1、Xi an Polytechnic University主講教師：王秋萍主講教師：王秋萍第第1010章章 其他超聲檢測方法其他超聲檢測方法210.1 10.1 衍射時差法衍射時差法10.2 10.2 相控陣超聲相控陣超聲Xi an Polytechnic University主要內(nèi)容主要內(nèi)容3u 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象u 衍射時差法衍射時差法原理原理u 典型缺陷顯示典型缺陷顯示u 應(yīng)用實例應(yīng)用實例u 衍射時差法衍射時差法優(yōu)越性和局限性優(yōu)越性和局限性Xi an Polytechnic University10.1 10.1 衍射時差法衍射時差法一一. .衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象缺陷缺陷衍射波衍射波衍射波衍射波

2、入射波入射波反射波反射波 基于惠更斯原理基于惠更斯原理 衍射波向各個方向傳播衍射波向各個方向傳播 衍射能量低衍射能量低 衍射方向不取決于入射角衍射方向不取決于入射角Xi an Polytechnic University衍射與反射的區(qū)別：衍射與反射的區(qū)別：1） 從原理上看從原理上看 a. 衍射現(xiàn)象基于惠更斯原理，產(chǎn)生衍射波；衍射現(xiàn)象基于惠更斯原理，產(chǎn)生衍射波； b. 反射現(xiàn)象遵循反射定律，只是傳播方向的改變。反射現(xiàn)象遵循反射定律，只是傳播方向的改變。2） 從現(xiàn)象上看從現(xiàn)象上看 a. 衍射波傳播方向不取決于入射角，而是向各個方衍射波傳播方向不取決于入射角，而是向各個方向傳播，但能量低。向傳播，但

3、能量低。 b. 反射波能量高，但傳播方向取決于入射角方向。反射波能量高，但傳播方向取決于入射角方向。Xi an Polytechnic University二二. . 衍射時差法衍射時差法原理原理Xi an Polytechnic University超聲波衍射時差法超聲波衍射時差法( (Time Of Flight Diffraction ，簡寫為，簡寫為TOFD) )，是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角端角” 和和“端端點點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法，用于缺陷的檢測、定量處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法，用于缺陷的檢測

4、、定量和定位。和定位。 TOFD 方法主要用于焊縫檢測，探頭相對于焊縫中心線對稱布方法主要用于焊縫檢測，探頭相對于焊縫中心線對稱布置。在工件無缺陷部位，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達接收探頭的是置。在工件無缺陷部位，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波和底面反射直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波和底面反射波之間出現(xiàn)缺處產(chǎn)生的衍射波。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射波之間出現(xiàn)缺處產(chǎn)生的衍射波。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。TransmitterReceiverLa

5、teral WaveLWBack-wall ReflectionBW1.1. TOFD原理圖原理圖Upper tipLower tipXi an Polytechnic University典型信號波形典型信號波形Xi an Polytechnic University92.2.波形的相位關(guān)系波形的相位關(guān)系理論和實驗證明，如果兩個衍射信號的相位相反，則在兩個信號間一定存在一個理論和實驗證明，如果兩個衍射信號的相位相反，則在兩個信號間一定存在一個連續(xù)不間斷的缺陷。因此識別相位變化對于評定缺陷尺寸非常重要。連續(xù)不間斷的缺陷。因此識別相位變化對于評定缺陷尺寸非常重要。波束經(jīng)過上端點和底面時，在異質(zhì)界

6、面反射，相位發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此波形相位相似。波束經(jīng)過上端點和底面時，在異質(zhì)界面反射，相位發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此波形相位相似。而波束經(jīng)過下端點時相當(dāng)于波束在缺陷底部環(huán)繞，相位不發(fā)生轉(zhuǎn)變，與直通波相而波束經(jīng)過下端點時相當(dāng)于波束在缺陷底部環(huán)繞，相位不發(fā)生轉(zhuǎn)變，與直通波相位相似。位相似。Xi an Polytechnic University103.3.缺陷深度和高度的計算缺陷深度和高度的計算12ddh22012142StTcd22022242StTcd則有：；為超聲波傳播的總時間和的時間；為超聲波在楔塊中傳播若210TTtXi an Polytechnic University1112ddhScttcd1212

