第4章TOFD技術(shù)的盲區(qū)和測(cè)量誤差2016-5

1、 第四章 TOFD技術(shù)的盲區(qū)和測(cè)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(shí)施檢測(cè)時(shí)，被檢體積中不能發(fā)現(xiàn)缺陷的區(qū)域。n對(duì)上表面缺陷，因?yàn)槿毕菪盘?hào)可能隱藏在直通波信號(hào)下而漏檢.n對(duì)下表面缺陷，其信號(hào)有可能被底面反射信號(hào)淹沒(méi)而漏檢。n盲區(qū)和測(cè)量誤差的共同作用導(dǎo)致TOFD檢測(cè)的近表面問(wèn)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(cè)有兩個(gè)主要問(wèn)題：n一是直通波的存在影響缺陷信號(hào)顯示，產(chǎn)生檢測(cè)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(duì)檢測(cè)可靠性的影響也更大；n二是由于近表面區(qū)域的時(shí)間測(cè)量不

2、準(zhǔn)導(dǎo)致深度分辨力變差，不僅影響缺陷位置測(cè)定的準(zhǔn)確性，而且影響缺陷高度測(cè)量精度。n盲區(qū)和深度測(cè)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(hào)可能隱藏在直通波信號(hào)之下，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別，因此上表面盲區(qū)就是直通波信號(hào)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(shí)間是TL (= 2s/c)，直通波脈沖時(shí)間寬度為T(mén)p，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(shí)間直通波的傳輸時(shí)間n問(wèn)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(cè)過(guò)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(jì)算 TOFD檢測(cè)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(gè)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(shí)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(jì)算直通波

4、盲區(qū)，Tp取值對(duì)結(jié)果影響很大。以往資料提出Tp取直通波兩倍周期。n實(shí)測(cè)結(jié)果表明，如果使用脈沖長(zhǎng)度不超過(guò)一個(gè)半周期的短脈沖探頭，且缺陷信號(hào)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(hào)（圖4.4）。n如果使用的探頭的脈沖長(zhǎng)度很長(zhǎng)，周期很多，則缺陷波與直通波相差2個(gè)周期甚至更多，也不能發(fā)現(xiàn)缺現(xiàn)信號(hào)，因此Tp取值與探頭的脈沖長(zhǎng)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(hào)和圖像n進(jìn)一步研究表明，Tp取直通波1個(gè)信號(hào)周期的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量的盲區(qū)值也不一致，實(shí)測(cè)盲區(qū)大于Tp值取1個(gè)信號(hào)周期的計(jì)算值而小于Tp值取2個(gè)信號(hào)周期的計(jì)算值，大致在Tp值取1.5個(gè)信號(hào)周

5、期和2個(gè)信號(hào)周期的計(jì)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(hào)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(chēng)頻率，聲波傳輸過(guò)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(shí)間按探頭標(biāo)稱(chēng)頻率取值計(jì)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(gè)和個(gè)和2個(gè)信號(hào)個(gè)信號(hào)周期，按式周期，按式(4-1)計(jì)算不同頻率（計(jì)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(jiàn)表）的盲區(qū)大小，有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shí)的盲區(qū)大小時(shí)

6、的盲區(qū)大小5MHz探頭不同探頭不同PCS(mm)6080100120160200Tp取取1個(gè)周期（個(gè)周期（0.2 s）計(jì)算的盲區(qū)值計(jì)算的盲區(qū)值 (mm)6.006.927.738.479.7710.9Tp取取2個(gè)周期（個(gè)周期（0.4 s）計(jì)算的盲區(qū)值計(jì)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(gè)周期（個(gè)周期（0.1 s）計(jì)算的盲區(qū)值計(jì)算的盲區(qū)值 (mm)4.234.895.465.986.907.72Tp取取2個(gè)周期（個(gè)周期（0.2 s）計(jì)算的盲區(qū)值計(jì)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(wú)論Tp值取1個(gè)周期或是2個(gè)信號(hào)周期，計(jì)算得到的直通波盲區(qū)數(shù)值都很大。實(shí)際上，對(duì)50mm以下的焊縫檢測(cè)，如果只進(jìn)行一次掃查，盲區(qū)大致要占檢測(cè)厚度的1525，因此直通波盲區(qū)是檢測(cè)不能忽視的問(wèn)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(zhǎng)度較大，則Tp取值就應(yīng)更大，計(jì)算的盲區(qū)也更大。4、用公式（4-1）計(jì)算直通波盲區(qū)雖然簡(jiǎn)便易行，但不夠準(zhǔn)確。用計(jì)算機(jī)仿真軟件來(lái)計(jì)算直通波盲區(qū)，結(jié)果要準(zhǔn)確一些，但軟件價(jià)格較貴。最可靠和實(shí)用的方法是通過(guò)對(duì)比試塊來(lái)測(cè)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(guó)外文獻(xiàn)提出在焊縫中心存在著底面盲區(qū),并給出了一個(gè)焊縫中心底面盲區(qū)高度D dz的計(jì)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(hào)傳輸時(shí)間，Tp是底面回波信號(hào)寬度。圖4.5 底面盲區(qū)示意圖n但理論分析和實(shí)測(cè)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(hào)應(yīng)在底面信號(hào)之前，不應(yīng)被底面信號(hào)淹沒(méi)。n該盲區(qū)的存在只是由于缺陷信號(hào)與底面信號(hào)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(shí)

