第三章TOFD檢測(cè)系統(tǒng)硬件基本知識(shí)

第三章TOFD檢測(cè)系統(tǒng)硬件基本知識(shí)第一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日3.1TOFD檢測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括主機(jī)、TOFD檢測(cè)掃查器、TOFD檢測(cè)探頭和TOFD檢測(cè)校準(zhǔn)試塊。第二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日檢測(cè)電子儀器數(shù)字化超聲波檢測(cè)儀主要功能：發(fā)射超聲波和接收放大回波信號(hào)；采集和保存超聲A掃信號(hào)波形和相關(guān)的數(shù)據(jù)；按照要求設(shè)置和校驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)；顯示信號(hào)波形和掃描圖像，分析處理數(shù)據(jù)，輸出檢測(cè)報(bào)告。第四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日儀器結(jié)構(gòu)第五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日模擬部分模擬部分包括激勵(lì)探頭的脈沖發(fā)射電路和接收信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理的接收放大電路。每對(duì)用于檢測(cè)的TOFD探頭都定義了單獨(dú)的發(fā)射/接收通道，每個(gè)檢測(cè)位置的信息都需要完整記錄以便能夠重建A掃。為了減小電噪聲，通常使用與超聲探頭頻譜適配的濾波器來(lái)限制放大后信號(hào)的頻帶寬度。對(duì)于非常弱的TOFD信號(hào)，需要大約70dB的增益。如果TOFD信號(hào)非常弱或者探頭距離主放大器非常遠(yuǎn)，使用一個(gè)分立的前置放大器。通常使用前置放大器將信號(hào)增益30或40dB。第六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日儀器的主要性能指標(biāo)接收放大電路的帶寬：-6dB帶寬一般規(guī)定為所使用探頭的標(biāo)稱(chēng)頻率的0.5-2倍，或者規(guī)定大于探頭的頻帶寬度，也有的建議最好≥30MHz。激發(fā)脈沖：采用單極矩形波或者雙極矩形波，一般規(guī)定脈沖電壓幅度為100V～400V。脈沖前沿：要求脈沖上升時(shí)間應(yīng)盡量短，一般規(guī)定上升時(shí)間≤50ns。脈沖寬度：一般規(guī)定在100ns左右，且應(yīng)可調(diào)，以便優(yōu)化脈沖幅度和持續(xù)時(shí)間。第七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日儀器的主要性能指標(biāo)增益：一般規(guī)定≥80dB，最好100dB，且增益應(yīng)該連續(xù)可調(diào)，一般要求步進(jìn)≤1dB。放大器線(xiàn)性誤差：一般要求任意相鄰12dB的誤差在±1dB以?xún)?nèi)，最大累計(jì)誤差不超過(guò)1dB。脈沖重復(fù)頻率：一般在100Hz～1000Hz，最低應(yīng)能符合掃查速度和數(shù)據(jù)采集要求，最高不會(huì)產(chǎn)生幻象波。水平線(xiàn)性誤差和垂直線(xiàn)性誤差：一般規(guī)定水平線(xiàn)性誤差應(yīng)小于1%，垂直線(xiàn)性誤差小于5%。第八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日儀器的主要性能指標(biāo)波形顯示方式：應(yīng)提供射頻波顯示和檢波（全檢、負(fù)或正半波檢波）顯示。時(shí)間閘門(mén)：應(yīng)提供可調(diào)節(jié)的有足夠長(zhǎng)度的閘門(mén)，閘門(mén)起點(diǎn)相對(duì)于發(fā)射脈沖至少應(yīng)在0到200微秒間可調(diào)節(jié)，其寬度至少在5到100微秒間可調(diào)節(jié)。數(shù)字采樣頻率：規(guī)定至少≥4倍探頭標(biāo)稱(chēng)頻率，若需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，采樣率應(yīng)提高到探頭頻率的8倍。也有規(guī)定一般不小于20MHz，最好60MHz以上。第九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日儀器的主要性能指標(biāo)圖像灰度等級(jí)：至少64級(jí)，最好256級(jí)以上。一次線(xiàn)性?huà)卟殚L(zhǎng)度：一般要求達(dá)到2000mm。掃查增量：儀器的數(shù)據(jù)采集應(yīng)和掃查裝置的移動(dòng)同步，要求掃查增量應(yīng)滿(mǎn)足檢測(cè)工藝要求，最小≤0.5mm。編碼器：應(yīng)能保證各A掃描信號(hào)的位置準(zhǔn)確性，編碼器增量誤差≤0.5mm。第十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日儀器的主要性能指標(biāo)記錄：應(yīng)使用基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。能記錄整個(gè)掃描過(guò)程的原始數(shù)據(jù)，能進(jìn)行掃查記錄的恢復(fù)和回放掃查時(shí)候記錄的A掃波形，能將所有的A掃信號(hào)和TOFD掃查圖像保存于磁盤(pán)等永久介質(zhì)，并能提供輸出拷貝等功能。軟件功能：應(yīng)包括TOFD顯示的深度或時(shí)基線(xiàn)性化算法，配備了十字光標(biāo)和弧形光標(biāo)，以測(cè)量衍射體深度和高度；應(yīng)具有局部放大功能，信號(hào)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；應(yīng)具有在線(xiàn)分析和離線(xiàn)分析的功能。第十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日電子電路的帶寬電子電路的帶寬（Bandwidth）指的是電子電路中存在一個(gè)固有通頻帶。-3dB帶寬是指：在輸入信號(hào)和輸出信號(hào)處于穩(wěn)定的條件下，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)頻率，使輸出幅度降到初始的70%（-6dB帶寬指輸出幅度降到初始值的50%），此時(shí)輸入信號(hào)頻率的上限稱(chēng)為高端截止頻率，輸入信號(hào)頻率的下限稱(chēng)為低端截止頻率，高端截止頻率減去低端截止頻率就是-3dB帶寬。第十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日電子電路的帶寬K(f)ffLCfHC70.7%100%Df=fHC－