7、1421則有：傳播的時間差，端點的衍射波與直通波分別為缺陷上端點和下和若21ttScttcd22222421Xi an Polytechnic University12TOFD的成像并非是缺陷的實際圖像顯示，而是通過掃查時探頭所接收到的的成像并非是缺陷的實際圖像顯示，而是通過掃查時探頭所接收到的A掃圖掃圖形轉(zhuǎn)換為黑白兩色的形轉(zhuǎn)換為黑白兩色的B掃掃或或D掃掃灰度圖灰度圖，以灰度表示信號幅度。以灰度表示信號幅度?；叶入A度表示振幅，當(dāng)回波處于灰度階度表示振幅，當(dāng)回波處于 0 位時用中間灰色表示，當(dāng)波形向正半周變化時位時用中間灰色表示，當(dāng)波形向正半周變化時向白色漸變，當(dāng)波形向負(fù)正半周變化時向黑色漸變。

8、向白色漸變，當(dāng)波形向負(fù)正半周變化時向黑色漸變。4.4.TOFD掃描成像顯示方式掃描成像顯示方式Xi an Polytechnic University13深度深度探探頭頭移移動動距距離離Xi an Polytechnic University145.5.連續(xù)掃查時得到的掃描圖像連續(xù)掃查時得到的掃描圖像無缺陷時的圖像無缺陷時的圖像：底底波波A掃波形掃波形D掃圖像掃圖像直直通通波波Xi an Polytechnic University15有缺陷時的圖像有缺陷時的圖像：A 掃波形掃波形D掃圖像掃圖像上端點上端點下端點下端點Xi an Polytechnic University166.6.單單通道

9、通道TOFD圖解圖解TOFD檢測技術(shù)在各種焊縫檢測中，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。檢測技術(shù)在各種焊縫檢測中，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 Xi an Polytechnic University17多通道縱波衍射時差技術(shù)（多通道縱波衍射時差技術(shù)（TOFD）和脈沖回波聯(lián)合掃查）和脈沖回波聯(lián)合掃查最大檢測焊縫厚度可達最大檢測焊縫厚度可達400mm 7.7.多通道多通道TOFD圖解圖解Xi an Polytechnic University18三三. TOFD典型缺陷顯示典型缺陷顯示焊趾裂紋在焊趾裂紋在TOFD中的顯示中的顯示裂紋阻擋了直通波，下尖端衍射信號顯示在裂紋阻擋了直通波，下尖端衍射信號顯示在A掃描中。掃描

10、中。12Xi an Polytechnic University19根部裂紋在根部裂紋在TOFD中的顯示中的顯示缺陷造成底面回波信號減弱缺陷造成底面回波信號減弱123Xi an Polytechnic University20側(cè)壁未融合在側(cè)壁未融合在TOFD中的顯示中的顯示注意缺陷上下尖端的兩個信號注意缺陷上下尖端的兩個信號1234Xi an Polytechnic University21層間未熔合在層間未熔合在TOFD中的顯示中的顯示123Xi an Polytechnic University22根部未焊透在根部未焊透在TOFD中的顯示中的顯示注意缺陷上下尖端的兩個信號注意缺陷上下尖端的

11、兩個信號1234Xi an Polytechnic University23根部未焊透在根部未焊透在TOFD中的顯示中的顯示注意直通波和缺陷信號之間的波形相位轉(zhuǎn)換注意直通波和缺陷信號之間的波形相位轉(zhuǎn)換123Xi an Polytechnic University24密集氣孔在密集氣孔在TOFD中的顯示中的顯示123Xi an Polytechnic University25橫向裂紋在橫向裂紋在TOFD中的顯示中的顯示在直通波上我們可以看到寬波束在缺陷上的反映在直通波上我們可以看到寬波束在缺陷上的反映123Xi an Polytechnic University26根部內(nèi)凹在根部內(nèi)凹在TOFD中

12、的顯示中的顯示123底面回波產(chǎn)生變形底面回波產(chǎn)生變形Xi an Polytechnic University27四四. .TOFD應(yīng)用實例應(yīng)用實例1.1.壓力容器壓力容器 Xi an Polytechnic University常熟科恩馬球罐常熟科恩馬球罐TOFD檢測檢測北京燃?xì)饧瘓F球罐焊縫北京燃?xì)饧瘓F球罐焊縫TOFD檢測檢測282.2.水電行業(yè)水電行業(yè) Xi an Polytechnic University大渡河瀑布溝水電站蝸殼大渡河瀑布溝水電站蝸殼TOFD檢測檢測三峽水電站蝸殼焊縫三峽水電站蝸殼焊縫TOFD檢測檢測293.3.工業(yè)管道工業(yè)管道 Xi an Polytechnic Univ

