TWI TOFD教程20111013 自动保存的 - yhzh-tech.com · J.C.Drury, Silverwing于2004...

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ToFD 教程



序言

20 世纪 70 年代初期到中期，超声衍射时差法已经作为无损检测技术中的一

部分。虽然初仅仅作为改进缺陷大小评估的一种方法来发展，但也看到了它用

于缺陷检测的诸多优点。多年来，TOFD 技术逐渐获得无损检测行业的接受。正如许多新的方法一样，

它也需要找到“用武之地”，而行业中旧的规范和既成的发展模式，均成为 TOFD检测技术在行业中发展的阻力。如今，TOFD 检测技术已经成功应用于许多行业

领域，包括压力容器、管道、航空航天等，这要感谢为此做出贡献的所有 TOFD技术支持者。随着一些 TOFD 检测标准及规范的制定，其中有国家标准，也有国

际标准，相比于此法用于尺寸检测得到的令人印象深刻的效果，它获得了更为广

阔的采用。本书旨在帮助读者了解 TOFD 检测技术的基本原理及局限性。大多数情况

下，TOFD 检测时常使用扫查器，即探头夹持架和编码器，以此作为机械化超声

检测的一种形式，因此，机械化的超声检测、数据采集和计算机成像也作为本书

的讨论要点。



1 历史在 20 世纪 60 年代和 70 年代，世界各地的核电站建设达到了高峰，每年

都有数十个核电站建成，其中许多已经服役多年。核设备往往需要新的冶金技术

和服务条件，而这些并不总是容易理解，再加上核工程的极端安全需求，意味着

所建造的核容器通常比以往许多类似的项目更厚才能满足安全要求。在 60 年代

和 70 年代的无损检测标准是以射线检测为基础，随着大型设备比原来包含更重

的构建以及为确保安全性而导致焊接完整性关注点的变化，射线检测并不总是

好的方法。由于 x 射线透过厚的金属部分需要很长的曝光时间，所以射线检测通

常效率较低，同时，由于射线散射造成的分辨度的损失，射线检测不适合用于某

些缺陷的检测。脉冲-回波超声检测很快为自己找到一个用武之地，即使在没有任何复杂的

辐射安全屏蔽条件下，超声波穿透 300 毫米的钢也比钴容易，且不需要有任何

顾虑，而对于射线检测可能漏检的平面型缺陷，超声检测的灵敏度更高，这点是

众所周知的。核电厂的设备均须进行定期检查，这包括对压力容器焊缝的检测评估。当脉冲

回波方法开始用于定位这些容器和管道系统中缺陷的时候，一个新的问题需要无

损检测技术来面对：这些缺陷有多大？这种为了更好的评估这些缺陷大小的需求

成为了 TOFD 技术出现的原因。 TOFD技术于 20世纪 70年代由英国哈威尔的国家无损检测中心莫里斯博

士首先提出，他们的工作动力是需要了解一些存在于保压组件中缺陷精确的垂

直深度。大约在同一时间，金属如何失效，金属中缺陷大小、形状的失效机制，

工程断裂力学发展成为了解这些问题的重要方法。为了确保构件在服役期间不失

效（断裂），缺陷尺寸、金属结构性能及使用条件等都需要量化，这点是断裂力

学的工程师们很早就知道，由此，无损检测增加了一个新的需求，即精确测出缺

陷大小。在判断构件是继续使用，还是报废，或者返修这点上，缺陷的大小已经

成为了一个不可或缺的评估要素。直到那时（甚至现在也经常），超声波技术测量缺陷大小的标准方法依赖于

波束边界法。简单地说，这是假定缺陷的回波幅度同超声波束尺寸具有一定的联

系，选项包括： - 20dB 的下降 -1dB 的下降 - 大波幅（另一种使分贝下降的变化因素） -相对波幅（例如 AVG/DGS）尺寸测量的波幅下降法与探头从大波幅移动至较低波幅的相对运动有关。

在一些检测技术中用到波束中心，还有一些方法要求先确定波束尺寸。图 1-1 显示了斜探头及它的 6dB 声波在试件中的两个视角。如果我们假设

声束直接照射在相同距离下尺寸大于声束直径的反射体上，大振幅信号将会产

生。对于理想反射，沿着反射体长度左右移动，声程和波幅将保持不变，直到接

触到反射体边缘。当探头中心对着反射体边缘时候，一半声束能量将不再被反射，

则信号振幅就衰减成大振幅的一半，也就是波幅下降 6dB 的结果。确定这样

一个理想缺陷长度的关键就是找到信号从大振幅衰减 6 分贝的位置，并测量探

头移动的距离即可，请见图 1-2a。



图 1-1

图 1-2

当缺陷尺寸比声束尺寸小的时候（见图 1 -2b），来自大振幅的横向移动

将导致信号振幅的骤然衰减，但是探头的位移距离，与其说是缺陷尺寸不如说是

一个声束距离。这一点当波束宽度与缺陷宽度的比率增加时更为明显。

-6dB beamEdges -6dB 波束边缘

Top view正视图 Side View

侧视图

-6dB -6dB

Length (effective for defects longer than beam width)长度（对长度大于波束宽度的缺陷有效）

Apparent length 指示长度(defect is shorter

than beam width) 缺陷长度小于波束宽度

b)

a)



类似的情况也存在于垂直方向的移动。这些是由改变声束与反射体距离远近

得到的。然而，在这个平面上，反射波幅变化有两个原因： a) 部分声束在反射体表面的相互作用； b) 距离振幅的改变取决于声波路径距离的变化；由于大多数缺陷比声束至少在一个尺寸上小很多，幅度下降方法通常用到声

束发散知识，并要对这种发散考虑修正（因为声束覆盖性传播）。利用公式

γ λ6

1 051= −Sin

D.

，可以估算出衰减 6dB 的半扩散角，但是在直接接触法中，这

种校正因为从楔块到金属存在折射距离而不能够准确反映出。准确的波束形状可

根据经验在校准试块上进行判定，IOW 试块就常常用于这一目的。孔的末端和侧面分别用于确定声束的宽度和声束的高度。

“ 大波幅”技术也是一种波幅下降技术，并且依赖一些缺陷的自然反射面。

移动探头直到后一个观察到波幅刚开始下降的反射面。（大振幅法在

J.C.Drury, Silverwing 于 2004 年编写的“Ultrasonic Flaw Detection for Technicians”第三版中有详细描述）

在 1958 年 Krautkramer 研究了一系列的公式来估计缺陷尺寸，相当于平面

圆盘反射体的等价替代。这些公式说明了回波高度与声束路径和目标尺寸相关。

利用这些公式，Krautkramer 按照以横坐标表示为距离，纵坐标为底面反射体有

关的增益值，单位为 dB，绘制了曲线关系。该系统初的德国术语为

AVG(Abstand,Verstrakung,Grosse)。翻译成英语对应的意思是距离、增益和尺

寸，因此也可以成为 DGS，图 1-3 所示的是通用的 DGS 曲线。

图 1-3

20 世纪 70 年代教授博士 I.N.Ermolov 提出等效方程，允许使用 DSRs（平

底孔）以外的其他目标。图 1-4 举例说明了用一个特定探头（5 兆，晶片直径 16mm）检测钢材，通

过比较四种不同目标反射体的衰减率同距离的关系，证实了猜想，即波幅随着距

离的增加是下降的。这些技术曾是整个 20 世纪 70 年代的“规范”，工程师不得不参照应用这种方

法的无损检测人员提供的尺寸值。用断裂力学中施加压力来验证这种方法所测得

尺寸是有必要，作为一系列循环试验的结果，这种方法的不足之处明显显现出来。



多年来，已经进行了许多 TOFD 与传统检测方法的对比试验，例如射线检

测技术、脉冲-回波检测技术，包括用于核工程的钢结构计划性检测（1979 年进

行的 PISC I 试验，1986 年的 PISC II 试验 ,1993 年的 PISC III 试验）,1983 年由英国原子能管理局（UKEA）进行的 DDT（缺陷检测试验），此外还有荷兰焊