fLC≈fHC第十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日3.14電壓脈沖特性TOFD系統(tǒng)施加在探頭上的電壓脈沖都是單極性或者雙極性的矩形脈沖。單極性矩形脈沖由一個(gè)正向階躍脈沖和一個(gè)在一定延時(shí)后的負(fù)向階躍脈沖的疊加構(gòu)成；雙極性矩形脈沖由兩個(gè)反相的矩形脈沖疊加構(gòu)成。正向階躍脈沖（矩形波上升沿）或負(fù)向階躍脈沖（矩形波下降沿）都能激發(fā)探頭振動(dòng)產(chǎn)生脈沖。一個(gè)單極矩形脈沖可以讓探頭晶片產(chǎn)生兩次振動(dòng)，而一個(gè)雙極矩形脈沖可以激發(fā)探頭晶片產(chǎn)生三次振動(dòng)。第十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日脈沖寬度脈沖寬度：激發(fā)脈沖幅值持續(xù)在50%高度的時(shí)間。當(dāng)使用TOFD時(shí)，脈沖寬度是非常重要的，它有助于優(yōu)化接收信號(hào)的形狀。第十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日脈沖寬度的選擇第十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日脈沖寬度的選擇TOFD系統(tǒng)使用的矩形脈沖寬度是可調(diào)的，通常在25-500ns范圍內(nèi)。矩形脈沖的兩個(gè)邊振動(dòng)的相位相反，相差180°。脈沖寬度設(shè)置成該頻率周期的一半（比如5MHz時(shí)使用100ns），信號(hào)加強(qiáng)，獲得一個(gè)振幅更大的脈沖信號(hào)，但是余波也會(huì)隨之變長(zhǎng)。脈沖寬度設(shè)置為超聲波發(fā)射頻率的一個(gè)周期（比如5MHz設(shè)置為200ns），兩個(gè)信號(hào)反相，獲得一個(gè)振幅很小的信號(hào)，余波的振動(dòng)也會(huì)明顯減小，對(duì)于TOFD技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是很有意義的。第十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日脈沖上升時(shí)間上升時(shí)間：從脈沖幅值的10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間。下降時(shí)間：從脈沖幅值的90%下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)間。脈沖上升和下降的時(shí)間會(huì)影響到超聲脈沖波形和TOFD檢測(cè)精度以及分辨率，這一時(shí)間越短，則階躍脈沖的高頻諧波成份越多，帶寬越大，脈沖更窄。小于等于50ns。第十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日脈沖高度脈沖高度其實(shí)就是矩形脈沖的電壓振幅，電壓越高，激勵(lì)的超聲脈沖能量就越大。TOFD掃查系統(tǒng)所使用的脈沖電壓取決于探頭的頻率和晶片元件的類(lèi)型。TOFD檢測(cè)有時(shí)需要使用高頻探頭，但是高頻探頭的材料很薄，容易損壞，為避免探頭的損壞，需要控制發(fā)射脈沖的電壓不能太高，但同時(shí)又要兼顧檢測(cè)的靈敏度。TOFD檢測(cè)系統(tǒng)使用的脈沖電壓范圍一般是從100V-400V。第二十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日脈沖重復(fù)頻率重復(fù)頻率：每秒鐘內(nèi)用于激發(fā)探頭晶片的觸發(fā)脈沖數(shù)目。幾百到上千Hz。通常對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，設(shè)置脈沖重復(fù)頻率(prf)是很有必要的。這是觸發(fā)發(fā)射探頭的頻率。prf和數(shù)字化頻率不同。前者控制多長(zhǎng)時(shí)間觸發(fā)發(fā)一射探頭一次，后者是在A(yíng)掃上一個(gè)給定長(zhǎng)度內(nèi)樣本數(shù)量。重復(fù)頻率越高相應(yīng)的掃查速度也可以提高。Ｔ－重復(fù)周期f=1/T－重復(fù)頻率Ａ－振幅強(qiáng)度第二十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日脈沖重復(fù)頻率儀器的脈沖重復(fù)頻率PRF0；觸發(fā)探頭發(fā)射超聲脈沖的頻率PRF；系統(tǒng)接收存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)三者可能并不相同。TOFD探頭對(duì)數(shù)為M，則：若使用N次疊加來(lái)獲得平均波形，則對(duì)其中一對(duì)探頭獲得的信號(hào)數(shù)：獲取一個(gè)有效信號(hào)的周期T：舉例：PRF0=2000；M=4；N=16；則T=0.032s。探頭移動(dòng)速度50mm/s；則0.032×50=1.6mm，即1.6mm取樣一次，速度太快。