9、與缺陷信號(hào)大小，以及底面的平整程度等因素有關(guān)。圖4.6 缺陷信號(hào)與底面信號(hào)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(cè)量底面平整試塊上的足夠長(zhǎng)的槽，只要缺陷信號(hào)超前底面信號(hào)1個(gè)周期，甚至0.5個(gè)周期，就可以識(shí)別。因此，焊縫中心的底面盲區(qū)的計(jì)算公式不準(zhǔn)確，也無(wú)計(jì)算的必要，該盲區(qū)即使存在，也是很小的，一般不超過(guò)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(huì)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(duì)TOFD技術(shù)檢測(cè)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(duì)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(hào)遲于底面反射波信號(hào)到達(dá)，被底面反射波信號(hào)淹沒(méi)，從而無(wú)法識(shí)別，也就不能檢出。n按TOFD檢測(cè)一收一發(fā)的探頭布置，超聲衍射信號(hào)傳輸時(shí)間相等位置為一個(gè)橢圓軌跡。圖4.7所示的橢圓軌跡是與底波信號(hào)傳輸時(shí)間相等的衍射點(diǎn)位置，如果缺陷在橢圓以下區(qū)域，則信號(hào)出現(xiàn)在底面反射波之后，因此無(wú)法檢出。n此外還需說(shuō)明，橢圓曲線上超聲衍射信號(hào)傳輸時(shí)間相等的特性除了會(huì)導(dǎo)致軸偏離底面盲區(qū)外，還會(huì)導(dǎo)致深度測(cè)量出現(xiàn)誤差。圖4.7 軸偏離底面盲區(qū)的計(jì)算n該盲區(qū)的重要特點(diǎn)是其高度與距兩探頭中心線的相對(duì)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(gè)探頭中軸線上最大深度和聲束邊緣最小深度之間。在針對(duì)焊縫檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)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(jì)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(guò)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(shí)，增加PCS可以減小軸偏離底面盲區(qū)。n

12、在實(shí)際檢測(cè)中，要特別注意焊縫型式和形狀對(duì)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(duì)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(duì)盲區(qū)的影響。如圖4.9所示，余高使底面反射波信號(hào)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(shí)測(cè)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(duì)底面盲區(qū)的影響底面焊縫余高對(duì)底面盲區(qū)的影響n在TOFD檢測(cè)方案設(shè)計(jì)時(shí)，為防止下表面附近缺陷漏檢，就必須明確需要檢測(cè)的最小缺陷尺寸、檢測(cè)區(qū)域、焊縫

13、類(lèi)型等，對(duì)于底面焊縫寬度較寬的焊縫實(shí)施檢測(cè)，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(duì)焊縫中心線左側(cè)，另一次針對(duì)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(cè)近表面問(wèn)題檢測(cè)近表面問(wèn)題盲區(qū)和深度測(cè)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(gè)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(jì)算不準(zhǔn)，原因：聲束邊緣直通波頻率低于標(biāo)稱(chēng)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?yàn)槿?/p>

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(shí)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(cè)中，傳輸時(shí)間相等的位置為一個(gè)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(duì)底面盲區(qū)的影響、焊縫底面余高對(duì)底面盲區(qū)的影響焊縫型式和形狀對(duì)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(cè)量的精度 4.2

15、.1 TOFD信號(hào)測(cè)量的精度概述 TOFD信號(hào)測(cè)量的精度是指測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確性。由于TOFD技術(shù)是利用衍射信號(hào)時(shí)差來(lái)測(cè)定衍射點(diǎn)深度位置的，而缺陷高度又是通過(guò)測(cè)量上下端點(diǎn)衍射信號(hào)時(shí)差來(lái)確定的，因此也可以說(shuō)，TOFD技術(shù)的測(cè)量精度是指測(cè)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(diǎn)之一是對(duì)缺陷深度和高度的測(cè)量非常準(zhǔn)確。n理論上用超聲波信號(hào)測(cè)量缺陷高度尺寸的精度大約是0.1個(gè)波長(zhǎng)。對(duì)頻率為5MHz的探頭，0.1個(gè)波長(zhǎng)約為0.1mm。換算成傳輸時(shí)間，時(shí)間間隔大約為0.017s，一般認(rèn)為，這是TOFD測(cè)量所能達(dá)到的最高精度。實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于各種誤差的存在，往往

16、達(dá)不到這一精度。 n需要強(qiáng)調(diào)的是，在TOFD技術(shù)中，要想進(jìn)行精確的尺寸測(cè)量，必須參照直通波和底面反射波校準(zhǔn)后的信號(hào)來(lái)測(cè)量時(shí)間。 n保證缺陷深度和高度測(cè)量精度的前提是選擇正確的信號(hào)取值點(diǎn)。但即使測(cè)量點(diǎn)選擇正確，在不同區(qū)域或不同位置上，TOFD技術(shù)的測(cè)量精度也是不同的。TOFD信號(hào)測(cè)量精度除了測(cè)量點(diǎn)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(cè)量精度有以下幾個(gè)措施，這些措施不僅對(duì)提高測(cè)量精度有利，而且其中的前面3項(xiàng)對(duì)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(hào)測(cè)量點(diǎn)位置的選取nTOFD信號(hào)位置測(cè)量可