图 1-4

接研究所（NIL）、美国电力研究协会（EPRI）、美国机械工程师协会（ASME）进行的各种试验。

毫无例外，每个试验都证实 TOFD 检测对于体积缺陷检测比传统方法有着

更准确的优越性，只有光栅脉冲回波技术，现在已发展成为相控阵技术，有着和

TOFD 不相上下的成功率。在确定“尺寸”的功能上，TOFD 检测不断显示着优于其他方法的特性。这一

点由图 1-5 清晰看到（此图来自 Charlesworth 和 Temple）。



图 1-5

图 1-5 显示了对于 DDT 试板的振幅对比衍射尺寸的效果（上图：所有缺陷

尺寸测定技术，下图：TOFD 检测法）。同样，在荷兰焊接研究所的 NIL 薄板项目实验中，对各种无损检测方法的可

靠性也进行了比较。图 1-6（来自 Sonovation TOFD 检测手册）显示了各种无

损检测方法的可靠性对比，这是在检测板厚 6~15mm 间包含 250 个人工缺陷的

焊接试板所得出的结果。



图 1-6

所有钢板通过上图所示的方法检测并经过破坏试验验证，通过这些结果看

出，机械脉冲回波检测技术可靠性高，TOFD 检测误报率低。但是，我们要

清晰知道，机械脉冲回波检测技术（2 维机械栅格扫查）要求全面扫描时所花费

的时间是 TOFD 检测法的许多倍。这些研究表明，虽然 TOFD 检测初的目标是为了提高尺寸检测能力，但

是现在它已经被确认为一个快速可靠的缺陷检测方法，从而提高工作效率。 1997 年 9 月，比尔·布朗先生在互联网 www.ndt.net 上发表了一篇论文，

围绕 TOFD 方法列出了一些基本原则，并且对于那时 TOFD 曾经在人们心中的

困惑做了陈述。他陈述了关于 TOFD 检测的误解：

“对于此种方法的一些理解缺乏来自它的神秘，这种神秘是那些有责任

对它进行介绍的人造成的。很多年来，科学家们一直试图将这项技术作为

一个高度专业测定尺寸大小的方法，（这项方法如此复杂以至于需要专业

知识和丰富的经验才能有效地应用此项技术），并且关于此项技术能做的

和不能做的说法都是未经证实的。

这可能是早期发展阶段的情况，但是 TOFD检测现在已经研究超过 25年，

其成效已经被示范试验证实（更何况同所有其他检查方法相结合），有资

质人员通过使用手中相对标准的设备，经过大量重复性的成功应用案例，

揭开了曾经围绕在它身上的神秘面纱。



2 TOFD 技术原理

2.1 基本原理

脉冲-回波超声检测方法主要是基于声波的镜面反射现象。这就意味着从探

头发出的声波在缺陷上发生类似镜面的反射，然后又回到探头中。传统的脉冲-回波方法总是试图找到与缺陷主要尺寸面相垂直的声束路径，从而在脉冲-回波

法中得到缺陷的大振幅响应。但是，要使波束总是垂直入射到缺陷，几乎是不可能的。这就是手工超声检

测中发生漏检的原因。即使对于一个非常大的平面反射体，如果声束入射仅仅偏

离垂直方向 5°，也会造成回波信号衰减 20dB。这就意味着，如果检测是基于

超过一定阈值的信号波幅，就可能会造成大缺陷漏检。当声（机械）波入射到界面上时，会产生多种作用，反射仅仅是其中之一，

也可能发生折射、波型转换、极化、衰减和衍射等，这些内容包含在超声检测 I级培训的基础教材中。在 TOFD 研究中，衍射是边界作用中要重点考虑的内容（当

然，TOFD 名字本身就源于衍射现象）。障碍物使波变形时，衍射就发生了。例如，当波穿过一个间隙时，就有衍射

现象。围绕拐角扩散是波的传播特性，因此，衍射发生在障碍物边缘处。描述衍射效果的典型示例是使用放置在“水波槽 ”内的障板，上面刻有狭

缝（小开口）。 “波源”产生一个脉冲，波前朝狭缝方向移动，但在开口处仅

允许一部分波前通过。当波前穿过狭缝时，在狭缝中心区畅通无阻，而挨着狭缝

边缘的波速减慢，并且使波前偏离狭缝的中心轴线。

图 2-1

衍射现象在超声基础知识中已经讨论了很多，图 2-1 所示的是单缝衍射现象

是描述声束发散的典型例子。图 2-1 中的右侧图中的长障板模型代表面状缺陷，

它处在探头发出的脉冲传播路径上。图 2-1 右图所示效应的光弹图像表示在图 2-2 中，图中的平面脉冲波从左至

右传播，在凹槽边缘产生的衍射图样显示为形状规则的多个圆环。

Pulse source/脉冲波源 Pulse source/脉冲波源

Single slit/单缝

Long obstruction/长障板

Diffracted wavefront/衍射波前

Diffracted wavefront/衍射波前



图 2-2

事实上，TOFD 依赖于衍射波，与脉冲-回波超声方法完全不同。有些人也许

并不清楚，这是一个潜在的问题。与反射波不同，衍射波非常微弱。通常认为反射波中的大振幅信号来自大缺陷(虽然不完全正确)，然而对

TOFD，由于主要衍射波束的振幅总是相对微弱，因此不能这样认为。对缺陷尖端的低振幅衍射信号进行检测和计时是测量缺陷绝对位置和大小

的基础，与振幅响应基本无关。继续之前，要注意到衍射效应原则上可在所有方向上检测到。严格来说，上

述原理也可以用于脉冲-回波技术。事实上，有一种缺陷大小的测量方法就采用

了该原理。20 世纪 80 年代流行于日本并由西南研究中心的 Gruber 在 1980 年

记录的尖端回波技术，就是利用图 2-3 中所示的镜面背散射信号和尖端衍射回波

的时间差进行检测。

图 2-3

虽然这是用尖端-衍射信号测定缺陷大小的方法，但是不能算做 TOFD。

Harwell 提出的 TOFD 概念是基于前向散射，使用反向串列放置的两个独立探头

来实现。两个探头具有窄脉冲（即大带宽）、宽波束（即小晶片）和相同的折射

角，其中一个连接发射器，另一个连接接收器。 TOFD 检测中发射的脉冲波与脉冲-回波法中发射的脉冲波没有什么不同，

当信号被缺陷的有效表面反射时，由于检测材料中的吸收和散射，脉冲波还发生

衰减。这部分由缺陷衍射产生的脉冲能量是波幅非常低的信号，TOFD 利用它来

评估材料的完整性。单个 A 扫描信号（即工件中某一扫查位置的回波响应）提供的信息有限，

只有采集了一系列 A 扫描信号并经有效处理后，它们才能够用于辨别背景中的

缺陷响应，然后，通过正确测量缺陷响应的时间确定缺陷的深度和大小。

FLAW/缺陷

Diffracted waves/ 衍射波



在检测过程中，虽然对保证设备使用足够的增益有一些要求，但是由于此项

技术不根据振幅阈值作为相关信号的判断依据，所以它是不依赖于振幅的（对缺

陷尺寸测量），也因此不像“脉冲回波”技术那样易受表面一致性和由此产生的

耦合状况的影响。如上所述，TOFD 装置通常使用一对良好匹配的探头。由于晶片尺寸相对较

小，产生的波束是发散的（几乎呈球面状，不是平面）。发散波束能覆盖更大的

体积，因此该技术不像传统脉冲-回波法那样，易受到探头位置或缺陷方向与探

头角度关系的影响。虽然大多数 TOFD 检测使用纵波，但并不总是那么必要，有时使用横波可

能具有优势（虽然可能导致难以分析）。TOFD 横波检测的内容稍后介绍。在 TOFD 与标准脉冲-回波的各种差异中，信号显示方式可能区别大。多

年前，在计算机时代来临的时候，TOFD 被引入到无损检测领域，TOFD 目前的

成功也是计算机强大功能的应用结果。如果没有采集显示 TOFD 信号的能力，

如手动脉冲-回波超声波检测使用的简单 A 扫描一样，TOFD 也不过仅仅新技术

在实验室内一个有趣的实验而已。正因为 TOFD 技术是如此依重于计算能力，

所以关于计算及数字化的更多内容将在后文介绍。

2.2 衍射在 TOFD 中的应用

现在认为，TOFD 的基本设置是将两个独立探头反向串列布置，两个探头具

有窄脉冲（即宽带）、相同折射角的宽波束（即通常使用小尺寸晶片），其中一

个作为发射探头，另一个作为接收探头。用这种设置，可以得到检测通常厚度平板焊缝的典型 TOFD 信号形式，具

体的设置和信号如图 2-4 所示。

图 2-4

观察图 2-4 中的几处图形，能够发现 TOFD 检测的一些特征。发射探头产

生一个单脉冲，接收探头处检测到的所有信号均由此脉冲引起。只有声程距离的

不同决定了所示信号到达时间的差异。图中仅给出了单一的纵波模式，忽略了波

型转换。直通波是指纵波模式中，在检测表面以下并沿着金属材料中发射和接收

Receiver 接收探头

Lateralwave直通波

LW\直通波

Upper tip上尖端

Lower tip下尖端

Back-wall reflection 底面反射波

BW\底波

Transmitter 发射探头



探头之间的短路径传播。如果板厚不是特别大，一部分脉冲波将传播至板的底

面，反射的信号称为底波。板中的缺陷信号显示在直通波和底波之间。图 2-4 显

示的信号未经检波（即 RF），因此能够提供相位信息。若将具有正向上升时间

的直通波作为参考相位，则缺陷上尖端衍射信号和底波信号相对于直通波相位为

负，下尖端衍射信号的相位同直通波一样。衍射效应在大多数超声波课堂上都普遍进行过理论讨论。虽然“相似”的效

应能在水波槽中观察到，但是固体中复杂的衍射效应是不可能在水波槽中复现

的。一系列的光弹成像照片可以描述衍射事件的时序以及 TOFD 设置产生的各

种波型。表 2-5 显示由 TOFD 设置产生的脉冲波与凹槽作用的四次曝光照片。

图中的探头晶片直径为 6 毫米，频率为 5MHz，安装在标称角度为 65°的折射

纵波玻璃楔块上。由于 65°是纵波模式的亚临界角，斯奈尔定律表明，此时还

会有 34 °的横波产生，而图 2-4 只是简单表示了主要的纵波相互作用，光弹成像

照片同时揭示了转换为横波的模式转换。图 2-5 中还描述了沿脉冲路径的衍射，

图中的凹槽尺寸为 1mm x 3mm，垂直线是两块玻璃的光学结合面缝隙，结合面

上不能反射声波。

A pulse is seen leaving the wedge with 65°L mode and 34°S mode well formed. Arcs due to the diffraction effects from the upper and lower tips of the piezo-element are seen for both modes. As well, a well defined shear headwave is forming as the lateral wave interacts at the near surface at glancing incidence. 脉冲波通过楔块形成了 65°纵波和

34°横波，压电晶片高低尖端辐射两

种波型的弧面波。同时，掠入射的直

通波在近表面相互作用时产生一个明

显的横波头波。

The 3mm high notch face reflects the L-mode and mode converts a portion to a strong reflected S-mode. The upper and lower tip signals have formed before the shear headwave arrives at the top of the notch 3 毫米高的凹槽面反射纵波，并将其

中一部分转换成强烈的反射横波。在

横波头波到达凹槽顶部之前，上下尖

端的信号已经形成。

Lateral wave 直通波

Bulk shear wave 体横波

Shear headwave横波头波

Lower arc from lower tip of element 晶片下尖端的弧面波

Lateral wave 直通波 Reflecting

L-wave 反射纵波

Mode-convertedS-wave 模式转换横波

Upper tip 上尖端

Lower tip 下尖端



The lateral wave has reached the receiver wedge as the arc from the upper tip diffracted signal approaches the surface near the receiver. The lower tip signal lags the upper and both are seen to have the shape of circles centred on their respective upper and lower notch surfaces. The shear headwave diffracts a separate pair of tip signals.

