第三章TOFD检测系统硬件基本知识

第三章TOFD检测系统硬件基本知识张志超福建省特种设备检验研究院3.1TOFD检测系统•硬件系统主要包括主机、TOFD检测扫查器、TOFD检测探头和TOFD检测校准试块。3.1.1TOFD检测电子仪器•数字化超声波检测仪主要功能：1.发射超声波和接收放大回波信号；2.采集和保存超声A扫信号波形和相关的数据；3.按照要求设置和校验检测参数；4.显示信号波形和扫描图像，分析处理数据，输出检测报告。仪器结构模拟部分•模拟部分包括激励探头的脉冲发射电路和接收信号进行放大滤波处理的接收放大电路。•每对用于检测的TOFD探头都定义了单独的发射/接收通道，每个检测位置的信息都需要完整记录以便能够重建A扫。•为了减小电噪声，通常使用与超声探头频谱适配的滤波器来限制放大后信号的频带宽度。•对于非常弱的TOFD信号，需要大约70dB的增益。•如果TOFD信号非常弱或者探头距离主放大器非常远，使用一个分立的前置放大器。通常使用前置放大器将信号增益30或40dB。3.1.2仪器的主要性能指标•接收放大电路的带宽：-6dB带宽一般规定为所使用探头的标称频率的0.5-2倍，或者规定大于探头的频带宽度，也有的建议最好≥30MHz。•激发脉冲：采用单极矩形波或者双极矩形波，一般规定脉冲电压幅度为100V～400V。•脉冲前沿：要求脉冲上升时间应尽量短，一般规定上升时间≤50ns。•脉冲宽度：一般规定在100ns左右，且应可调，以便优化脉冲幅度和持续时间。仪器的主要性能指标•增益：一般规定≥80dB，最好100dB，且增益应该连续可调，一般要求步进≤1dB。•放大器线性误差：一般要求任意相邻12dB的误差在±1dB以内，最大累计误差不超过1dB。•脉冲重复频率：一般在100Hz～1000Hz，最低应能符合扫查速度和数据采集要求，最高不会产生幻象波。•水平线性误差和垂直线性误差：一般规定水平线性误差应小于1%，垂直线性误差小于5%。仪器的主要性能指标•波形显示方式：应提供射频波显示和检波（全检、负或正半波检波）显示。•时间闸门：应提供可调节的有足够长度的闸门，闸门起点相对于发射脉冲至少应在0到200微秒间可调节，其宽度至少在5到100微秒间可调节。•数字采样频率：规定至少≥4倍探头标称频率，若需对原始数据进行数字信号处理，采样率应提高到探头频率的8倍。也有规定一般不小于20MHz，最好60MHz以上。仪器的主要性能指标•图像灰度等级：至少64级，最好256级以上。•一次线性扫查长度：一般要求达到2000mm。•扫查增量：仪器的数据采集应和扫查装置的移动同步，要求扫查增量应满足检测工艺要求，最小≤0.5mm。•编码器：应能保证各A扫描信号的位置准确性，编码器增量误差≤0.5mm。仪器的主要性能指标•记录：应使用基于计算机的自动数据记录系统。能记录整个扫描过程的原始数据，能进行扫查记录的恢复和回放扫查时候记录的A扫波形，能将所有的A扫信号和TOFD扫查图像保存于磁盘等永久介质，并能提供输出拷贝等功能。•软件功能：应包括TOFD显示的深度或时基线性化算法，配备了十字光标和弧形光标，以测量衍射体深度和高度；应具有局部放大功能，信号平均功能，直通波（底面反射波）拉直和去除直通波（底面反射波）功能；应具有在线分析和离线分析的功能。3.1.3电子电路的带宽•电子电路的带宽（Bandwidth）指的是电子电路中存在一个固有通频带。•-3dB带宽是指：在输入信号和输出信号处于稳定的条件下，调节输入信号频率，使输出幅度降到初始的70%（-6dB带宽指输出幅度降到初始值的50%），此时输入信号频率的上限称为高端截止频率，输入信号频率的下限称为低端截止频率，高端截止频率减去低端截止频率就是-3dB带宽。