13、ersity大慶遼源在役石油管線焊縫大慶遼源在役石油管線焊縫TOFD檢測檢測30(1)(1)缺陷的衍射信號與缺陷的方向無關(guān)，缺陷檢出率高。缺陷的衍射信號與缺陷的方向無關(guān)，缺陷檢出率高。(2)(2)采用采用TOFDTOFD和脈沖回波相結(jié)合，可以實現(xiàn)超聲波和脈沖回波相結(jié)合，可以實現(xiàn)超聲波100100%焊縫覆蓋。焊縫覆蓋。(3)(3)缺陷定量定位精度高，可檢出焊縫中任意走向的缺陷，可以識別向缺陷定量定位精度高，可檢出焊縫中任意走向的缺陷，可以識別向 表面延伸的缺陷。表面延伸的缺陷。(4)(4)缺陷的定量不依賴于缺陷的回波高度，缺陷高度測量精確。缺陷的定量不依賴于缺陷的回波高度，缺陷高度測量精確。(5

14、)(5)實時成像，快速安全、方便。實時成像，快速安全、方便。 (6) (6)根據(jù)根據(jù)TOFD可進行壽命評估?？蛇M行壽命評估。五五. .TOFD的的優(yōu)越性和局限性優(yōu)越性和局限性1.1.TOFD技術(shù)優(yōu)越性技術(shù)優(yōu)越性2.2.TOFD技術(shù)局限性技術(shù)局限性Xi an Polytechnic University(1)(1)在被檢工件上、下表面存在盲區(qū)。在被檢工件上、下表面存在盲區(qū)。 (2)(2)對對“噪聲噪聲”敏感。敏感。(3)(3)夸大了一些良性的缺陷夸大了一些良性的缺陷, , 如氣孔如氣孔, , 冷夾層冷夾層, , 內(nèi)部未熔合。內(nèi)部未熔合。(4) TOFD(4) TOFD數(shù)據(jù)分析對檢測人員要求高。數(shù)

15、據(jù)分析對檢測人員要求高。31u 超聲相控陣探頭超聲相控陣探頭u 超聲相控陣基本原理超聲相控陣基本原理u 超聲相控陣掃描成像方式超聲相控陣掃描成像方式u 超聲相控陣技術(shù)典型應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)典型應(yīng)用u 超聲相控陣超聲技術(shù)的優(yōu)勢超聲相控陣超聲技術(shù)的優(yōu)勢10.210.2 相控陣超聲相控陣超聲Xi an Polytechnic University32& 本質(zhì)來說相控陣探頭就是一個較長的常規(guī)超聲探頭，然后將其切本質(zhì)來說相控陣探頭就是一個較長的常規(guī)超聲探頭，然后將其切割成許多小的晶片，并可獨立激發(fā)。割成許多小的晶片，并可獨立激發(fā)。 一一. .超聲相控陣探頭超聲相控陣探頭Xi an Polytec

16、hnic University33128 elements 實際中的相控陣探頭就像是將許多小的常規(guī)超聲探頭集成進入一實際中的相控陣探頭就像是將許多小的常規(guī)超聲探頭集成進入一個大的探頭中。個大的探頭中。Xi an Polytechnic University34 相控陣換能器的壓電晶片不是一個整體，而是由多個獨立小晶片組相控陣換能器的壓電晶片不是一個整體，而是由多個獨立小晶片組成的陣列。常見的有直線排列的線陣、環(huán)形排列的面陣探頭等。成的陣列。常見的有直線排列的線陣、環(huán)形排列的面陣探頭等。Xi an Polytechnic University35 相控陣探頭晶片陣列中每一個陣元都由一獨立的激勵電

17、路控制，相控陣探頭晶片陣列中每一個陣元都由一獨立的激勵電路控制，單個陣元的損壞不影響整個換能器的使用。單個陣元的損壞不影響整個換能器的使用。Xi an Polytechnic University361.1.相控陣聲束偏轉(zhuǎn)的原理相控陣聲束偏轉(zhuǎn)的原理二二. .超聲相控陣基本原理超聲相控陣基本原理u相控陣探頭由一系列獨立晶相控陣探頭由一系列獨立晶片組成，每一個晶片都有自己片組成，每一個晶片都有自己的接頭、延時電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換的接頭、延時電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，每個晶片在聲學(xué)上都是獨器，每個晶片在聲學(xué)上都是獨立的。立的。u通過預(yù)先計算好的延時通過預(yù)先計算好的延時各單各單元的激勵脈沖從左到右等間隔元的激勵脈沖