当上尖端衍射信号到达接收探头

附近的表面时，直通波已经进入了接

收探头楔块，下尖端信号滞后于上尖

端，并且可以看到，两者是分别以上

下尖端表面为中心的圆环。横波头波

产生一对独立的尖端衍射信号。

The upper tip diffracted signal enters the wedge and is seen to be soon followed by the lower tip. Faint tip signals can be seen from the interaction of the shear headwave with the notch but these will arrive much later than the tip signals off the compression mode. 上尖端衍射波信号进入楔块，下尖端

衍射信号紧随其后，横波头波在凹槽

处产生微弱的尖端衍射信号，它们比

纵波衍射信号到达楔块的时间要迟很

多。

图 2-5

在图 2-5 中没有显示强烈的底面反射。底面反射也很复杂，波束发散形成的

圆弧产生了另外一个底波反射圆弧，反射同时又有模式转换。反射的和模式转换

的底面信号如图 2-6 所示，其中使用的试样相同，只是调转了试样上下面，这样

探头可以放置离凹槽远的试样面上。

Lower tip 下尖端

Upper tip 上尖端

Shear headwave Diffracts at notch 横波头波在凹槽衍射

Upper tip 上尖端

Lower tip 下尖端



图 2-6

为了使操作者对结果更“敏感”，以上图中的信号需要采集几方面的信息。

采集几次必要的 A 扫描，得到： •大量的采集数据 •要求的相位信息 •检测到小波幅信号用于显示

使用射频信号灰阶成像可以很好地达到这些要求。

2.3 数据可视化

TOFD 显示的早期工作是使用全波 A 扫描的正等轴测投影，尽管在某一程

度上能够用于评估，但是对于需要精确知道相位信息来讲，图 2-7 中的显示方式

并不能满足要求。

A version of isometric A-scans 正等轴测 A 扫描的一个版本

图 2-7

ReflectingBackwall 底面反射

Mode converted from backwall reflection底面反射的转换模式



有效的办法是将波幅变化转换到带有灰色阴影条纹的 A 扫描上，这些小

条纹表示时基扫描线上每一点的波幅。每个 A 扫描就成为一条阴影线，其中零

伏电压用中度灰色表示，大正负电压用灰度极值表示(即黑色和白色)，基本原

理如图 2-8 所示。然而必须指出，当完成一次扫查时，灰度图用来显示整体数据，因此 TOFD

系统需要能够储存底层的 A 扫描数据，以构成灰度图像。

图 2-8

单条灰度线包含的信息有限。当探头开始扫查，沿扫查线以固定的间隔采集

A 扫描数据并转化为灰度图，则这种显示方式的优势尽显。加入扫查信息的灰度

图效果如图 2-9 所示。

图 2-9

TOFD 检测移动探头时，两个探头间的距离要始终保持恒定，并且面对面在

一条直线上对准。由于大多数（但不是全部）的 TOFD 用于检测焊缝，所以探

头通常沿焊缝长度方向移动，见图 2-9。但是，在某些情况下，操作者会发现探

头垂直于焊缝中心线移动更为有效，当然如果没有去除焊缝加强高，这种移动就

会受到限制。探头的相对运动和相关结果的显示给出了扫查类型的定义，这个定义有些混

乱，甚至“专家们”在使用当中也并总不能保持一致。图 2-10 给出了由探头相

对于波束方向的运动定义的“扫查类型”的示意图。当探头沿着焊缝长度方向运


Back-wall 底波

A-scanA-扫描

Indication指示

Probe Motion 探头移动

White/白 +

Black/黑-

Amplitude/幅度

Time/时间

Time/时间 One A-scan is replaced by one gray-coded line

A-扫描用一条灰度编码线替代

A-scan A-扫描



动时，运动方向垂直于波束方向，因此扫查称为非平行扫查；当探头沿与波束指

向相同的方向运动时，扫查称为平行扫查。

图 2-10 扫查类型

对于一些用户来说，扫查类型的差异是不同数据显示方式命名的理由。数十

年来，由带有上下表面的超声数据横截面显示一直称为“B 扫描”（A 扫描保留

了范围显示，C 扫描保留给平面视图）。引入 TOFD 之后，一些人决定将非平

行扫查形成的显示命名为 D 扫描，同时他们保留将平行扫查的显示称为 B 扫描。这样的命名与其他用户并不一致。事实上，有相关的成文法规（EN 583-6

Nondestructive testing - Ultrasonic examination - Part 6: Time-of-flight diffraction technique as a method for defect detection and sizing）将两种显示

