第三章TOFD檢測系統(tǒng)硬件基本知識

1、第三章第三章 TOFD檢測系統(tǒng)硬件基本知識檢測系統(tǒng)硬件基本知識張志超福建省特種設(shè)備檢驗研究院3.1TOFD檢測系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)主要包括主機、TOFD檢測掃查器、TOFD檢測探頭和TOFD檢測校準試塊。 3.1.1TOFD檢測電子儀器數(shù)字化超聲波檢測儀主要功能：發(fā)射超聲波和接收放大回波信號；采集和保存超聲A掃信號波形和相關(guān)的數(shù)據(jù)；按照要求設(shè)置和校驗檢測參數(shù)；1. 顯示信號波形和掃描圖像，分析處理數(shù)據(jù)，輸出檢測報告。 儀器結(jié)構(gòu)模擬部分 模擬部分包括激勵探頭的脈沖發(fā)射電路和接收信號進行放大濾波處理的接收放大電路。 每對用于檢測的TOFD探頭都定義了單獨的發(fā)射/接收通道，每個檢測位置的信息都需要完整記錄

2、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限制放大后信號的頻帶寬度。 對于非常弱的TOFD信號，需要大約70dB的增益 。 如果TOFD信號非常弱或者探頭距離主放大器非常遠，使用一個分立的前置放大器。通常使用前置放大器將信號增益30或40dB。 3.1.2儀器的主要性能指標 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稱頻率的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100V400V。 脈沖前沿：要求脈沖上升時間應盡量短，一般規(guī)定上升時間50ns。 脈沖寬度：一般

3、規(guī)定在100ns左右，且應可調(diào)，以便優(yōu)化脈沖幅度和持續(xù)時間。 儀器的主要性能指標 增益：一般規(guī)定80dB，最好100dB，且增益應該連續(xù)可調(diào)，一般要求步進1dB。 放大器線性誤差：一般要求任意相鄰12dB的誤差在1dB以內(nèi)，最大累計誤差不超過1dB。 脈沖重復頻率：一般在100Hz1000Hz，最低應能符合掃查速度和數(shù)據(jù)采集要求，最高不會產(chǎn)生幻象波。 水平線性誤差和垂直線性誤差：一般規(guī)定水平線性誤差應小于1%，垂直線性誤差小于5%。 儀器的主要性能指標 波形顯示方式：應提供射頻波顯示和檢波（全檢、負或正半波檢波）顯示。 時間閘門：應提供可調(diào)節(jié)的有足夠長度的閘門，閘門起點相對于發(fā)射脈沖至少應在0

4、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倍探頭標稱頻率，若需對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理，采樣率應提高到探頭頻率的8倍。也有規(guī)定一般不小于20MHz，最好60MHz以上。 儀器的主要性能指標 圖像灰度等級：至少64級，最好256級以上。 一次線性掃查長度：一般要求達到2000mm。 掃查增量：儀器的數(shù)據(jù)采集應和掃查裝置的移動同步，要求掃查增量應滿足檢測工藝要求，最小0.5mm。 編碼器：應能保證各A掃描信號的位置準確性，編碼器增量誤差0.5mm。 儀器的主要性能指標 記錄：應使用基于計算機的自動數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。能記錄整個掃描過程的原始數(shù)據(jù)，能進行掃查記錄

5、的恢復和回放掃查時候記錄的A掃波形，能將所有的A掃信號和TOFD掃查圖像保存于磁盤等永久介質(zhì)，并能提供輸出拷貝等功能。 軟件功能：應包括TOFD顯示的深度或時基線性化算法，配備了十字光標和弧形光標，以測量衍射體深度和高度；應具有局部放大功能，信號平均功能，直通波（底面反射波）拉直和去除直通波（底面反射波）功能；應具有在線分析和離線分析的功能。 3.1.3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固有通頻帶 。 -3dB帶寬是指：在輸入信號和輸出信號處于穩(wěn)定的條件下，調(diào)節(jié)輸入信號頻率，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%），此時輸