17、以在A掃信號(hào)上進(jìn)行，也可以在圖像上進(jìn)行。在圖像上進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，在實(shí)際工作中，面對(duì)大量信號(hào)，如不需要很高精度，則快速測(cè)量通常是在圖像上進(jìn)行。n當(dāng)需要仔細(xì)分析和研究信號(hào)時(shí)，應(yīng)結(jié)合圖像在A掃信號(hào)上選擇位置進(jìn)行測(cè)量，這樣可以達(dá)到更高精度，同時(shí)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(hào)上的哪一位置作為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。測(cè)量信號(hào)有三種選擇：1.測(cè)量A掃信號(hào)起始點(diǎn)，即前沿（圖4.10的X點(diǎn)）；對(duì)應(yīng)圖像中的位置則是信號(hào)色帶的上緣；2.測(cè)量信號(hào)的峰尖（圖4.10的Y點(diǎn)），對(duì)應(yīng)于圖像中白色帶或黑色帶的中間。3. 測(cè)量信號(hào)第一個(gè)半周與時(shí)間軸的交點(diǎn)，即信號(hào)由正變負(fù)的那一點(diǎn)（圖4.10

18、的Z點(diǎn)）；對(duì)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(cè)量不同信號(hào)到達(dá)時(shí)間的取值點(diǎn)位置測(cè)量不同信號(hào)到達(dá)時(shí)間的取值點(diǎn)位置使用交點(diǎn)法測(cè)量信號(hào)應(yīng)注意以下規(guī)則：n如果直通波信號(hào)以正半周開(kāi)始，時(shí)間讀數(shù)取值點(diǎn)就選在該信號(hào)第一周期的半周由正變負(fù)的那一點(diǎn)。n由于底面反射波的信號(hào)相位與直通波相反，按照常取值點(diǎn)應(yīng)選在第一個(gè)負(fù)半周的由負(fù)變正的那一點(diǎn)，但底面反射信號(hào)周期有時(shí)變得很多，信號(hào)發(fā)生紊亂，有時(shí)選取底面反射波的第二個(gè)波起點(diǎn)測(cè)量更準(zhǔn)確（圖4.10的W點(diǎn)）。n測(cè)量裂紋尖端衍射信號(hào)時(shí)，則選取第一個(gè)負(fù)半周的由負(fù)變正的那一點(diǎn)位置作為裂紋頂端的時(shí)間讀數(shù)取值點(diǎn)，選取第一個(gè)正半周由正變負(fù)的那一點(diǎn)位置作為裂紋下端點(diǎn)

19、的時(shí)間讀數(shù)取值點(diǎn)。n信號(hào)位置測(cè)量可以從上述三種方法中任選，關(guān)鍵是反復(fù)實(shí)踐熟練掌握，驗(yàn)證測(cè)量準(zhǔn)確性最方便的試驗(yàn)是測(cè)量試塊厚度，精確應(yīng)達(dá)到0.1mm。選擇測(cè)量位置有時(shí)會(huì)遇到困難。例如：nTOFD圖像的灰度是由A掃信號(hào)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(cè)量，有時(shí)找不準(zhǔn)A掃的峰值。n另一種情況是在A掃信號(hào)上測(cè)量，有些信號(hào)前半周微弱，無(wú)法確定是信號(hào)的前沿還是噪聲。還有一種情況是底面反射信號(hào)經(jīng)常會(huì)飽和，采集不到底面反射波的峰尖。n遇到上述情況時(shí)，可通過(guò)圖像與A掃信號(hào)的對(duì)照，以及改變信號(hào)測(cè)量位置等方法予以解決。4.2.3 數(shù)字采樣頻率對(duì)數(shù)字采樣頻率對(duì)TOFD測(cè)量精度的

20、影響測(cè)量精度的影響n影響信號(hào)測(cè)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(hào)頻率的2倍，也就是每一個(gè)周期進(jìn)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(duì)測(cè)量精度的影響n重建后的A掃波形與模擬信號(hào)存在較大不相似度：數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)峰值點(diǎn)位置存在偏差1，數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)與橫軸的交點(diǎn)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(hào)頻率的3倍）所采集的數(shù)據(jù)重建的A掃圖形上測(cè)量，即使測(cè)量位置選擇是正確的，也不能得到準(zhǔn)確的信號(hào)到達(dá)時(shí)間。由此可見(jiàn)，數(shù)字化頻率低會(huì)影響信號(hào)測(cè)量精度。 n在第二章我

