第三章TOFD檢測(cè)系統(tǒng)硬件基本知識(shí)

1、第三章第三章 TOFD檢測(cè)系統(tǒng)硬件基本知識(shí)檢測(cè)系統(tǒng)硬件基本知識(shí)張志超福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院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。 3.1.1TOFD檢測(cè)電子儀器數(shù)字化超聲波檢測(cè)儀主要功能：1. 發(fā)射超聲波和接收放大回波信號(hào)；2. 采集和保存超聲A掃信號(hào)波形和相關(guān)的數(shù)據(jù)；3. 按照要求設(shè)置和校驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)；4. 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。 儀器結(jié)構(gòu)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

2、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。 3.1.2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100V400V。 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

3、。 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。 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。 放大器線性誤差：一般要求任意相鄰12dB的誤差在1dB以內(nèi)，最大累計(jì)誤差不超過(guò)1dB。 脈沖重復(fù)頻率：一般在100Hz1000Hz，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。 水平線性誤差和垂直線性誤差：一般規(guī)定水平線性誤差應(yīng)小于1%，垂直線性誤差小于5%。 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

4、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。 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。 一次線性掃查長(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。 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)

5、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(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

6、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。 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(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

7、晶片產(chǎn)生三次振動(dòng)。 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(shí)間。高度的時(shí)間。 當(dāng)使用當(dāng)使用TOFD時(shí)，脈沖寬度是非常重要的，它有時(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。助于優(yōu)化接收信號(hào)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(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

8、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。脈沖上升時(shí)間脈沖上升時(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。 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

9、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。 3.1.5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。重復(fù)周期f=1/T 重復(fù)頻率振幅強(qiáng)度脈沖重復(fù)頻率 儀器的脈沖重復(fù)頻率PRF0；觸發(fā)探頭發(fā)

10、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0.03250=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1. 減小掃查速度；2. 增加PRF；3. 減少平均次數(shù)；4. 減少需要進(jìn)行數(shù)字化采用的A掃長(zhǎng)度；5. 加大步進(jìn)量；6. 減少數(shù)字化采樣頻率。3.2TOFD 探頭檢測(cè)通常采用小晶片、大擴(kuò)散角、

11、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。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(80100%)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)

12、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。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。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。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PZT kt值在0.480.51；壓電復(fù)合材料0.620.67。3.2.

13、2TOFD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)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)TOFD探頭的聲學(xué)特性3、脈沖信號(hào)的帶寬TOFD探頭的聲學(xué)特性4、 TOFD探頭的聲學(xué)特性要求3.2.3TOFD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：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(kuò)散角 sin= 1.22(/D)擴(kuò)散角計(jì)算q2q2q2Sinq1 C1Sinq2 C2Refraction :Beam Spreadin probe shoe:q1q

14、1q1q qK DSine q=聲束模擬600 longitudinal probe6mm circular crystalSimulated in steel 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：1. 由折射角公式計(jì)算出楔塊中縱波入射角： 2. 計(jì)算楔塊中縱波聲束擴(kuò)散角：3. 計(jì)算楔塊中縱波聲束上下邊界角： P上 = p P ；P下 = pP4. 由折射角公式計(jì)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

15、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/s，楔塊中縱波聲速CP = 2.4mm/s。 折射角公式計(jì)算出楔塊中縱波入射角度： sinP = sin60 2.4/5.9 P =20.44 計(jì)算楔塊中縱波的聲束擴(kuò)散角 sinP= 0.7 2.4/（65） = 3.21 計(jì)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(jì)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