6、入信號頻率的上限稱為高端截止頻率，輸入信號頻率的下限稱為低端截止頻率，高端截止頻率減去低端截止頻率就是-3dB帶寬。 電子電路的帶寬K ( f )ffLCfHC70.7%100%Df = fHC fLC fHC3.14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正向階躍脈沖和一個在一定延時后的負向階躍脈沖的疊加構(gòu)成；雙極性矩形脈沖由兩個反相的矩形脈沖疊加構(gòu)成。 正向階躍脈沖（矩形波上升沿）或負向階躍脈沖（矩形波下降沿）都能激發(fā)探頭振動產(chǎn)生脈沖。 一個單極矩形脈沖可以讓探頭晶片產(chǎn)生兩次振動，而一個雙極矩形脈沖可以激發(fā)探頭晶片產(chǎn)生三次振動。

7、 脈沖寬度脈沖寬度 脈沖寬度：激發(fā)脈沖幅值持續(xù)在脈沖寬度：激發(fā)脈沖幅值持續(xù)在50%高度的時間。高度的時間。 當使用當使用TOFD時，脈沖寬度是非常重要的，它有時，脈沖寬度是非常重要的，它有助于優(yōu)化接收信號的形狀。助于優(yōu)化接收信號的形狀。脈沖寬度的選擇脈沖寬度的選擇脈沖寬度的選擇脈沖寬度的選擇 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)。 矩形脈沖的兩個邊振動的相位相反，相差180。 脈沖寬度設(shè)置成該頻率周期的一半（比如5MHz時使用100ns），信號加強，獲得一個振幅更大的脈沖信號，但是余波也會隨之變長。 脈沖寬度設(shè)置為超聲波發(fā)射頻率的一個周期（比如5MHz設(shè)置為20

8、0ns），兩個信號反相，獲得一個振幅很小的信號，余波的振動也會明顯減小，對于TOFD技術(shù)的應用來說是很有意義的。脈沖上升時間脈沖上升時間 上升時間：從脈沖幅值的10%上升到90%所經(jīng)歷的時間。 下降時間：從脈沖幅值的90%下降到10%所經(jīng)歷的時間。 脈沖上升和下降的時間會影響到超聲脈沖波形和TOFD檢測精度以及分辨率，這一時間越短，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。 脈沖高度 脈沖高度其實就是矩形脈沖的電壓振幅，電壓越高，激勵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型。 TOFD檢測有時需要使用高頻探頭，但是高頻探

9、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，但同時又要兼顧檢測的靈敏度。 TOFD檢測系統(tǒng)使用的脈沖電壓范圍一般是從100V - 400V。 3.1.5脈沖重復頻率 重復頻率：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。 通常對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，設(shè)置脈沖重復頻率(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。 前者控制多長時間觸發(fā)發(fā)一射探頭一次，后者是在A掃上一個給定長度內(nèi)樣本數(shù)量。 重復頻率越高相應的掃查速度也可以提高。重復周期f=1/T 重復頻率振幅強度脈沖重復頻率 儀器的脈沖重復頻率PRF0；觸發(fā)探頭發(fā)射超聲脈沖的頻率P

10、RF；系統(tǒng)接收存儲的信號數(shù)三者可能并不相同。 TOFD探頭對數(shù)為M，則： 若使用N次疊加來獲得 平均波形，則對其中一 對探頭獲得的信號數(shù)： 獲取一個有效信號的周期T： 舉例： PRF0=2000；M=4；N=16；則T=0.032s。 探頭移動速度50mm/s；則0.03250=1.6mm，即1.6mm取樣一次，速度太快。MNPRF0MPRFPRF00PRFMNT 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)；減少需要進行數(shù)字化采用的A掃長度；加大步進量；減少數(shù)字化采樣頻率。3.2TOFD 探頭檢測通常采用小晶片、大擴散角、短脈沖、寬頻帶、高靈敏度的縱波探頭。晶片一般采用復合壓