方式都称为 B 扫描。

2.4 TOFD 检测的优点和局限性

如果一个人听到一些 TOFD 支持者的话，那么他可能认为 TOFD 是检测方

法中的万能法宝，这显然是不真实的，像任何无损检测方法一样，它有利有弊。

根据应用情况，TOFD 可以单独使用，有时需要其它无损检测方法的支持，有时

作为辅助手段支持其它无损检测方法。 TOFD 的优缺点简要列举如下，希望可以帮助操作者决定何时及如何恰当

地使用这个无损检测工具。 2.4.1 优点：

a) 重复性 TOFD(特别是使用位置编码时)提供了基于真实单位(如毫米)的测量，这对工

程师来说，比 dB 数或是等比例幅度的响应更有用。不同操作者对同一焊缝用

TOFD 装置进行扫查，结果基本相同(假设都使用相似的探头和设置)，这使得

TOFD 用于缺陷监测非常理想。

b) 精确度通常 TOFD 检测达到的精确度，在壁厚方向（更关键）为± 0.5mm 以内，在

长度方向上为± 0.5 至 1.0mm。当扫描程序合适时，沿焊缝长度的位置及相对焊

缝中心线的位置误差通常在 0.5mm 之内，角度分辨在几度之内。这样的精确度

Non-parallel scan非平行扫查

Parallel scan 平行扫查



和可靠性使得 TOFD 成为适用于进行断裂力学评估的一项无损检测技术（否则

只有用破坏性方法和物理测量才能满足断裂力学评估的要求）。 c) 数据存储

现在的 TOFD 系统提供所有相关参数的数字化存储，它们可以随时调出使

用和重新显示。位置信息可以确保可靠识别出缺陷位置，定期复查的结果也可以

用于发现缺陷的变化。数据的数字化存储可以进行包括噪声抑制、图像识别、信

号减法和提取以及许多其它数字信号处理（DSP）的精细分析。 d) 检测速度

当使用单一非平行扫查进行 TOFD 检测时，生成结果非常快（几乎即时），

仅受到扫查速度的限制。关于扫查速度影响可靠性的激烈争论不限于 TOFD 本

身。许多循环试验表明，TOFD 是快速并且高效的，有些缺陷的检出率在各种无

损检测方法中是高的。速度是商业上考虑的一个重要因素，TOFD 能够从同一组数据中检出缺陷并

定量，不需要重新校准和扫查，这在时间及成本方面具有极大的优势。

e) 体积覆盖范围大多数无损检测方法的体积覆盖范围及分辨率同扫查速度密切相关。然而，

TOFD 检测通过宽波束探头的快速直线扫查，并且几乎实时处理所有的位置和检

测数据提供体积覆盖，所以，与射线检测不同，厚工件的射线检测需要更长的曝

光时间（为保证分辨率不使用高速感光胶片），用 TOFD 扫查厚工件不需要减

慢速度或牺牲分辨率。 TOFD 能轻松快速地实现对焊缝和热影响区的全体积覆盖，速度之快以至于

传统超声方法无法想象。即使使用手动探头，扫查速度达到 100 -150mm/s 是很

常见的，如果使用自动扫查，可以达到更高的速度。应当注意，上述速度是相对

于单通道探头检测焊缝的长度，而不是多组探头扫查的速度。 f) 灵敏度

TOFD 的以下特性好坏参半，取决于个人观点。通常 TOFD 能够设置为 “无

所不见”，这意味着可能看到材料的晶粒结构。当试样内部相对洁净(无缺陷)的或是母材晶粒经过高度细化，高灵敏度正当适用。然而，试样材料内包含很多大

的异常需要报告或是粗晶材料的晶粒边界达到缺陷尺寸的数量级，TOFD 的高灵

敏度造成障碍，在某些情况下，使数据解释和缺陷判读变成一种费时的折磨。从灵敏度的角度理解数据存储的优势，数字处理的特点之一是能够通过软件

增加增益，这意味着，在数据采集后对小的（非饱和）信号可以放大。 g) 易于区分缺陷与几何特征

在手动超声检测焊缝中通常存在一个问题，辨别缺陷和表面几何特征信号依

赖于操作者的技能。用 TOFD 检测带有根部和盖帽加强高的对接焊缝时，TOFD数据图像能够提供与加强高区分明显的清晰指示(缺陷)。

h) 缺陷取向

由于衍射信号方向的全方位性，TOFD 对几乎所有类型的缺陷都是敏感的，

而不需要考虑缺陷的指向性。这也在一定程度上归因于所用的发散波束具有非常



广泛的角度覆盖范围。假设缺陷处在有效波束的包络范围内，它边缘衍射的低振

幅信号会被捕捉到，并且显示在正确的相对位置。 i) 耦合状态

TOFD 数据可以通过手动或是机械方法移动探头采集。所有手工超声检测

操作者在做脉冲回波检测时，要监视 A 扫描信号并能够识别草状波水平降低显

示的耦合不良。但是，操作者在做 TOFD 扫查时，并不监视 A 扫描。当扫查距

离较长或进行机械扫查时，操作者通过简单观察探头在表面移动的情况，无法了

解耦合状况。通过观察采集的数据上的直通波幅度及晶粒噪声，TOFD 图像能给

出探头的耦合好坏。保持 TOFD 探头耦合良好比常规探头的手动扫查多少有些

困难，因为 TOFD 的发射和接收探头必须同时在检测试件表面耦合良好。 j) 降低对操作者的依赖

由于 TOFD 检测的数据可以采集并储存成计算机文件供后续分析，因此能

够减小检测可靠性对探头操作者的依赖。现在许多应用由高级操作人员先设置好

参数，数据采集任务分配给“现场组”。现场组包括一个人操作计算机数据采集

单元，另一个沿着焊缝推动探头。为确保采集数据的质量，这个小组需要足够的

经验和能力。后的评价和判读由高级操作员进行。 2.4.2 局限性： a) 微弱的信号

典型的 TOFD 衍射信号比用脉冲回波法得到的镜面反射信号低 20-30dB，这使得对超声接收单元的要求陡增，大多数要工作在大放大能力附近。电噪声

是许多 TOFD 系统普遍碰到的问题，通常在探头附近安装前置放大器或同时使

用远端脉冲发射器和前置放大器来降低这种噪声。 b) 盲区

TOFD 普遍接受的局限性是由于振铃时间造成的信息丢失。这一点在入射

面尤为明显，在远端面(底面)也有相似的区域。布朗指出，TOFD 的确受到固有

直通波近表面效应的影响，但这不是严重问题，除非需要在非常靠近表面处测量

尺寸。他进一步指出，几乎没有近表面缺陷认为对结构的完整性非常关键，采用

传统反射法的单纵波探头的“近场”特性和双探头的固有盲区是否能够提供更好

的分辨率也是有争议的。射线可能具有（也可能不具有）某些改进的近表面灵敏

度，但是提供不了有价值的缺陷在壁厚上的位置信息。如果真的需要关注这些缺陷，那么应该结合应用 TOFD 和远场涡流或超声

“头波”检测。

c) 缺陷分类的局限性射线检出的缺陷通常会给出某种类别，例如夹渣、多孔、未熔合。手动超声

检测尝试通过相对于探头运动的缺陷动态回波信号的特征提供类似的缺陷类别，

TOFD 无法提供手动方法中观察到的动态回波进行评估。由于 TOFD 在缺陷定性能力上的局限，推荐一种简单但非常有用的方法，

TOFD 信号可以划分为三种缺陷类型：点状、线状、面状。点状缺陷既没有长度，也没有高度（典型的是孤立气孔或是非常小的杂质）；

线性缺陷有长度，但是在 TOFD 图像中无法评估垂直高度。这意味着不能分辨



出缺陷的下尖端衍射信号；面状缺陷既有垂直高度又有长度（即可以分辨出下尖

端衍射信号）。从断裂力学的角度来看，这种分类足以评估缺陷可能给要使用的

组件带来的影响。



3 TOFD 设备 TOFD 超声系统必须能够提供发射、接收、存储、显示及分析超声波信号的

能力，同时，必须保持发射探头和接收探头间有一个固定距离。尽管不是必需，

但通常认为应确认对探头运动进行编码记录，同时保持两个探头相对于参考位置

（例如焊缝中心线）的距离在规定的误差范围之内。文献中记录的第一台 TOFD 检测系统（Zipscan）是英国原子能管理局的哈威

尔实验室制造的，该系统在一个大的机架内，由多个完全不同的模块组装成，这

个机架可以“滚”到待检测的位置。现在的 TOFD 系统小巧多了，移动更快并具

有更好的分辨率。

图 3-1 是 TOFD 检测系统的基本组成原理示意图。

Pulser Control 脉冲发射电路

Receiver Amplifier 信号接收放大器

Position Control 位置信息控制电路

A/D Digitizer 模数转换电路

Computer 计算机系统

Monitor 显示器

Data Storage 数据存储系统

Rx 接收探头

Tx 发射探头

Examination piece 检测工件

Search Unit Holder & Encoder 扫描探头支架&编码器

图 3-1 基本 TOFD 设备

从图 3-1 中可以看出，探头用夹具固定住，要注意探头夹具上带有用于探头

精确定位的编码器（图中没有画出）。脉冲发生器使用同轴电缆直接连接到发射

探头，另一根同轴电缆将接收探头连接到接收信号放大器，经放大的信号要数字

化。编码器(如果使用)需要一个电压源，编码器产生的脉冲通过位置控制机械传

送和计数。这些信息（脉冲发生器参数、接收器参数及编码的位置）采集到计算

机中，以合理的方式集成的数据能够存储起来并显示在监视器上。

3.1 数字控制

基本的便携式探伤设备习惯用带有阴极射线管(CRTs)的模拟仪器的简单框

图表示，阴极射线管用于显示时间-波幅曲线（A 扫描）。如今，固态集成电路

实现了大部分的超声仪电子功能。利用布尔逻辑，它们控制系统的输入和信号输

出，并量化为“数据包”，这个过程是数字电子学的基础。集成数字化控制的模

拟功能在如今的许多 NDT 仪器上已经变得常见。数字化控制不仅方便了操作，

甚至可以通过连接电脑实现远程控制。UT 某些方面的数字化却不切实际或者不

可能，输入电源和超声波的发射/接收总是模拟的，但许多输入控制和输出用数

字信号却是可行的。数字控制的超声仪与旧式模拟式仪器相比有许多优势： • 高精度的时基（用计时器或时钟代替偏转板） • 重复性好（能重现准确设置）



• 设置参数的存储功能（储存所有的参数） • 快速设置（简单调用已储存的参数） • 信号处理功能 • 不同的显示，如投影扫描显示（层析显示检测数据） • 用于报告书写的数据重现各组件的参数控制过程如图 3-1 所示，此图为使用者优化 TOFD 检测设备

的性能提供了依据。

3.2 脉冲发生器和信号接收器

无论发射脉冲的参数是否由数字化控制，到达探头的发射脉冲本身还是模拟

信号。同样，探头由反射体感应到的超声振动所产生的穿过探头的电压也是模拟

信号。超声仪至少具有一对脉冲信号发生器和接收器，它们的质量对超声检测中获

得的检测信息有很大的影响。下面将考察其中一些参数以及对应的特征。

3.2.1 脉冲发生器要使压电晶片探头产生振动必须改变加载在其上的电压。电压的改变和晶片

的振动存在一定的关系。打个比方，当一个人在打秋千时，外加推力与摇摆的自

然频率相同时，秋千的摇摆幅度大，但随便给予推力，可造成秋千的摇摆幅度

减小。在超声检测时，并不是总希望获得大幅度。需要更准确的时间时（比如

在检测薄板厚度和大部分 TOFD 应用时），短脉冲是佳的。即使一个“振铃

拖尾”探头也能通过使用形状正确的脉冲阻滞其振动。超声探伤仪常用的三种脉冲形式分别为尖脉冲、双极性猝发声列和方波，如

图 3-2 所示。

Spike pulse尖脉冲

Tone burst pulse双极性猝发声列

Square wave pulse 方波脉冲

图 3-2 脉冲类型

3.2.2 尖脉冲发生器图 3-3 给出了尖脉冲发生器的基本构件. 当电路中电容放电，可以迅速在换能器两端产生尖脉冲。电路中衰减电阻（或

电感）是为了加快尖脉冲的下降沿。这种衰减用于控制振铃时间，利于实际检测。



+

dc power supply 直流电源

charging resistor 充电电阻

Tuned circuit (with damping resistor) 调谐电路(带阻尼电阻)

