不見缺陷末端信號的情況可能是因為缺陷末端與底面的角度很大導(dǎo)致衍射信號減弱，也可能因為缺陷末端信號被更大的底面反射波所覆蓋。n采用測量與表面平行的平直缺陷的測長方法去測量彎曲的缺陷，將會產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差，特別是對不太長的缺陷。nM. G. Silk博士根據(jù)實驗結(jié)果曾指出，采用拋物線指針技術(shù)對小于11mm的底面開口缺陷進行測量，如果

56、方法不當(dāng)，甚至可能產(chǎn)生12mm的標(biāo)準(zhǔn)誤差。4.5 TOFD技術(shù)的分辨力4.5.1 分辨力的定義分辨力的定義 分辨力與精度是兩個不同的概念。n精度是指測量信號到達時間的準(zhǔn)確性；n分辨力是指能夠識別的2個信號到達的時間間隔，或其所能代表的最小距離，這種分辨力稱為縱向分辨力，也稱時間分辨力、距離分辨力或深度分辨力。n如圖4.21所示。 圖圖4.21 精度和分辨力圖解精度和分辨力圖解n分辨力決定了TOFD系統(tǒng)所能分辨的缺陷的高度尺寸的極限，典型的情況是分辨一個小裂紋的頂部和底部的衍射信號的到達時間或距離。 nTOFD系統(tǒng)的縱向分辨力取決于脈沖信號的持續(xù)時間。通常一個脈沖包含幾個周期，其時間分辨力就是這

57、幾個周期的時間，其距離分辨力就是這段時間超聲波的傳輸距離，也就是幾個波長的長度。n因此，TOFD探頭的脈沖周期數(shù)對分辨力的影響很大。探頭發(fā)出的超聲脈沖周期數(shù)越少，信號儲蓄時間就越短，分辨力就越高。對TOFD探頭周期數(shù)提出嚴(yán)格的要求：探頭發(fā)出的超聲脈沖應(yīng)為一個半周期，且在脈沖的頭尾端的半周期不大于主半周期波高的-6dB。如果以返回信號10%波幅來測量，直通波和底面反射波的脈沖長度應(yīng)不超過2個周期。n其次，TOFD探頭的頻率對分辨力影響也很大。頻率提高，一個信號周期的時間也就減少了。在脈沖周期數(shù)的情況下，頻率5MHz的脈沖信號的持續(xù)時間只是頻率1MHz脈沖信號持續(xù)時間的五分之一，所以前者比后者的分

58、辨力高很多。 n TOFD系統(tǒng)一般使用的頻率是5MHz，一般情況下信號的脈沖大致是2-3個波長。對于5MHz的探頭來說，一個波長大約為1mm，所以我們說TOFD系統(tǒng)的分辨力大致為2-3mm。由于大多數(shù)夾渣和氣孔高度小于這一數(shù)值，所以TOFD系統(tǒng)一般不能分開其上下端點信號。 4.5.2 TOFD技術(shù)在不同深度的分辨率技術(shù)在不同深度的分辨率n為了獲得上下端點能區(qū)分的反射體的最小尺寸，其量值用聲學(xué)脈沖的長度來確定。如果tp是聲學(xué)脈沖長度的時間(最大到振幅的10%)，td是深度為d mm的衍射信號的傳輸時間，如圖22所示。圖22 不同深度的分辨率不同深度的分辨率n深度分辨率R mm可以按下式計算出來：

59、 R = (ctd + tp/2)2 -s21/2 d （418） n使用5MHz 探頭檢測40 mm厚的試樣，探頭中心間距100 mm。脈沖寬度分別取中心頻率的2個和1個全周期，即0.4s和0.2s.，則在不同深度的分辨率的計算結(jié)果如表4.8所示。 深度, mm5102040脈沖寬度取2個周期的分辨率, mm7.15.03.01.9脈沖寬度取1個周期的分辨率, mm4.222.701.550.95表表4.8 不同深度的分辨率不同深度的分辨率分辨率隨著深度的增加而提高；減少探頭中心間距或者減小脈沖寬度可以改善分辨率。當(dāng)反射體接近表面時，能夠分開上端和下端的反射體尺寸快速增加。4.5.3提高提高

60、TOFD技術(shù)的分辨率的措施技術(shù)的分辨率的措施1、使用短脈沖探頭，減少信號脈沖周期數(shù)，從而減 少脈沖信號持續(xù)時間；2、提高探頭頻率；3、改變探頭間距。其他措施：1、用底部以后的信號來觀察近表面缺陷信號，這與較深處的缺陷分辨率較高的道理是相同的；2、采用偏置掃查或平行掃查。第五章練習(xí)題第五章練習(xí)題一、選擇題一、選擇題1、TOFD深度尺寸測量準(zhǔn)確度誤差的平均值 大約為： a、1mm； b、0.1mm； c、0.01mm；d、無法給出數(shù)值。2、以下關(guān)于TOFD技術(shù)局限性的敘述，錯誤 的是：a、近表面深度分辨力不高； b、近表面信號淹沒在直通波內(nèi)導(dǎo)致漏檢；c、在進行非平行掃查時底面存在盲區(qū)；d、在進行平