21、們?cè)?jīng)說(shuō)過(guò)，TOFD信號(hào)的數(shù)字化頻率至少應(yīng)是信號(hào)頻率的5倍。選擇標(biāo)稱(chēng)頻率5倍的數(shù)字采用頻率，即每個(gè)信號(hào)周期采集5個(gè)樣本，可以使峰值信號(hào)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(hào)與橫軸的交點(diǎn)位置與模擬信號(hào)的相似程度也就越高，測(cè)量的結(jié)果也就越精確。 4.3 TOFD測(cè)量誤差測(cè)量誤差nTOFD技術(shù)的測(cè)量包括缺陷在工件中位置（深度）的測(cè)量和缺陷尺寸的測(cè)量，而缺陷尺寸的測(cè)量又包括缺陷的高度和長(zhǎng)度的測(cè)量，因此測(cè)量誤差也包括了位置（深度）的測(cè)量誤差，以及缺陷高度尺寸和長(zhǎng)度尺寸的測(cè)量誤差。 n在缺陷長(zhǎng)度方面，TOFD技術(shù)是利用在D掃描中信號(hào)保持的

22、距離來(lái)進(jìn)行測(cè)定的，這非常類(lèi)似于常規(guī)脈沖回波的方法，兩者的測(cè)量精度也是相似的，因此TOFD技術(shù)的測(cè)量精度優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在缺陷的深度和高度測(cè)量方面。n與脈沖反射法相比，TOFD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是對(duì)缺陷位置和高度的測(cè)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(cè)量精度是不同的。nTOFD技術(shù)在測(cè)量缺陷高度方面可以達(dá)到很高的精度，無(wú)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(cè)量的精度比長(zhǎng)度測(cè)量的精度更有意義。n由于缺陷高度測(cè)量精度依賴于深度測(cè)量精度，因此本章在對(duì)深度測(cè)量誤差進(jìn)行分析的同時(shí)，討論保證測(cè)量精度的一些措施。n導(dǎo)致TOFD技術(shù)產(chǎn)生深度測(cè)量誤差主要因素有：（1）聲束傳輸時(shí)間；（2）軸偏移

23、；（3）探頭間距；（4）耦合劑厚度變化；（5）檢測(cè)表面不平整；（6）聲速變化；（7）聲束入射點(diǎn)偏移。 4.3.1 聲束傳輸時(shí)間引起的深度測(cè)量誤差聲束傳輸時(shí)間引起的深度測(cè)量誤差nTOFD技術(shù)的深度測(cè)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(gè)較大的變化只會(huì)引起時(shí)間上一個(gè)很小的變化，因此近表面深度測(cè)量不準(zhǔn)，分辨率差。n【例題】衍射點(diǎn)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(jì)算衍射點(diǎn)深度1 mm、2mm、4mm的信號(hào)傳輸時(shí)間。 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得： d 1 mm ，t1 = 2(402 + 1

24、2)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(jì)算結(jié)果可知，深度2mm與1mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.01259s；深度4mm與1mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.0624s，由于深度變化的時(shí)間增量太小，一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間誤差會(huì)導(dǎo)致大的深度誤差。n根據(jù)缺陷深度計(jì)算公式（楔塊延時(shí)忽略不計(jì)），假定缺陷尖端處于兩個(gè)探頭中間的對(duì)稱(chēng)位置，則時(shí)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/

25、2 （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(shí)間誤差t來(lái)表示，即： 2dd = (c/2)22tt （45） 用式（43）替代t： d = c (s2 +d2)1/2t/2d （46） 對(duì)于近表面 d遠(yuǎn)小于s，公式可簡(jiǎn)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(cè)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(huì)使掃查覆蓋范圍減少，降低工作效率。n利用式(47)計(jì)算時(shí)，時(shí)間誤差t可取數(shù)字化采樣間隔的一半，因?yàn)楫?dāng)選擇交叉點(diǎn)或者樣本頂點(diǎn)附

26、近進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，誤差不會(huì)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(shuō)t與探頭頻率有關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)字化頻率或探頭頻率來(lái)減小深度誤差。圖圖4.12 時(shí)間誤差的圖解時(shí)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(cè)時(shí)，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(shí)間誤差為數(shù)字化取樣間隔的一半時(shí)，試計(jì)算深度為1mm、3mm、5mm時(shí)的深度測(cè)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. 025

27、1s04. 0251，s02.0t tdd2cs d=1mm時(shí)， mm42. 302. 0125 .5795. 5d d=3mm時(shí)， mm14. 102. 0325 .5795. 5d d=5mm時(shí)， mm68. 002. 0525 .5795. 5d答：當(dāng)d=1mm時(shí)，深度測(cè)量誤差為3.42mm； 當(dāng)d=3mm時(shí)，深度測(cè)量誤差為1.14mm； 當(dāng)d=5mm時(shí)，深度測(cè)量誤差為0.68mm。n表4.2是以40 mm厚的試塊為對(duì)象計(jì)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

28、。根據(jù)表4.2數(shù)據(jù)畫(huà)出的曲線見(jiàn)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(shí)間不確定引起的深度誤差隨深度變化的示意圖時(shí)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(guò)深度誤差與探頭角度的函數(shù)關(guān)系來(lái)進(jìn)行分析。時(shí)間t與探頭角度的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖4.14圖4.14 時(shí)間t與探頭角度的函數(shù)關(guān)系n由圖4.14可見(jiàn)ct/2cos = dn所以聲程 ct= 2d/cos， 得到時(shí)間t = 2d/ccos ，把t代入公式（45）2dd = (c/2)22tt， 可推導(dǎo)出下式： d =ct/2c