Transducer换能器

Thyristor 半导体闸流管

(switch) （开关）

charging capacitor充电电容

图 3-3 尖脉冲发生器

3.2.3 猝发声列

通过改变猝发声列脉冲的频率可以使超声探头上获得大的能量。猝发声列

脉冲有几种方式，见图3-4所示，这些不同形状、不同频率、不同持续时间的脉

冲可以由波形发生器产生。

图 3-4 猝发声列脉冲

猝发声列脉冲通常包含多个信号周期。在用干涉法速度测定时常常被用到。

同样，因为猝发声列可以产生非常高的频率，，因此被用于GHz频率范围上的超

声显微镜。

3.2.4 方波脉冲发生器

方波脉冲是试验室首选的一种脉冲方式。同尖脉冲一样，方波脉冲是在电容

上充电在换能器上放电。用电路中的开关管控制关闭的保持时间，然后将脉冲电

压快速恢复至零值使超声换能器获得2次激励。两次激励在相位上是相反的，所

以激励间隔可以引起第一次激励波反射的后沿与第二激励波发射的前沿间进行

信号叠加。

Sine wave 正弦波

Saw-tooth wave 锯齿波

Bi-directional square wave双向方波

Positive square wave 正向方波

Negative square wave负向方波

Change shape改变形状

Change frequency改变频率

Change ring time and pause time between pulses 改变脉冲串波型个数与脉冲串间的时间间隔



由于方波脉冲可以改变发射电压和脉冲宽度，因此使得方波脉冲成为了优化

超声换能器性能的灵活的一种工具。通过选择佳的发射脉冲宽度来获得波型

叠加，并且可以在换能器上施加低电压从而降低噪声水平。用高于换能器大振

幅的频率来激励探头，可以增加探头带宽并且减少探头的低频成分。用低于换能

器频率的信号来激励探头，可以获得大的振幅，增加机械阻尼，得到振铃相对

较少尖锐干净的信号。这些方波脉冲发生器的特点在图3-5给予介绍。在图3-5中方波激励脉冲显示在图的左侧。。第一种情况,当发射脉冲宽度设置

相对较小时，脉宽12.375ns，发射电压-498V。右侧为使用一块玻璃作为目标，

由一个标称频率为30MHz的复合材料换能器接收到的脉冲信号形状。该信号幅度

较低显然不是换能器可以输出的大幅值，但可以看出该信号的优点在于信号带

宽高、换能器低频成分并未被激发出来。

图 3-5 脉冲宽度及其如何影响换能器的激励

图3-5中第二种情况，发射脉宽被调整至25.15ns来获得换能器输出信号的

大幅值，此处的发射电压为-547V，比第一种情况稍高一些（第一种情况为脉冲

设置在15.375ns时仪器可以输出的大电压值）。相对于第一种情况，右侧信号

中出现了低频信号成分，但信号带宽在稍大于换能器共振频率处减小。图3-5中的第三种情况是，发射脉宽增至51ns而发射电压同第二种情况相同。

换能器输出信号幅度变小，信号振铃基本消除。所以在换能器共振频率之外增加

发射脉冲宽度可以加大换能器晶片振动的衰减。

脉冲宽度 12.375ns



小电压值 -497.647V

小电压值 -547.843V

小电压值 -544.706V



使用双极性方波脉冲来激励，可以显著增加换能器输出信号的幅度。双极性

方波脉冲其中第一个下降沿（或上升沿）后电压的大持续时间为探头晶片共振

周期的一半，之后电压反转至相反极性的等值电压，该电压大持续时间同样为

换能器晶片共振周期的一半。双极性方波脉冲为图3-4中的单个周期的双方向方

波脉冲串。

3.2.5 接收器参考 KK 公司（材料的超声波检测），在超声探头上施加 100~1000V 的发

射脉冲，在探头上可获得 3~4 个 0.001~1V 低幅度的信号串。这会造成 2 个问题。

其一，在脉冲回波方式下发射脉冲的振幅同样被送到了接收器；其二，必须在不

放大噪声的同时放大来自缺陷相对微弱的回波信号。因接收回波信号与发射脉冲

包络（叠加在探头接收的小信号之上）处于不同频段导致第二个问题处理起来更

为复杂。当将脉冲回波方式切换至发射-接收方式时，发射器和接收器物理上已不存

在连接，见图 3-6 所示。为了获得能够显示并进一步处理，必须放大换能器微小振动产生的接收信

号。放大过程与滤波和衰减密切相关。

图 3-6 脉冲-回波模式与发射-接收模式

接收器第一阶为保护电路，在脉冲回波方式下保护接收器的前置放大器避免

来自发射器高压脉冲的冲击。前置放大器可以使用晶体管类型放大器提供

20~40dB的增益，前置放大器的频率响应通常为整个仪器的宽带，有时加入高通

滤波器来消除来自探头和电子线路干扰的射频成份来改善信噪比。前置放大器的

带宽一般设置成1MHZ~15MHZ，并且是仪器操作者不可更改的。在前置放大器之后，信号要通过宽带衰减器。这避免信号在后续电路中饱和，

并且提供了一种用于信号高度校准调整的手段。衰减器通常能够以20dB的粗调

PRF & sweep generator脉冲重复频率&扫频发生器

Pulser 脉冲发生器

Receiver 信号接收器

Pulse-Echo connections Transmit-Receive connections

PRF & sweep generator 脉冲重复频率&扫频发生器

Pulser 脉冲发生器

Receiver 信号接收器

脉冲-回波模式发射-接收模式



步进和1dB精调步进来进行调整。有些便携式仪器使用放大量太大的前置放大

器，导致仪器即使使用大衰减量，仍无法将回波信号降至100%FSH（满屏信

号）以下。衰减信号被送至 RF 放大器，RF 放大器可能为线性放大器或对数放大器。

大多数 UT 仪器使用的是线性 RF 放大器。当接收器使用线性放大器时，信号幅

度与接收器的电压成固定比例。但接收器增益是以 dB 为单位增加的，所以放大

器增加 6dB 信号幅度翻倍。这样就限制了放大器的动态范围到 34dB（34dB 使

2%FSH 信号增至 100%FSH）。当使用对数放大器时，增益 dB 与信号幅度是线

性的，比如放大器增加 1dB 放大量信号幅度增大 1%FSH，通过压缩，使对数放

大器的动态范围是线性放大器的 6.3 倍。有些对数放大器的动态范围甚至超过

100dB（让 1dB 的放大量对应小于 1%FSH 信号幅度）。放大后的 RF 信号被送至滤波器，通常带通滤波器可以减少来自高频段和低

频段噪声。仪器操作者可以根据探头的标称频率来选择中心频率与此对应的带通

滤波器。合适的带通滤波器并不会显著衰减信号幅度，同样宽带滤波器也可以

使用，但通常会产生一些噪声。具体见图 3-7。

图 3-7 接收器的滤波器

3.2.6 闸门

对于基于计算机的超声成像技术来说，选取显示屏上某段时间的信号进行分

析的能力是必须具备的，这段时间被称为“闸门”。当扫描时间到达闸门区域

或信号达到在闸门规定的幅值或者是时间和幅值同时触发闸门，仪器报警或者开

始记录闸门内信号。在自动化检测系统中闸门是必备的组件。辅助控制常常对闸

门位置有所帮助。闸门位置在A-Scan的显示屏上会被标记为额外的图形和标记。

闸门控制包括开始和结束的调整，门限值设置（信号幅度值达到多少才触发报警

和采集数据）和正向或负向的设置。如果使用正向闸门，信号幅值必须超过门限

值。如果使用负向闸门，信号幅值必须低于门限值才会报警。正向闸门典型应用

于监视缺陷回波幅度。负向闸门典型应用于用一个穿透信号监视检测的耦合状

态。图3-8给出了带3个闸门的数字A-Scan显示，闸门内的数据采集选项有时间、

2 4 6 8 10

Relative Amplitude 相对振幅

Frequency (MHz) 频率（MHz）

Wideband filter 宽带滤波器

1-5MHz filter 1-5MHz 滤波频域

3-7MHz filter 3-7MHz 滤波频域 7-15MHz filter

7-15MHz 滤波频域

Spectrum of a nominal 5MHz transducer 标称频率为 5MHz 换能器的频谱曲线



幅度和波形。当选择采集时间和幅度时必须在垂直方向设置门限值（幅值）。当

选择采集波形信息时没有幅值门限，所有在一个特定时间间隔内的波形都将被采

集。实际上，在TOFD中采集的就是波形数据。

图 3-8 闸门显示

3.2.7 数据采集及自动化系统

一般认为数据采集是对一实物对象或环境的信息收集。这通常包含采集一个

参数关于另一个参数的信息，比如监视温度随时间的变化。简单的数据采集可以

由操作者手工读数来完成。在温度采集实例中，操作者可以在一定时间间隔上记

录温度计（不论是模拟还是数字式）显示的温度和相应的时间来完成数据采集（单

一参数的记录并无意义除非与其他参数相关联）。在今天科学和工程实践中需要采集大量精确的数据，成百上千的数据可在数

小时内由计算机轻松采集完成。当计算机被应用到数据采集控制过程中，该过程

变得非常自动化。计算机不单被应用到采集数据，还要负责整理数据和后续的数

据分析。在 TOFD 中，数据采集由收集 A 扫描数据组成。另一个收集的参数是位置

或者以固定时钟频率收集 A 扫描时的伪位置（即相对于时间的 A 扫描）。数据

采集的位置信息随后讨论。对 TOFD 操作者极端重要的是显示器上看到的输出，

它由后台收集的 A 扫描组成，事实上还必须包括一些显示 A 扫描的方法，借以

补充 TOFD 中看到的 B 扫描。

3.2.8 仪器输出电子数据可以被称为“信号”或“波型”。通常是电压对时间的变化关系。

信号可以是模拟量也可以是数字量。模拟量是连续的，在任意时间间隔可能改变

到任意量值。而计算机处理的为数字信号。数字信号在某一固定时间间隔上为离

散值。如果数字信号幅度间隔很小且时间间隔也很小，合成的数字信号能够等效

成模拟信号。在信号质量上二者的差异由图3-9可以说明。图 3-9 显示了计算机将连续模拟量转化成数字量的步骤。

Time Gate set at 30% FSH threshold 门限为 30%全屏信号的时间闸门设置