11、電晶片，有效提高發(fā)射和接收靈敏度,且直徑一般不超25mm。壓電復合材料的優(yōu)點1.發(fā)射和接收性能好，靈敏度高；2.機械品質(zhì)因子Q值低，帶寬大，脈沖短，分辨力高；3.機電耦合系數(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.可加工形狀復雜的探頭，僅需簡易的切塊和充填技術(shù)；6. 聲阻抗可以改變，以實現(xiàn)與不同聲阻抗的材料匹配；7.橫向振動很弱,串擾聲壓小；8.帶寬大(80100%)壓電復合材料的幾項特性參數(shù)（1）壓電應變常數(shù)與壓電電壓常數(shù)的乘積d33g33 壓電應變常數(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

12、電復合材料的超聲發(fā)射接收比普通壓電材料好的多。壓電復合材料的幾項特性參數(shù)（2）機械品質(zhì)因數(shù)Q 機械品質(zhì)因數(shù)Q值小，表征帶寬大，脈沖窄，縱向分辨力好。 壓電復合材料的Q值遠遠小于普通壓電材料。壓電復合材料的幾項特性參數(shù)（3）聲阻抗 壓電復合材料的聲阻抗Z可通過改變PZT與樹脂哦的體積比率進行調(diào)節(jié)，從而根據(jù)不同條件選擇聲阻抗來改變透聲效果。壓電復合材料的幾項特性參數(shù)（4）厚度方向的機電耦合系數(shù)kt 厚度方向的機電耦合系數(shù)kt數(shù)值越大，電聲轉(zhuǎn)換效率越高，檢測靈敏度越高。 普通PZT kt值在0.480.51；壓電復合材料0.620.67。3.2.2TOFD探頭的聲學特性1、脈沖回波信號的時域特性參數(shù)

13、TOFD探頭的聲學特性2、脈沖回波信號的頻域特性參數(shù)TOFD探頭的聲學特性3、脈沖信號的帶寬TOFD探頭的聲學特性4、 TOFD探頭的聲學特性要求3.2.3TOFD探頭的波束擴散計算 折射角公式（折射定律）： 聲束半擴散角公式：2211CsinsinCDFsin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第一零值擴散角 sin= 1.22(/D)擴散角計算q2q2q2Sinq1 C1Sinq2 C2Refraction :Beam Spreadin probe shoe:q1q1q1q qK DSine q=聲束模擬600 lon

14、gitudinal probe6mm circular crystalSimulated in steel TOFD探頭的波束擴散計算為計算被測工件中聲束擴散，需要執(zhí)行如下步驟：由折射角公式計算出楔塊中縱波入射角： 計算楔塊中縱波聲束擴散角：計算楔塊中縱波聲束上下邊界角： P上 = p P ；P下 = pP由折射角公式計算鋼中縱波聲束上下邊界角： sinL上 = sinP上 CL/CP sinL下 = sin P下 CL/CPDfCFsinPPLCCsinsinPLPqq【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/

15、s，楔塊中縱波聲速CP = 2.4mm/s。 折射角公式計算出楔塊中縱波入射角度： sinP = sin60 2.4/5.9 P =20.44 計算楔塊中縱波的聲束擴散角 sinP= 0.7 2.4/（65） = 3.21 計算楔塊中縱波的聲束上下邊界角 P上 = 20.44 + 3.21 = 23.65 P下 = 20.44 - 3.21 = 17.23 計算鋼中縱波的聲束上下邊界角 sinL上 = sin23.655.95/2.4; L上 =84.0 sinL下 = sin17.235.95/2.4; L下 = 47.22 答案：該縱波斜探頭在鋼中的-12dB上邊界角為84，下邊界角為47.22 波束在鋼中角度在楔塊中角度4516.57 6020.44 7022.27 600 5MHz 6mm600 10MHz 6mm450 5MHz 6mm3.2.4不同頻率