第二十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第二十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日避免出現(xiàn)空白A掃地措施減小掃查速度；增加PRF；減少平均次數(shù)；減少需要進(jìn)行數(shù)字化采用的A掃長(zhǎng)度；加大步進(jìn)量；減少數(shù)字化采樣頻率。第二十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2TOFD探頭ＴＯＦＤ檢測(cè)通常采用小晶片、大擴(kuò)散角、短脈沖、寬頻帶、高靈敏度的縱波探頭。晶片一般采用復(fù)合壓電晶片，有效提高發(fā)射和接收靈敏度,且直徑一般不超25mm。第二十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日壓電復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)1.發(fā)射和接收性能好，靈敏度高；2.機(jī)械品質(zhì)因子Q值低，帶寬大，脈沖短，分辨力高；3.機(jī)電耦合系數(shù)值大，聲能/電能的轉(zhuǎn)換效率高；4.在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定；5.可加工形狀復(fù)雜的探頭，僅需簡(jiǎn)易的切塊和充填技術(shù)；6.聲阻抗可以改變，以實(shí)現(xiàn)與不同聲阻抗的材料匹配；7.橫向振動(dòng)很弱,串?dāng)_聲壓小；8.帶寬大(80~100%)第二十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日壓電復(fù)合材料的幾項(xiàng)特性參數(shù)（1）壓電應(yīng)變常數(shù)與壓電電壓常數(shù)的乘積d33g33壓電應(yīng)變常數(shù)d33是表征發(fā)射靈敏度的參數(shù)，壓電電壓常數(shù)的乘積g33是表征發(fā)射靈敏度的參數(shù)，乘積數(shù)值越大，發(fā)射-接收能量越高。壓電復(fù)合材料的超聲發(fā)射接收比普通壓電材料好的多。第二十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日壓電復(fù)合材料的幾項(xiàng)特性參數(shù)（2）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q值小，表征帶寬大，脈沖窄，縱向分辨力好。壓電復(fù)合材料的Q值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通壓電材料。第二十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日壓電復(fù)合材料的幾項(xiàng)特性參數(shù)（3）聲阻抗壓電復(fù)合材料的聲阻抗Z可通過(guò)改變PZT與樹(shù)脂哦的體積比率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而根據(jù)不同條件選擇聲阻抗來(lái)改變透聲效果。第二十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日壓電復(fù)合材料的幾項(xiàng)特性參數(shù)（4）厚度方向的機(jī)電耦合系數(shù)kt厚度方向的機(jī)電耦合系數(shù)kt數(shù)值越大，電聲轉(zhuǎn)換效率越高，檢測(cè)靈敏度越高。普通PZTkt值在0.48～0.51；壓電復(fù)合材料0.62～0.67。第三十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日探頭的聲學(xué)特性1、脈沖回波信號(hào)的時(shí)域特性參數(shù)第三十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日TOFD探頭的聲學(xué)特性2、脈沖回波信號(hào)的頻域特性參數(shù)第三十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日TOFD探頭的聲學(xué)特性3、脈沖信號(hào)的帶寬第三十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日TOFD探頭的聲學(xué)特性4、TOFD探頭的聲學(xué)特性要求第三十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日探頭的波束擴(kuò)散計(jì)算折射角公式（折射定律）：聲束半擴(kuò)散角公式：截取波束邊緣的聲壓下降值下降6dB下降12dB下降20dBF值F=0.51F=0.7F=1.08第三十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第一零值擴(kuò)散角sinθ=1.22(λ/D)第三十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日擴(kuò)散角計(jì)算q2q2q2Sinq1