Amplitude Gate set at 25% FSH threshold门限为 25%全屏信号的幅度闸门设置

Waveform Gate (threshold does not apply) 波形闸门（不存在门限值）



图A示意了幅度连续变换的原始输入信号。图B示意转换过程如何分配补偿

值才能保证大负向位移在分级低值之上。信号在垂直方向上从小到大划

分成16个级别。通常垂直分级以2的倍数分为256档。基于水平轴时基进行采样，

在每个时间间隔点上进行一次采样。采样值可能是这个间隔内的峰值或平均值，

并且在给定时间间隔内接近整体的数值被赋予这个点。图C为代表模拟信号的

已转换数字信号。其中左侧的幅度轴为参考，每一个采样以垂直条来显示大小。

垂直条大小易于转换成二进制码并可以被计算机读取，比如，垂直条的大小为3，读为0011，4读为0100，7读为0111。

012345678910111213141516

12345678910111213141516

0 7 7 7 7 7 7 7 79 9 9 910 1011 1112 148 5 6 5 5 5 5 3 5 51334446 6 6 6 684

A

B

C

图 3-9 模拟信号的数字采样

将模拟信号变换成数字信号的过程称为数字化转换。完成这一工作的电子器

件为模拟-数字转换器（ＡＤＣ），并且相关的电子器件被集成到电子线路板之

上，该电子线路板可插入到计算机之中，通常被称为ＡＤ转换卡。转换后的数字

信号由比例因子和采样间隔构成，比例因子为模拟量值与数字量值的比，采样间

隔为产生数字量的固定时间间隔。与信号数字化相反的过程也常被用到，也就是把数字信号转换成模拟信号，

完成这一过程的器件称为数字模拟转换器（ＤＡＣ）。大多数人都知道这一转换

在娱乐设备中的应用，如音乐从ＣＤ或者ＤＶＤ机的喇叭放出来（喇叭输出的声

音信号为模拟信号）。

数据采集中所用计算机存在多种尺寸、形式和价位。在过去一段时间内微型

机、小型机和大型机三种机型被应用。这些机型以存储器的大小来简单区分。如

今这些差异已不是界定机型的依据，除非在大量数据需要被采集、快速处理而且

同时处理其他任务（多任务处理）的情况下，大多数检测系统可以用个人电脑来

作为自动化的中心控制器。任何自动化数据采集系统配合数据采集软件才能构成完整的系统。数据采集

软件可以采集数据、分析数据和显示结果。若无数据分析能力，显示采集的数百



万位数据对于大多数操作者来说是无法理解的。处理的数据能够以表格、图像、

多重带状图、示波（A扫描）的方式输出到显示器或者打印机。 NDT检测系统中存在多种类型的特殊软件。这些软件配合特殊仪器。有些数

据采集软件采集信号的方方面面信息并记录仪器参数，有些软件能够驱动电机和

采集位置信息。

3.2.9 存贮与数字化方面

模拟数字转换部分描述中当采用8位ADC时便将垂直幅度分为28或256个台

阶（分辨率）。ADC的采样率决定A扫描信号被采集和数字化转换的时间间隔。

快速ADC转换板典型的速度从20MHZ到100MHZ，但慢一些或快一些的转换板也

是存在的。若用100MHZ的ADC，则采样间隔为0.01us。在脉冲回波方式中，该

采样率在钢中精度为0.016mm（横波）和0.03mm（纵波）。瞬间分辨率也决定了

从模拟信号产生数字信号的质量。图3-10显示了由10MHZ探头产生了模拟信号，

由100MHZ的ADC数字化后可以再现原信号，若由20MHZ的ADC数字化后无法

恢复原信号（图中模拟轨迹的虚线为参考信号，只有点状信号才能够显示在屏幕

上）。

图 3-10 同一波形的不同采样率数字化效果在示波器上的显示

小采样率须为探头中心频率的 4 倍，这保证数字化的幅度值与模拟量不超

过 3dB。若要保证数字化幅度值与模拟量的误差不超过 1dB，必须使采样率达到

探头中心频率的 5 倍。比如，对于 10MHZ 的探头，推荐采用至少 50MHZ 的采

样率。同样，操作人员可以看到当采用更高采样率的 ADC 时，采样信号更接近

原始信号并且改进了信号特性。时间或距离的分辨率只取决于ADC的采样率，但幅度分辨率既取决于ADC

采样率也取决于ADC的转换分辨率。现大多数数据采集系统采用8位的转换分辨

率，也有使用10位、12位甚至更高的采样位数。

数字化幅度另外一个重要方面是对动态范围的影响。如前所述，常见的比

特率是 8 位采样位数。幅度精度取决于垂直方向上采样的划分数量。术语“比特

率”来自二进制数据处理，其中定义一定的比特数构成一个字节。在计算机术语

中，构成字节的比特数目可以是 8，10，12 等。一个比特只有两种选项，即值'0'或'1'。当二进制值（或 2）提高到 2 的八次幂（8），则称为 8 位；如果提高到

10 次幂，则称为 10 位。



基于计算机的超声系统的位数不断增加，高端单元有时用 12 位数字化。位

数的乘积就是垂直范围（振幅）能被分割的数量，例如： 8 位= 28= 256，垂直量为 256 间隔（PipeWIZARD）

10 位= 210 = 1024，垂直量为 1024 间隔(Omniscan) 12 位= 212 = 4096，垂直量为 6409 间隔(Tomo3) 这可用图形描述，图 3-11 表示一个射频波形和检波波形，在图形两边有两

条用于幅度值颜色编码的色棒。

图 3-11 8 位数字化对动态范围的影响

信号的幅度由 dB 来指示，dB 是一个比值的概念，dB= 20 log10 h1/h2，其

中 h1 和 h2 是两个信号的相对幅值。对于检波信号用 8 位 ADC 单元转换，其电

压从底部零点到正相偏移所有点来计算，动态范围是 1/256 或者 20 log10 (1/256) = -48dB。显示屏上小百分比间隔为(1/256) x100=0.39%。

对于RF信号同样的8位ADC转换没有偏置，信号包含正相信号和负相信号。

动态范围取决于零点到大偏移点（128）的差值，动态范围为1/128或者20 log10 (1/128) = 42dB。

注：一半幅度为-6dB，所以减少垂直方向一半的点数，动态范围相当于减少

了6dB（48-6=42）并且屏幕小垂直间隔为0.8%。当更高比特率的数字化被应用后，仪器便呈现了高低端产品。大幅度的信号是100%屏高或者更高，当然这并非是一个真实值，它们只是

“饱和”而已。这已被应用到模拟或者数字显示之中。当幅度作为重要要素并且

需要其绝对值时，意味着需要重复扫查来评价相对于参考水平的实际幅度值。在

8位数字检波信号中，一旦信号达到256量值，其便饱和。相对于满屏显示来讲，

一个信号数字化量大于256，它可能是101%或者也可能大于500%。用10位数字化率可以将信号在范围垂直方向上划分成1024个等值的量。这允

许我们在较低的接收器增益上进行信号采集而采集后的数据可以采用电子方式

“增加增益”。用1024幅度量化是8位系统的4倍精度，这意味可以在20%参考线

上进行校准（而8位系统一般在80%上进行校准）并且以较低的幅度采集所有A扫信号。同样的信号在10位系统上达到25%的屏高在8位系统上便达到了100%。

0-256

0 to +1 2 7

- 128 to 0

8 Bit RF Signal (TOFD) 八位的射频信号（TOFD 检测）

8 Bit Rectified Signal (Volumetrics) 八位的检波信号（体积检测）



信号饱和的可能性在10位数字化系统中被很大程度减小。用8位系统评价动态范

围的方式来评价10位系统，10位系统对于检波信号可以达到60dB的动态范围。屏幕显示或者数字闸门输出都能用于表示更大的振幅，图3-12说明了如何用

闸门来测量振幅，即使屏幕上不再能显示更高的信号，操作者也能可以读出所测

振幅的数字值输出。在本例中，数字化位数为9位，振幅的闸门输出显示左侧

的信号幅度为200%，出现在26.55mm处。第二个信号同样已饱和显示，用一个

单独的闸门（绿色）套住，屏幕输出该信号幅度为176%，回波位置为39.03mm处。

图 3-12 9 位数字化闸门显示增加动态范围

图 3-13 增加振幅的软件增益法

图 3-13 描述加在屏幕显示上的“软增益”。左图为原始扫描图，右图为增

加了 2dB 软增益的扫描图。数字化A扫描是构建B扫描的第一步工作。但A扫描采集的数据必须存贮到计

算机之中，所以扫描范围和闸门长度越大，需要占用计算机的存储器资源越多。图 3-13 显示的是使用 5 MHz 的 TOFD 检测探头检测 50 毫米厚度的钢板，

采样范围为 10 微秒，包含波型转换信号。为保持高品质的 A 扫描，我们使用的

小模数转换率为 5 倍探头标称频率值或者取 25MHz，扫描长度为 275 毫米，

每 1 毫米采样 1 次（全 A 扫描波形）。对于 25 MHz 的 ADC，每微秒采集 25 个样本，因此对 10 微秒的采样时间，

每个 A 扫描要记录 250 个振幅样本。每个点采集 8 比特振幅信息（8 比特=1 字

节）。沿 275mm 焊缝采集的 B 扫描，产生的数据量为： 250 × 1 × 1 × 275 = 68750 字节（68.8 KB）

第一个数是指每个 A 扫描有 250 个点；第二个数是指每个 A 扫描上的一个采样点大小为 1 字节；第三个数是指 1mm 的 A 扫描的次数； 275 是指总体扫描长度的毫米数。



单纯增加模数转换率至 100MHz 以提高成像质量，将使文件大小增加 4 倍。在多通道系统多个 B 扫描（或者 D 扫描）和 TOFD 扫描中，即使简单的平

行于焊缝轴线的线性扫查（而非栅格扫查）生成的数据文件都会达到几十 MB左右。 3.2.10 数据处理

数字采集系统额外的特征是能够对已存储数据进行后处理。当数字存储技术

出现后，衍生出很多技术提高了信息的收集能力，这一过程称为数字信号处理

（DSP）。 DSP处理效果取决于采集信号的质量，包括以下因素： a) 传感器与数据采集系统的匹配程度 b) 采样周期 c) 信号量化水平 d) 校准 e) 材料衰减程度任何不需要的扰动出现在有用信号频带范围内被称为噪声，噪声源于多种情