29、os （48）【例題】TOFD檢測(cè)時(shí)，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(shí)間誤差為數(shù)字化取樣間隔的一半，試計(jì)算60和70聲束的深度測(cè)量誤差值。=60mm時(shí)， mm12.002.060cos295.5d1=70mm時(shí)， mmd17. 002. 070cos295. 52圖圖 4.15 時(shí)間不確定引起的深度誤差隨角度變化的示意圖時(shí)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(jì)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(shí)迅速增大。分辨力在接近水平

30、線時(shí)迅速惡化，即角度越大，分辨力越差。例如，由圖中曲線可見(jiàn)，深度誤差小于0.2mm的點(diǎn)對(duì)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(dá)裂紋尖端的聲束入射角應(yīng)該小于70。 n問(wèn)題： 如果探頭折射角為70則深度誤差小于0.2mm？n有時(shí)會(huì)應(yīng)用另一個(gè)準(zhǔn)則，即定義一個(gè)深度dmin，在這個(gè)深度上深度誤差等于深度的一半，（小于這個(gè)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(jì)算值。表表

31、 4.3 誤差為深度一半時(shí)的最小深度誤差為深度一半時(shí)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(cè)量誤差軸偏移引起的深度測(cè)量誤差圖圖4.16 軸偏移引起的深度測(cè)量誤差軸偏移引起的深度測(cè)量誤差n非平行掃查時(shí)，如果缺陷不是位于兩探頭之間的中心位置，會(huì)導(dǎo)致深度測(cè)量出現(xiàn)誤差。如圖4.16所示，設(shè)裂紋尖端偏離兩個(gè)探頭中心距離為X mm，則傳輸時(shí)間(忽略楔塊延時(shí))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)

32、 這是一個(gè)橢圓方程，兩探頭的聲束入射點(diǎn)為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)。聲程ct在數(shù)學(xué)上的意義為兩個(gè)焦點(diǎn)與橢圓上任意點(diǎn)的連線的長(zhǎng)度，是一個(gè)常數(shù)，即橢圓上F1點(diǎn)和F0點(diǎn)衍射的信號(hào)聲程是相同的。由于在非平行掃查中衍射點(diǎn)偏離中心的位置是不確定的，因此得到的深度會(huì)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(diǎn) (即圖4.16中F點(diǎn))， 最小深度d min為超聲波聲束的邊緣與橢圓的交點(diǎn)(即圖4.16中E點(diǎn))。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(huì)大一些。n由缺陷位置的軸偏移引起的深度測(cè)量誤

33、差大小同時(shí)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(shí)，在此深度超聲波聲束邊緣的深度誤差大約為8%。所以，對(duì)于焊縫根部腐蝕檢查，如果探頭對(duì)著底面，則聲束邊緣的深度誤差是8%,也就是說(shuō) (d max d min) / d max = 8%n例如，工件厚度50mm，對(duì)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(cè)量絕對(duì)誤差可以達(dá)到幾毫米。對(duì)于V型坡口，如果從焊縫寬度大的一面進(jìn)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(jìn)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(duì)于X型坡口，其熔合線和熱影響區(qū)誤差可

34、能較大，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(shuō)明的是，軸偏移誤差對(duì)缺陷高度測(cè)量影響不大，因?yàn)楫?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(cè)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(duì)于精度要求高的深度尺寸測(cè)量來(lái)說(shuō)是重要的，因?yàn)樵谶@種情況下，總可以找到這一點(diǎn)，在缺陷尖端位于兩個(gè)探頭中心時(shí)進(jìn)行測(cè)量。4.3.3 探頭間距引起的深度測(cè)量誤差探頭間距引起的深度測(cè)量誤差n計(jì)算探頭距離的變化或者誤差s所帶來(lái)的影響。根據(jù)TOFD基本公式 d2 =

35、(c/2)2 t2 - s2 對(duì)d和s微分， dd = -ss d = -ss/d (4-11) d = -s s/d (4-11) 由式(4-11)可見(jiàn)，在探頭間距一定的情況下，誤差s對(duì)深度測(cè)量有很大影響。而且對(duì)越接近表面的缺陷，深度測(cè)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(cè)量的誤差過(guò)大，因此實(shí)際檢測(cè)時(shí)，需要利用直通波和底面波信號(hào)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。n雖然探頭距離的變化或者誤差s對(duì)深度測(cè)量準(zhǔn)確性影響很大，但是對(duì)缺陷高度測(cè)量影響很小。4.3.4 使用直

36、通波和底面反射波校準(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(gè)很小的變化可以導(dǎo)致絕對(duì)深從上節(jié)知道，探頭間距的一個(gè)很小的變化可以導(dǎo)致絕對(duì)深度測(cè)量的一個(gè)很大的誤差。然而如果根據(jù)直通波或者底面度測(cè)量的一個(gè)很大的誤差。然而如果根據(jù)直通波或者底面反射波信號(hào)校準(zhǔn)尖端信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，能使這個(gè)誤差大大反射波信號(hào)校準(zhǔn)尖端信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，能使這個(gè)誤差大大減小。減小。 1、根據(jù)直通波測(cè)量時(shí)間、根據(jù)直通波測(cè)量時(shí)間 設(shè)深度設(shè)深度d的衍射點(diǎn)的信號(hào)聲程為：的衍射點(diǎn)的信號(hào)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(gè)信號(hào)的時(shí)間差為：因此這兩