=C1Sinq2

C2Refraction:BeamSpreadinprobeshoe:q1q1q1qKl

DSineq=第三十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日聲束模擬600longitudinalprobe6mmcircularcrystalSimulatedinsteel

第三十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日TOFD探頭的波束擴(kuò)散計(jì)算為計(jì)算被測(cè)工件中聲束擴(kuò)散，需要執(zhí)行如下步驟：由折射角公式計(jì)算出楔塊中縱波入射角：

計(jì)算楔塊中縱波聲束擴(kuò)散角：計(jì)算楔塊中縱波聲束上下邊界角：

γP上

=θp＋γP

；γP下

=θp－γP由折射角公式計(jì)算鋼中縱波聲束上下邊界角：

sinγL上

=sinγP上

CL/CPsinγL下

=sinγP下

CL/CP第三十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日【例題】求晶片尺寸6mm，頻率5MHz，折射角60°的縱波斜探頭的鋼中-12dB聲束邊界角，設(shè)工件中縱波聲速C=5.95mm/μs，楔塊中縱波聲速CP=2.4mm/μs。折射角公式計(jì)算出楔塊中縱波入射角度：

sinθP=sin60°×2.4/5.9θP=20.44°計(jì)算楔塊中縱波的聲束擴(kuò)散角

sinγP=0.7×2.4/（6×5）γ=3.21°計(jì)算楔塊中縱波的聲束上下邊界角

γP上

=20.44+3.21=23.65γP下

=20.44-3.21=17.23計(jì)算鋼中縱波的聲束上下邊界角

sinθL上

=sin23.65×5.95/2.4;θL上

=84.0°sinθL下

=s