况，传感器本身、仪器、散射的伪回波信号、几何和波形转换信号、周围电噪声。缺陷可能源于几何结构中应力集中或者存留化学物质部位，这些地方容易引

起的腐蚀、裂纹或两者兼有。缺陷所在位置可能被腐蚀，也可能完全被周围环境

掩盖住。相反，几何体也可能被误认为成缺陷。B 扫描、C 扫描或其它成像显示

使缺陷检测能够以“大图片”方式呈现，相比于静态的 A 扫描，缺陷微小变化

也很直观、显著。尽管以成像的方式能改善识别能力，但来自于噪声的伪信号依然可能掩盖缺

陷。各种技术已经被研究来提高有用信号成分抑制噪声干扰，相应的数字信号处

理一般分为两类，一维和两维。一维处理应用在被采集波形可能是滤波或频谱分

析；二维处理关注如何提高空间结构的成像效果。

Digital Signal Processing (DSP) 数字信号处理

One Dimensional 一维

Two Dimensional 二维

Filtering 滤波法

Spectrum analysis 频谱分析

一维数字信号处理在此简要涉及一些。利用快速傅立叶变换、信号平均来提

高信噪比。当知道噪声频率组成比UT相关信号的频率要高或者要低，可以使用

带通滤波来过滤掉噪声。图3-14（原文为4-24，有误）示意了如何从A扫描信号

中有选择地剔除伪信号成分的方法。



图 3-14 DSP 的滤波过程示意图

另外一种稍微简单的处理方法是信号平均技术。利用信号平均法从噪声背景

中提取缺陷的依据是，缺陷信号是前后一致的，噪声是随机的。当前后一致重复

的信号本身相加n次，将以n倍增加；而噪声本身相加n次，将以 n 倍增加。所

以在n次重复后，平均后波形的信噪比提高了 n 倍。两维数字信号处理技术用以提高空间信息。这样，两维数字信号处理技术可

以应用到B扫描和C扫描成像之中。因为B扫描和C扫描本身由A扫描信号生产，

所以这两种扫描方式并不比A扫描包含更多的信息。但它们提供了空间关系而非

孤立的A扫描。一种已用于B扫描的有名的方法称为合成孔径聚焦技术（SAFT）。其原理

是：超声波束在传播中到达某点时存在探头位置和目标深度间的双曲线函数关

系，利用已知的双曲线函数方程来实现A扫描信号时间移位并进行叠加。当缺陷

出现时波形相长干涉后信号增大，当无缺陷出现时，干涉是削减性的，使信号变

小。这种SAFT可用于两维或三维数字信号处理之中，但是，三维SAFT需要较长

的处理时间。

Before SAFT processing After SAFT processing SAFT 处理前图像 SAFT 处理后图像

图 3-15 合成孔径聚焦技术

图3-15示意了利用SAFT来提高信号比和横向分辨率的实例。图4-26中扫描

了三个1mm槽，左边是原始数据B扫描成像结果，右边是经过SAFT处理后的B扫描结果，可以看出横向分辨率有很大提高。

Indication 缺陷指示

Indication 缺陷指示

1 MHz filter1 MHz 滤波频域

Raw data 原始数据

Filter process 滤波处理

Enhanced signal 改善信号

Original Data 原始数据

Filtering DSP 滤波 DSP

Processed Data 处理后的数据



SAFT 的一个变体是 ALOK，利用双曲线中预期的传播时间来提高缺陷的信

噪比，而处理中并未合成聚焦。

3.3 扫查装置

扫描装置需要提供位置信息。仅知道检测试块中存在一个反射体是无用的，

除非能够确定反射体的位置。位置在确定反射体信号是缺陷信号还是几何发射信

号中起至关重要的作用，若反射体信号被定为缺陷信号，其应位于焊缝之中，位

置能帮助评价和评定。虽然在试块表面放置简单标尺测量常用于手工扫查之中，

而位置编码装置常用于机械化扫查之中。当探头已移动过检测部位，两者的相对位置很难精确记录。管道检测台通常

装有带状记录器，依进给速度和记录带中指示出的位置来定位指示信号。在管道

制造厂当回波出现在闸门之上，声音报警器和打标器用以提示检测者异常信号出

现的时刻和位置。打标器安装在一串探头之下，其打标动作依据探头与管子的运

动速度在报警后延时一段时间进行打标。当探头在固定被检对象上移动时，机械化扫查存在几种方式。为了固定几种

方式的原点位置，需要探头夹持器和相关辅助框架。位置由某种方式的编码器提

供，探头移动靠手工方式。探头也可以选择用装在框架上的电机来驱动，位置一

样由编码器提供。

3.3.1 机械化扫查的限制并非所有检测均需采用机械化扫查。也有某些情况手工检测更加有效，尽管

在假定不限定成本的情况下，任何手工扫查都在某种程度上可变成机械化扫查。但是需要注意到机械化系统机械方面的限制。为普通的限制便是扫查速

度。即使计算机和超声系统能够在高速移动下产生并采集数据，在探头以计算机

能够采集的大速度下移动时仍会出现机械障碍。在长扫查架上，扫查架支柱会

使探头震动导致耦合路径和耦合质量下降。或者扫查器本身震动致使一些零部件

松动。这些因素对系统破坏的风险如焊接中飞入杂质对焊缝质量的影响一样，在

高速扫查时比低速扫查时对系统的破坏力要强得多。管道环焊缝检测是技术进步

的一个实例，在1980年早期系统是基于发射器的重复频率并且将焊缝分成6个区，扫查速度不超过40mm/s。如今，相控阵系统能够扫描12个分区的焊缝，并

且采集全波型数据，实现TOFD扫查、6个测厚通道、穿透法耦合监视通道、8个全波型B扫描（或D扫描）。这一系统要比早期系统实现上述工作扫查速度快一

倍（大概80~100mm/s）。当考虑扫描文件大小时，这会给人更深刻的印象。对

于早期系统来讲，扫描文件大小正常为100KB左右，并且只有幅度和时间信息，

任一投影扫查（如B扫描）只有图像并无保存全波型数据，并且不能生成TOFD扫查。现相控阵系统在早期系统2倍的扫查速度下一般要采集的数据量是早期系

统的1000倍（约10~15MB）。

3.3.2 扫查速度 ADC 的采样速率已在前期探讨过，若 B 扫需要设置较宽的闸门时，计算机

CPU 的处理信息能力将限制扫查速度。若计算机在采样空闲期间无足够的处理

时间，那 B 扫描的结果将出现丢点的情况。然而，计算机 CPU 并非限制扫查速度的唯一因素。即使计算机不用负责数

据采集，脉冲重复频率也会限制扫查速度。诸如带状记录器等记录装置的反映时



间需要几个脉冲信号，才能确保捕捉到信号的大幅度值。所以，探头需要在发

射体附近提供给记录装置足够的反应时间。这部分取决于波束的大小、校准的孔

的大小或小目标。静态校准需要设置增益来获得需要的信号幅度，但当仪器以

高速扫查动态运行时，被记录的信号幅度会小于静态校准的值。扫查速度可以以

经验来确定，或者规范、法规中基于探头、波束尺寸和 PRF 来规定的大速度

来确定。下面为计算扫查速度Vc的一个例子：

Vc Wc PRF= ⎛

⎝⎜⎞⎠⎟3

式中Wc为探头设计时在适当工作距离内窄的-6dB宽度，PRF为探头有效

的脉冲重复频率。在此例中6dB波束宽度内需要3个脉冲激发。在一个由多路器切换，依次激发多个探头的系统中，PRF需要除以探头的数

量。尽管很多系统标称PRF为2KHz，当该系统接入10个探头，对于每个探头有

效的PRF仅为200Hz。改进的技术不用考虑PRF的影响。在带有数字控制的数据采集系统中，从激

发晶片到采集、显示、存储接收信号的全过程均由计算机控制。这仍然存在一个

主时钟，计算机所有的事务按此时钟执行。在编码系统中，扫查器由电机推动前进（通过电机控制卡与计算机通信连接

和控制单元来控制）时，编码器转动并且在单位距离内发射特定数量的激励脉冲。

当编码器指示位于1mm间隔的起点时，序列中的所有功能便开始：计算机记录

编码器的位置（以规定的原点为参考，以毫米或英尺为单位校准）； a) 计算机调入第一组聚焦法则； b) 发射器以正确的序列和延时激发脉冲； c) 接收器接收超声信号； d) 对接收器所用的通道施加正确的增益； e) 采集时间闸门内的时间信息； f) 将采集闸门内的振幅信息数字化； g) 将幅度和时间存贮到存储器内； h) 对所有通道重复上述步骤（当使用多通道 TOFD 时）； i) 在监视器显示一条数据的图像信息； j) 等待编码器下一个1mm变动，依次重复。

许多更细小的检查和功能被执行，但总体而言影响这些工作传达的是许多功

能都基于来自编码器的初始脉冲触发。有些系统的扫描速度大约为 100mm/sec，这意味着在 1mm 内需要执行的上述事件序列中的所有步骤在 1 秒内将重复 100次。这里仍存在一个限制就是计算机需在如此短的时间内完成所有处理，若扫查