37、個(gè)信號(hào)的時(shí)間差為： ctr = c(t-tl) = 2(s2 +d2)1/2 -2s 因?yàn)橐驗(yàn)閐遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于 s, ctr = 2s(1 + (d/s)2)1/2 -1 d2/s 如果對(duì)如果對(duì)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(duì)60mm厚試件進(jìn)行TOFD檢測(cè)， 設(shè) 定PCS=120 mm，但實(shí)際存在誤差S=1mm，現(xiàn)對(duì)30mm處的缺陷進(jìn)行深度測(cè)量， （1）測(cè)量缺陷深度時(shí)已根據(jù)直通波校準(zhǔn)， 求誤差是多少？ （2）如果未進(jìn)行校準(zhǔn)，則誤差是多少？解：已知：解：已知：PCS=120mm， mm6021202PCSSS=1mm，d=30mm（

38、1）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(cè)量 誤差為 0.25mm。 （2）不進(jìn)行校準(zhǔn)，30mm處的深度測(cè)量誤差 為2mm。2、根據(jù)底面反射波測(cè)量時(shí)間、根據(jù)底面反射波測(cè)量時(shí)間n設(shè)深度d的衍射點(diǎn)的信號(hào)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(gè)信號(hào)的時(shí)間差為： ctr = c(tb - t) = 2(s2 +D2)1/2 - 2(s2 +d2)1/2 因?yàn)?s 大于 D且s 大

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

40、為輸入?yún)?shù)，可計(jì)算出相 對(duì)于直通波的深度。（3）測(cè)量裂紋尖端和底面反射波的時(shí)間，把 PCS 、壁厚和速度作為輸入?yún)?shù)，可計(jì)算 出相對(duì)于底面的深度。設(shè)設(shè)s = 50 mm，D = 40 mm， s = 1 mm， 則可計(jì)算出絕對(duì)深度測(cè)量誤差，不同深度則可計(jì)算出絕對(duì)深度測(cè)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(cè)量誤差的深度測(cè)量誤差深度深度, mm絕對(duì)誤差，絕對(duì)誤差，mm相對(duì)于直通波相對(duì)于直通波的深度測(cè)量誤的深度測(cè)量誤差，差，mm相對(duì)于底面波的相對(duì)于底面波的深度測(cè)量誤深度測(cè)量誤差差,mm51003.21050.11.5202.50.

41、20.6401.20.350n以PCS 為基礎(chǔ)計(jì)算絕對(duì)深度，可能產(chǎn)生很大的誤差。而相對(duì)于直通波和底面反射波進(jìn)行時(shí)間測(cè)量時(shí)，深度計(jì)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(shí)際工作中，應(yīng)先測(cè)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(jì)算速度和楔塊延時(shí)，這些參數(shù)是計(jì)算尖端信號(hào)深度時(shí)要使用的。這是自校準(zhǔn)的一種形式，因?yàn)樗俣群托▔K延時(shí)的設(shè)置使得金屬表面在0mm，底面反射波信號(hào)在深度D mm。因此尖端信號(hào)的相對(duì)位置基本正確，誤差也相對(duì)較小。 n為了保證校準(zhǔn)有效，直通波和底面波的測(cè)

42、量點(diǎn)必須在端點(diǎn)信號(hào)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(hào)傳輸時(shí)間變短或變長(zhǎng)。 圖4.17 PCS變化時(shí)測(cè)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(cè)量誤差耦合劑厚度變化引起的深度測(cè)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(duì)深度用端點(diǎn)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間來(lái)測(cè)量，則深度將會(huì)變大。然而，如果測(cè)量的時(shí)間是相對(duì)于直通波的時(shí)間（直通波的位置應(yīng)該從耦合劑開(kāi)始發(fā)生變化的位置進(jìn)行測(cè)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

43、mm，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(jiǎn)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(shí)間上的誤差t為： t = 2H1 + 0.5(cc/cm)2 s2/(s2 + d2)/cc 對(duì)于直通波，當(dāng)d0時(shí)，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(shí)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(duì)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(jì)算的一些誤差數(shù)據(jù)（計(jì)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(shí)間從直通波開(kāi)始測(cè)量，那么信號(hào)到達(dá)裂紋端

45、點(diǎn)的如果時(shí)間從直通波開(kāi)始測(cè)量，那么信號(hào)到達(dá)裂紋端點(diǎn)的時(shí)間誤差就很小，因?yàn)橐呀?jīng)除去耦合劑的厚度，但是如時(shí)間誤差就很小，因?yàn)橐呀?jīng)除去耦合劑的厚度，但是如果用絕對(duì)時(shí)間來(lái)測(cè)量深度，那么誤差就可能非常大。果用絕對(duì)時(shí)間來(lái)測(cè)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(duì)時(shí)間測(cè)量的深度用絕對(duì)時(shí)間測(cè)量的深度誤差誤差 d, mm相對(duì)于直通波測(cè)量的深相對(duì)于直通波測(cè)量的深度誤差度誤差 d, mm5210.0110100.025205.40.046403.20.08n探頭離開(kāi)金屬或者耦合劑的厚度變化，可能會(huì)使直通波信號(hào)出現(xiàn)明顯的移動(dòng)，看起來(lái)像