18、從左到右等間隔增加延遲時間，使得各波陣面增加延遲時間，使得各波陣面具有一個傾角，具有一個傾角，以得到所需的以得到所需的波形，波形，實現(xiàn)了聲束的偏轉(zhuǎn)。實現(xiàn)了聲束的偏轉(zhuǎn)。Xi an Polytechnic University37(1)(1)聲束偏轉(zhuǎn)示意圖聲束偏轉(zhuǎn)示意圖38 雷達雷達(radar)原是原是“無線電探測與定位無線電探測與定位”的英文縮寫。雷達的基本的英文縮寫。雷達的基本任務(wù)是探測感興趣的目標(biāo)，測定有關(guān)目標(biāo)的距離、方問、速度等狀態(tài)任務(wù)是探測感興趣的目標(biāo)，測定有關(guān)目標(biāo)的距離、方問、速度等狀態(tài)參數(shù)。雷達主要由天線、發(fā)射機、接收機（包括信號處理機）和顯示參數(shù)。雷達主要由天線、發(fā)射機、接收機（

19、包括信號處理機）和顯示器等部分組成。器等部分組成。(2)(2)相控陣?yán)走_相控陣?yán)走_Xi an Polytechnic University 相控陣?yán)走_是一種相控陣?yán)走_是一種以改變雷達相位來改變以改變雷達相位來改變波束方向的雷達。波束方向的雷達。39Xi an Polytechnic University402.2.相控陣聲束聚焦的原理相控陣聲束聚焦的原理u 使兩端陣元先激勵，逐漸向中間加大延遲時間，使合成波陣面形使兩端陣元先激勵，逐漸向中間加大延遲時間，使合成波陣面形成具有一定曲率的圓弧面，聲束指向曲面圓心。通過改變延時間隔，成具有一定曲率的圓弧面，聲束指向曲面圓心。通過改變延時間隔，可以調(diào)整

20、聚焦長度可以調(diào)整聚焦長度相控陣聲束聚焦相控陣聲束聚焦Xi an Polytechnic University41(1)(1)聲束聚焦示意圖聲束聚焦示意圖Xi an Polytechnic University42No time delay SteeringFocusingSteering + focusing（2 2）可形成的不同聲束類型）可形成的不同聲束類型Xi an Polytechnic University43(3)(3)可得到不同掃描類型可得到不同掃描類型 ( (圖圖) ) ( (多聲束的集合多聲束的集合) )電子掃描電子掃描扇形掃描扇形掃描邊深度聚焦掃描邊深度聚焦掃描Xi an P

21、olytechnic University44三三. .相控陣掃描成像方式相控陣掃描成像方式扇掃扇掃( (擺動掃，擺動掃，S掃掃) )是相控陣所特有的掃描方式，它能夠展示反射體的是相控陣所特有的掃描方式，它能夠展示反射體的實際位置。即在某一入射點形成一定角度的扇形掃查范圍，又稱扇形實際位置。即在某一入射點形成一定角度的扇形掃查范圍，又稱扇形掃描成像。相應(yīng)地同時伴有掃描成像。相應(yīng)地同時伴有C型顯示和型顯示和A型顯示。型顯示。Xi an Polytechnic University451.1. 復(fù)合材料檢測復(fù)合材料檢測五五. .超聲相控陣技術(shù)典型應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)典型應(yīng)用Xi an Polytec

22、hnic University2.2. 焊縫檢測焊縫檢測-線性掃查線性掃查463.3.T型焊縫檢測型焊縫檢測-扇形掃查扇形掃查Xi an Polytechnic University473.3.厚壁壓力容器焊縫檢測厚壁壓力容器焊縫檢測Xi an Polytechnic University484.4.插管焊縫檢測插管焊縫檢測Xi an Polytechnic University495.5.螺栓檢測螺栓檢測Xi an Polytechnic University506.6.螺紋檢測螺紋檢測完好工件完好工件Top notch Middle notch 有缺陷工件有缺陷工件Xi an Polytechnic University517.7.渦輪燕尾槽渦輪燕尾槽/ /轉(zhuǎn)子檢測轉(zhuǎn)子檢測Xi an Polytechnic University52五五. .相控陣超聲技術(shù)的特點相控陣超聲技術(shù)的特點相控陣超聲技術(shù)的優(yōu)勢：相控陣超聲技術(shù)的優(yōu)勢：1.1.實時彩色成像，包括實時彩色成像，包括A/B/C/D和和S-掃描，便于缺陷判斷；掃描，便于缺陷判斷；2.2.相控陣技術(shù)可以實現(xiàn)線性掃查、扇形掃查和動態(tài)深度聚焦，從而同時相控