电子电路的带宽K(f)ffLCfHC70.7%100%Df=fHC－fLC≈fHC3.14电压脉冲特性•TOFD系统施加在探头上的电压脉冲都是单极性或者双极性的矩形脉冲。•单极性矩形脉冲由一个正向阶跃脉冲和一个在一定延时后的负向阶跃脉冲的叠加构成；双极性矩形脉冲由两个反相的矩形脉冲叠加构成。•正向阶跃脉冲（矩形波上升沿）或负向阶跃脉冲（矩形波下降沿）都能激发探头振动产生脉冲。•一个单极矩形脉冲可以让探头晶片产生两次振动，而一个双极矩形脉冲可以激发探头晶片产生三次振动。脉冲宽度•脉冲宽度：激发脉冲幅值持续在50%高度的时间。•当使用TOFD时，脉冲宽度是非常重要的，它有助于优化接收信号的形状。脉冲宽度的选择脉冲宽度的选择•TOFD系统使用的矩形脉冲宽度是可调的，通常在25-500ns范围内。•矩形脉冲的两个边振动的相位相反，相差180°。•脉冲宽度设置成该频率周期的一半（比如5MHz时使用100ns），信号加强，获得一个振幅更大的脉冲信号，但是余波也会随之变长。•脉冲宽度设置为超声波发射频率的一个周期（比如5MHz设置为200ns），两个信号反相，获得一个振幅很小的信号，余波的振动也会明显减小，对于TOFD技术的应用来说是很有意义的。脉冲上升时间•上升时间：从脉冲幅值的10%上升到90%所经历的时间。•下降时间：从脉冲幅值的90%下降到10%所经历的时间。•脉冲上升和下降的时间会影响到超声脉冲波形和TOFD检测精度以及分辨率，这一时间越短，则阶跃脉冲的高频谐波成份越多，带宽越大，脉冲更窄。小于等于50ns。脉冲高度•脉冲高度其实就是矩形脉冲的电压振幅，电压越高，激励的超声脉冲能量就越大。•TOFD扫查系统所使用的脉冲电压取决于探头的频率和晶片元件的类型。•TOFD检测有时需要使用高频探头，但是高频探头的材料很薄，容易损坏，为避免探头的损坏，需要控制发射脉冲的电压不能太高，但同时又要兼顾检测的灵敏度。•TOFD检测系统使用的脉冲电压范围一般是从100V-400V。3.1.5脉冲重复频率•重复频率：每秒钟内用于激发探头晶片的触发脉冲数目。几百到上千Hz。•通常对于数据采集系统而言，设置脉冲重复频率(prf)是很有必要的。这是触发发射探头的频率。prf和数字化频率不同。前者控制多长时间触发发一射探头一次，后者是在A扫上一个给定长度内样本数量。•重复频率越高相应的扫查速度也可以提高。Ｔ－重复周期f=1/T－重复频率Ａ－振幅强度脉冲重复频率•仪器的脉冲重复频率PRF0；触发探头发射超声脉冲的频率PRF；系统接收存储的信号数三者可能并不相同。•TOFD探头对数为M，则：•若使用N次叠加来获得平均波形，则对其中一对探头获得的信号数：•获取一个有效信号的周期T：•举例：PRF0=2000；M=4；N=16；则T=0.032s。•探头移动速度50mm/s；则0.032×50=1.6mm，即1.6mm取样一次，速度太快。MNPRF0MPRFPRF00PRFMNT避免出现空白A扫地措施1.减小扫查速度；2.增加PRF；3.减少平均次数；4.减少需要进行数字化采用的A扫长度；5.加大步进量；6.减少数字化采样频率。3.2TOFD探头•ＴＯＦＤ检测通常采用小晶片、大扩散角、短脉冲、宽频带、高灵敏度的纵波探头。•晶片一般采用复合压电晶片，有效提高发射和接收灵敏度,且直径一般不超25mm。压电复合材料的优点1.发射和接收性能好，灵敏度高；2.机械品质因子Q值低，带宽大，脉冲短，分辨力高；3.机电耦合系数值大，声能/电能的转换效率高；4.在较大温度范围内特性稳定；5.可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术；6.声阻抗可以改变，以实现与不同声阻抗的材料匹配；7.横向振动很弱,串扰声压小；8.