46、表面開(kāi)口缺陷，或者難以辨別是否有缺陷。因此，在設(shè)計(jì)掃查器時(shí)應(yīng)注意使探頭能夠平滑地移動(dòng)。n如果因耦合劑厚度的變化導(dǎo)致直通波隨時(shí)間上下移動(dòng)，可以采用軟件工具對(duì)直通波進(jìn)行拉直處理，從而使測(cè)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(kāi)口缺陷，則必須拉直底面反射波，因?yàn)榇藭r(shí)如果拉直直通波，可能會(huì)使缺陷的下尖端變成直通波，從而無(wú)法分辨缺陷。4.3.6 檢測(cè)表面不平整引起的深度測(cè)量誤差檢測(cè)表面不平整引起的深度測(cè)量誤差n檢測(cè)時(shí)，如果工件表面高度有變化h，則測(cè)量會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。任意深度上的測(cè)量都會(huì)產(chǎn)生將近h/2的誤差，有關(guān)推導(dǎo)如下： 當(dāng) ds時(shí)，誤差近似可以表示為 d = h(1 +d2/2s2)

47、/2 (4-16) 當(dāng) ds時(shí)，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(cè)量時(shí)就會(huì)有0.5mm的誤差。但是，如果測(cè)量的是缺陷高度而不是深度，那么誤差大部分會(huì)抵消。 工件焊縫兩邊存在錯(cuò)位或者厚度不等時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)公式將會(huì)造成很大的深度誤差。4.3.7 聲速引起的深度測(cè)量誤差聲速引起的深度測(cè)量誤差n當(dāng)被檢工件中的聲速與預(yù)期的不同時(shí)，采用絕對(duì)深度計(jì)算公式就會(huì)造成誤差。但如果直通波和底面反射波的掃查距離達(dá)到一定長(zhǎng)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(huì)被消除，因?yàn)閮x器系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)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(duì)于直通波

48、，信號(hào)的時(shí)間是： ctr = c(t-tl) = 2(s2 +d2)1/2 -2s 對(duì)時(shí)間和聲速進(jìn)行微分： t = -2c(s2 +d2)1/2 -s/c2 (4-17) n因?yàn)閐 = 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(jiàn)表4.6。 聲速誤差控制可通過(guò)程序以及推薦使用與工件相同材料的參考試塊來(lái)控制。 表4.6 聲速誤差達(dá)到1%時(shí)的深度誤差深度，深度，mm5102040誤差，誤差，mm0.0250.050.1

49、0.224.3.8 入射點(diǎn)偏移引起的深度測(cè)量誤差入射點(diǎn)偏移引起的深度測(cè)量誤差圖圖4.19 入射點(diǎn)在金屬表面隨缺陷位置而改變的示意圖入射點(diǎn)在金屬表面隨缺陷位置而改變的示意圖n在深度計(jì)算公式中，假設(shè)超聲波是在一個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)入工件的，但事實(shí)上，從圖4.19可以看出這個(gè)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(cè)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(cè)到，也就是說(shuō)，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(kuò)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(kuò)散角從16

50、.5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(diǎn)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(diǎn)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(shí)(PCS2D)影響是最大的。但是大部分情況PCS 2D，因此入射點(diǎn)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(guò)計(jì)算方法進(jìn)行修正，也可以通過(guò)對(duì)不同深度的人工缺陷進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)達(dá)到要求。 4.3.

51、9 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(huì)產(chǎn)生一些小誤差，它們對(duì)總的誤差也會(huì)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(gè)回波到另一個(gè)回波的測(cè)量時(shí)間也會(huì)有微小誤差。一般來(lái)說(shuō)，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(cè)量總誤差n上面列出的所有誤差對(duì)總的深度測(cè)量精度都有影響，把每個(gè)誤差的平方和再開(kāi)方所得到的就是深度測(cè)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(shí)已經(jīng)根據(jù)直通波和底面反射波的位置校準(zhǔn)過(guò)，而計(jì)算出來(lái)的誤差數(shù)據(jù)。 表4.7 獨(dú)立誤差和總誤差的一組計(jì)算數(shù)據(jù)深度深度, mm時(shí)間誤差時(shí)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

53、4.20 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(shí)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(shí)，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(shuō)TOFD在深度方向上的尺寸測(cè)量精度是1mm。4.3.11 監(jiān)控缺陷擴(kuò)展的誤差控制措施監(jiān)控缺陷擴(kuò)展的誤差控制措施n測(cè)量裂紋尺寸的總誤差包括幾種系統(tǒng)誤差，比如，錯(cuò)