带宽大(80~100%)压电复合材料的几项特性参数（1）压电应变常数与压电电压常数的乘积d33g33•压电应变常数d33是表征发射灵敏度的参数，压电电压常数的乘积g33是表征发射灵敏度的参数，乘积数值越大，发射-接收能量越高。•压电复合材料的超声发射接收比普通压电材料好的多。压电复合材料的几项特性参数（2）机械品质因数Q•机械品质因数Q值小，表征带宽大，脉冲窄，纵向分辨力好。•压电复合材料的Q值远远小于普通压电材料。压电复合材料的几项特性参数（3）声阻抗•压电复合材料的声阻抗Z可通过改变PZT与树脂哦的体积比率进行调节，从而根据不同条件选择声阻抗来改变透声效果。压电复合材料的几项特性参数（4）厚度方向的机电耦合系数kt•厚度方向的机电耦合系数kt数值越大，电声转换效率越高，检测灵敏度越高。•普通PZTkt值在0.48～0.51；压电复合材料0.62～0.67。3.2.2TOFD探头的声学特性1、脉冲回波信号的时域特性参数TOFD探头的声学特性2、脉冲回波信号的频域特性参数TOFD探头的声学特性3、脉冲信号的带宽TOFD探头的声学特性4、TOFD探头的声学特性要求3.2.3TOFD探头的波束扩散计算•折射角公式（折射定律）：•声束半扩散角公式：2211CsinsinCDFsin截取波束边缘的声压下降值下降6dB下降12dB下降20dBF值F=0.51F=0.7F=1.08第一零值扩散角•sinθ=1.22(λ/D)扩散角计算q2q2q2Sinq1C1Sinq2C2Refraction:BeamSpreadinprobeshoe:q1q1q1qKDSineq=声束模拟600longitudinalprobe6mmcircularcrystalSimulatedinsteelTOFD探头的波束扩散计算•为计算被测工件中声束扩散，需要执行如下步骤：1.由折射角公式计算出楔块中纵波入射角：2.计算楔块中纵波声束扩散角：3.计算楔块中纵波声束上下边界角：γP上=θp＋γP；γP下=θp－γP4.由折射角公式计算钢中纵波声束上下边界角：sinγL上=sinγP上CL/CPsinγL下=sinγP下CL/CPDfCFsinPPLCCsinsinPLPqq【例题】求晶片尺寸6mm，频率5MHz，折射角60°的纵波斜探头的钢中-12dB声束边界角，设工件中纵波声速C=5.95mm/μs，楔块中纵波声速CP=2.4mm/μs。•折射角公式计算出楔块中纵波入射角度：sinθP=sin60°×2.4/5.9θP=20.44°•计算楔块中纵波的声束扩散角sinγP=0.7×2.4/（6×5）γ=3.21°•计算楔块中纵波的声束上下边界角γP上=20.44+3.21=23.65γP下=20.44-3.21=17.23•计算钢中纵波的声束上下边界角sinθL上=sin23.65×5.95/2.4;θL上=84.0°sinθL下=sin17.23×5.95/2.4;θL下=47.22°•答案：该纵波斜探头在钢中的-12dB上边界角为84°，下边界角为47.22°波束在钢中角度在楔块中角度45°16.57°60°20.44°70°22.27°6005MHz6mm60010MHz6mm4505MHz6mm3.2.4不同频率分量在波束中的分布5Mφ6，60°不同频率分量分布5Mφ6，60°不同频率分量分布示意图5Mφ6，45°不同频率分量分布5Mφ6，45°不同频率分量分布示意图5MHz4MHz3MHz2MHzShear频率测试3.2.5宽频带探头检测粗晶材料的回波信号的频率变化特点衰减后频谱的变化试块厚度最大厚度：一般规定是：试块的厚度应保证探头入射点到试块底面连线与试块底面法线间的夹角不小于40°。Tmax=Ztanα/tan40°最小厚度试块的最小厚度应该使得声束的交点处于试块内。3.3.2参考反射体