54、誤的聲速，表面不平以及PCS誤差。n在監(jiān)控缺陷時(shí)，減少誤差最簡(jiǎn)便也最有效的措施就是采用相同的探頭和檢測(cè)設(shè)置重復(fù)檢測(cè)某一個(gè)特定的裂紋以監(jiān)控它的增長(zhǎng)，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(cè)設(shè)置，則會(huì)出現(xiàn)許多難以預(yù)料的誤差。4.4 缺陷長(zhǎng)度的測(cè)量誤差缺陷長(zhǎng)度的測(cè)量誤差n一般來(lái)說(shuō)，在測(cè)量缺陷長(zhǎng)度方面，TOFD技術(shù)與脈沖回波技術(shù)非常相似，其測(cè)量精度不高，大約為5mm。n用拋物線指針測(cè)量缺陷長(zhǎng)度，在不同深度的測(cè)量精度是不同的，對(duì)近表面缺陷更準(zhǔn)確一些，因?yàn)閽佄锞€指針在掃查方向上很窄，放置光標(biāo)時(shí)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(duì)埋藏深度較大的缺陷，測(cè)

55、量精度會(huì)變差。在這種情況下，可以通過(guò)合成孔徑技術(shù)（SAFT）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高長(zhǎng)度測(cè)量值的精度。n對(duì)彎曲的缺陷或走向傾斜的缺陷的長(zhǎng)度測(cè)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(hào)有時(shí)看不到，使擬合難以進(jìn)行。發(fā)生看不見(jiàn)缺陷末端信號(hào)的情況可能是因?yàn)槿毕菽┒伺c底面的角度很大導(dǎo)致衍射信號(hào)減弱，也可能因?yàn)槿毕菽┒诵盘?hào)被更大的底面反射波所覆蓋。n采用測(cè)量與表面平行的平直缺陷的測(cè)長(zhǎng)方法去測(cè)量彎曲的缺陷，將會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差，特別是對(duì)不太長(zhǎng)的缺陷。nM. G. Silk博士根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曾指出，采用拋物線指針技術(shù)對(duì)小于11mm的底面開(kāi)口缺陷進(jìn)行測(cè)量，

56、如果方法不當(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(gè)不同的概念。n精度是指測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確性；n分辨力是指能夠識(shí)別的2個(gè)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間間隔，或其所能代表的最小距離，這種分辨力稱(chēng)為縱向分辨力，也稱(chēng)時(shí)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(gè)小裂紋的頂部和底部的衍射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間或距離。 nTOFD系統(tǒng)的縱向分辨力取決于脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。通常一個(gè)脈沖包含幾個(gè)周期，其時(shí)間分辨力就

57、是這幾個(gè)周期的時(shí)間，其距離分辨力就是這段時(shí)間超聲波的傳輸距離，也就是幾個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。n因此，TOFD探頭的脈沖周期數(shù)對(duì)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(hào)儲(chǔ)蓄時(shí)間就越短，分辨力就越高。對(duì)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(gè)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(hào)10%波幅來(lái)測(cè)量，直通波和底面反射波的脈沖長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)2個(gè)周期。n其次，TOFD探頭的頻率對(duì)分辨力影響也很大。頻率提高，一個(gè)信號(hào)周期的時(shí)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(hào)的持續(xù)時(shí)間只是頻率1MHz脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間的五分之一，所以前者比后者

58、的分辨力高很多。 n TOFD系統(tǒng)一般使用的頻率是5MHz，一般情況下信號(hào)的脈沖大致是2-3個(gè)波長(zhǎng)。對(duì)于5MHz的探頭來(lái)說(shuō)，一個(gè)波長(zhǎng)大約為1mm，所以我們說(shuō)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(kāi)其上下端點(diǎn)信號(hào)。 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(diǎn)能區(qū)分的反射體的最小尺寸，其量值用聲學(xué)脈沖的長(zhǎng)度來(lái)確定。如果tp是聲學(xué)脈沖長(zhǎng)度的時(shí)間(最大到振幅的10%)，td是深度為d mm的衍射信號(hào)的傳輸時(shí)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(jì)算出

59、來(lái)： R = (ctd + tp/2)2 -s21/2 d （418） n使用5MHz 探頭檢測(cè)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(gè)和1個(gè)全周期，即0.4s和0.2s.，則在不同深度的分辨率的計(jì)算結(jié)果如表4.8所示。 深度, mm5102040脈沖寬度取2個(gè)周期的分辨率, mm7.15.03.01.9脈沖寬度取1個(gè)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(shí)，能夠分開(kāi)上端和下端的反射體尺寸快速增加。4.5.3提高

60、提高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(hào)脈沖周期數(shù)，從而減 少脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)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(hào)來(lái)觀察近表面缺陷信號(hào)，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(cè)量準(zhǔn)確度誤差的平均值 大約為： a、1mm； b、0.1mm； c、0.01mm；d、無(wú)法給出數(shù)值。2、以下關(guān)于TOFD技術(shù)局限性的敘述，錯(cuò)誤 的是：a、近表面深度分辨力不高； b、近表面信號(hào)淹沒(méi)在直通波內(nèi)導(dǎo)致漏檢；c、在進(jìn)行非平行掃查時(shí)底面存在盲區(qū)；d、在進(jìn)