速度太快以至于在此 1mm 内计算机不能完成所有处理，那么此 1mm 的所有信息

或部分信息将会丢失。在使用彩色调色板的脉冲-回波法显示中，信息丢失在屏

幕上显示为黑线，或者白线。在 TOFD 的 B 扫描中，数据丢失在屏幕上显示为

零幅度信号。然而，由于 TOFD 显示是灰度图，零值为中级灰度显示，如图 3-16所示。



图 3-16 数据丢失

此公式方Vc Wc PRF= ⎛

⎝⎜⎞⎠⎟3并不能应用于上述编码器触发的数据采集系统。事

实上，脉冲发射器的每一次激发是受编码器距离步长来控制的，这就要求操作者

需要确定6dB波束宽度Wc的尺寸并且保证编码器采样步长小于1/3的Wc尺寸来

保证规范的要求。

3.3.3 编码器旋转光学编码器是用光来检测旋转轴的速度、角度和方向的一种传感器。线

性编码器采取读出线带而非圆盘的方式，同样可以为线性运动提供速度、方向信

息。光学编码器采用光学原理而非接触法来检测位置信息，因此，它有无磨损且

数字输出无抖动的优点。光学编码器的精度同码盘一样高。码盘图案由均带有高

精度视觉系统进行闭环导引的精密数字绘图仪和冲压机或激光切割机生成。编码器常常采用 LED 点光源而非传统的 LED 或者灯丝光源。大多数光学编

码器是发射式，它将光校准成平行光并穿过圆盘或线带，所成图像由相控阵单片

传感器检测并转换成数字 TTL 正交输出。反射式编码器的反射码盘将校准光反

射并检测，其将所有电子器件装配在码盘一侧使之较发射式编码器更小一些。图3-17介绍了在编码器中使用光电二极管来产生正交编码输出，输出中包含

了距离和方向信息，方向取决于两个脉冲信号的相位差。

图 3-17 光学编码器组件

大多数增量编码器有一个在相位上与第一组脉冲存在偏移的第二组脉冲，并

有一个独立的脉冲指示每次编码器轮转动一整圈的时刻。若 A 脉冲超前 B 脉冲，

轮轴顺时针旋转；若 B 脉冲超前 A 脉冲，轮轴逆时针旋转；C 脉冲轮轴每转一

周出现一次。图 4-31 示意了正交编码器脉冲模式提供的方向信息（通道 C 作为

旋转一周的参考脉冲）。

光源透镜

码盘相位盘

透镜

光电编码器工作原理图

放大器整形器

正交编码输出信号

通道 A

通道 B



图 3-18 光电编码器正交输出脉冲

自动扫查系统装配的光学编码器需要校准，具体做法是将扫查器在已知距离

移动，记录编码器产生的脉冲个数，便可以确定校准系数了（即确定1mm内的

脉冲个数）。由于这些编码器与测试表面的接触点终会发生磨损，所以需要定

期校验编码盘旋转一周的脉冲数。其他指示位置的装置还有电位器和旋转变压器。

3.3.4 异步与同步系统大多数超声检测技术人员使用过传统单晶探头脉冲回波检测方式，对PRF的

概念非常熟悉。PRF是超声仪器高压激励探头的脉冲频率。在由PRF控制多个探

头的多通道系统中，需要高速PRF时钟来保证所有通道在采样间隔内完成激发。

当编码器生成的脉冲与超声脉冲存在交叠时，在这种系统中，超声PRF与编码位

置脉冲称为异步，两者间的关系由图3-19的上半部分来示意。用编码位置脉冲来同步超声激发脉冲以保证所有通道在采样间隔内完成激

发为同步系统。同步系统只局限于计算机的计算能力。

图 3-19 异步和同步系统

Asynchronous multi-element scanning system 异步多晶片扫描系统

Synchronous multi-element scanning system 同步多晶片扫描系统

90°相位转换（正负误差带）

通道 A

通道 B

通道 C



当超声系统用于 TOFD 超声脉冲发生器时，优选同步系统。当系统是多通

道时，同步方式更为可取。触发事件的编码器脉冲必须在下一个编码器脉冲之前

激发、采集并处理完所有通道。异步系统的数据采集单元在编码器脉冲间隔内采集数据，并利用计算机算法

选择闸门内信号的大值、小值或者平均值。这些值送至计算机做数据显示或

者存贮。同步系统对于每个通道只有一个脉冲激励（除使用多点平均显示外），

所以每个通道或每个聚焦法则只有单一闸门数据被传送至存贮器做数据显示。在超声数据采集系统中常应用“经验方法”。这要求在 6dB 波束宽度内对

每个通道至少激发 3 个脉冲。事实上，一些规范或标准也应用下面的公式：

3* prfWcV =

考虑扫描速度时可以使用这个公式。对于同步系统来讲，该公式同样适用，

需在6dB波束宽度内采集3个数据值。所以对于同步系统或者依据位置激发的系

统来讲，若波束宽度为3mm及以上时，每1mm采集1个数据值是完全满足波束覆

盖要求的。这很适合脉冲-回波技术；然而，对TOFD说，波束非常宽，好像脉冲

少些也够用（例如每2mm或3mm发射一次），但是，这将使B扫描图像显示为像

素块（即由于样本间的跳跃比较大，使得B扫描图像看上去一块一块的），此外，

如果编码轴的采样间隔大于1毫米，可能会丢失帮助定征缺陷指示的精细走向线

条。 3.3.5 TOFD 系统

TOFD 设备简单的基本组件： a) 一对探头 b) 探头支架（用于保持探头间距） c) 脉冲发射/接收器（基本的） d) 数据采集系统（带数据显示的计算机）图 3-20 描述了 TOFD 系统的基本组成：采用一台笔记本电脑作为采集/控制

计算机，单个 T/R 脉冲发射/接收器，一对探头及保持探头间距恒定的基本支架。



图 3-20 TOFD 基本设备

图 3-21 TOFD 检测基本配置增强版

更多的扩展设备包括： • 1 对或多对探头 • 探头支架（保持探头间距） • 脉冲发发射/接收器(1 个或多个) • 前置放大系统 • 数据采集系统（带数据显示的计算机） • 编码器(1 个或多个)

Encoder 编码器

Pre-amp 前置放大器

Pulse-echo or phased-array probes 脉冲-回波探头或相

控阵换能器

Irrigation supply header 耦合剂喷头

TOFD ProbesTOFD 探头

Probe-holder frames with adjustable standoffs and magnetic wheels 带有可调螺母和磁性小轮的探头夹持框架

Multi-channel UT system with DSP- equipped data display 可进行数字信号处理

并显示的多通道超声

检测系统



• 耦合系统 • DSP 数据分析软件图 3-21 描述了这些组件。



4 TOFD 检测焊缝的校准及扫查 4.1 设备要求

超声波检测时，通常要将检测结果与校验标准或者以往的结果进行对比，除

非检测系统特性相同(在一定范围内)，结果才不会变化。由于检测系统由多个组

件组成，所以检测结果发生变化的原因有多种。典型的检测系统由超声波探伤仪

（包括连接电缆）、辅助运动控制设备和数据采集装置组成。除了上述所列硬件

之外，操作者也是检测系统的一部分。为确保检测结果的一致性和可重复性，需要采取一些步骤约束系统中所有可

能变化的因素。这些步骤以技术要求、标准或规范的形式体现。试块和耦合是由

检测要求确定的不变量。当然，校准试块应代表检测材料，参考反射体的尺寸也

有规定，典型的参考反射体有平底孔（FBH），横孔（SDH）和 V 型槽。耦合

条件应保持一致，如直接接触检测使用耦合剂的类型和温度、水浸检测使用的水

距及温度应一致。操作者属某种非定性变化因素，所有使操作者行为保持一致的

努力通常围绕技术培训及遵守已批准的技术要求。尽管如此，操作人员的“经验”

依然不是容易控制的因素。探头和仪器的性能是检测系统中唯一能够科学计量的组件，虽然仪器的某些

功能不受探头的控制，但是两者在一定程度上是相互影响的。随着数字控制及显示技术的使用，许多模拟显示的测量特性不再普遍适用，

而许多标准和规范至今还没反映这些变化。有时检测精确度要求很宽松，现场进

行验证就行。然而，近研究表明，现场检测的多变性远远超出预期，在用接触

检测法检测时尤为明显。牢记上述提到的几点不足之处：

• 探头和仪器相互依赖； • 使用数字设备引入了新的参数； • 用接触法测试性能时，很难保证重复性；

即使对于 TOFD 检测，仍然需要进行传统的性能测试，这些测试很有用。超声设备传统的性能特点大致可分为三个方面：显示（示波器）、脉冲发生

/接收放大器和声束（探头）。常用已知尺寸和声速的参考试块测试这些性能参

数。 4.1.1 波形显示（示波器）的性能特点

传统的示波器使用阴极射线管，对 TOFD，我们先前已经确定使用数字式显

示。旧的模拟显示由于设备轻微磕碰使偏转板不能对齐，从而使仪器线性经常出

现问题。数字仪器的运行通过简便的控制、精确的“数字时钟”和模数转换器“放置”

要显示的信号幅值。它们从不会被“碰”偏，并规定了小的电源电压波动将切断系统而不是降低

时间或幅值的精度。尽管数字化仪器具有内在的一致性，对于时基和波幅控制线性的评估依然有

硬性要求。如下文所述，TOFD 强烈依赖于沿时基的精确计时，因此，波幅控制

或相对于参考值的信号幅度准确测量方面的要求在 TOFD 中就不那么重要。



尽管 TOFD 应用中降低了对垂直线性的要求，但检测同一零件时，保证使

用不同系统、多次检测结果的重复性，仍然需要维护良好的具有相对严格误差要

求的仪器，这一事实一直不变。因此，在规定 TOFD 应用的规范中，常要求校

准仪器的线性度，以监控垂直线性，波幅控制线性（放大器）和水平线性(时基)。除了上述几项所有超声仪器认为是“标准的”与线性度有关的条目外，多项

专用于 TOFD 仪器的要求还需要标识出以满足一定的误差或者作为设备必须满

足的条目（如 EN-583-6 中所述）： a) 接收器带宽必须至少具备探头标称的-6dB 频率带宽的 0.5~2 倍范围，除

非特定的材料和产品类型需要更大的带宽。可以使用合适的带通滤波器。 b) 发射脉冲可以是单极性也可以是双极性，脉冲上升时间不许超过探头标

称频率对应周期的 0.25 倍。 c) 未检波信号数字化的采样频率必须至少是探头标称频率的 4 倍。 d) 常规应用中，超声设备与扫查装置的组合必须能够以 1mm 至少一次 A

扫描的速度采集信号并数字化，为此，数据采集与扫查装置的移动必须

同步。 e) 为选择时基线中 A 扫描信号数字化的合适区域，必须提供一个可编程控

制的时基线位置和长度的窗口，窗口起点必须在发射脉冲开始后的

0~200ms 范围内可调整，窗口长度必须在 5~100ms 范围内可调整。这样，

就以选择合适的信号（如 4.1 节描述的直通波或爬波、底面反射波、一

个或多个波型转换信号）进行数字化和显示。 f) A 扫描数字化后应用与幅度相对应的灰度或单色阶

显示，连续显示的 A 扫描形成 B 扫。灰度或单色阶应至少为 64 级。 g) 为了存档，设备必须能够在磁性或光学储存介质如硬盘、软盘、磁带或

光盘上存储所有的 A 扫描或者 B 扫描（适当时候）。为了输出报告，设

备必须能对 A 扫描或 B 扫描（适当时候）进行硬拷贝。 h) 设备必须能够对采集的信号进行平均处理。

4.1.2 探头的性能特征

用于 TOFD 应用的 EN-583-6 中给出的探头参数某种程度上是基于应用的，

但给出了一些需要满足的“ 低”水平，它们包括： a) 探头数量：2（发射探头和接收探头）； b) 类型：任何适用的探头（见 7.2 节–基于检测的厚度）； c) 波型：通常是纵波；使用横波探头比较复杂，但特殊情况下也可以使用； d) 两个探头必须具有相同的中心频率，容差在±20%以内； e) 频率基于检测的厚度（见 7.2 节）； f) 直通波和底面反射波的脉冲长度都必须不超过两个周期，脉冲长度以振幅峰

值的 10%测量； g) 脉冲重复频率的设置必须保证在连续发射脉冲的声信号间无相互干扰产生；

评价中心频率和带宽（发射脉冲周期数）的方法可以在好几个标准中找到，

其中包括 ASTM E- 1065。



4.1.3 扫查器的性能特征现在，探头运动基于时钟采样（不使用编码器）非常罕见，通常都使用位置

编码器。一些规范（例如 ASME V Art. 4 Appendix III）要求编码位置校准的准

确度在测量 500mm 长度后在 +/-1%以内。 EN583-6 还给出了与焊缝中心参考线对齐的误差极限。其中，相对于参考

线中心（焊缝中心线）的导向精度宜保持在两个探头参考点之间距离± 10%的公

差范围之内。

4.2 TOFD 灵敏度要求

除了设备通用参数的核查，还要进行单独一项“校准”，以确保检测的一致

性或低灵敏度，即通常认为的某种形式的“灵敏度校准”。正如描述 TOFD 检测依据衍射过程中提到的，TOFD 不是基于波幅的超声

检测方法，而是用 B 扫描图像上的小振幅移动图案来判别和定征缺陷。然而，

这就需要应用足够的增益，以确保 A 扫描上相位位移的细微变化也能够从背景

噪声中区分出来。距离波幅技术使用参考反射体设置检测灵敏度，并增加衰减补偿修正（额外

的增益）。这些参考反射体及增加的增益值可记录下来，并给定在技术要求、标

准或规范中。虽然 TOFD 对距离波幅修正没有相同的要求，但是 TOFD 需要能确定小

灵敏度的某些方法，以确保能看到背景噪声中的缺陷指示，并作为在后续检测中

能够使用相同灵敏度的方法。为了达到这个目的，有三种方法可用于 TOFD 灵

敏度校准：参考信号幅度背景噪声水平

可重复的反射体的系列增益值这是基于 EN/TS-14751 中推荐的操作程序，其中给出如何在检测试块上设

置灵敏度，陈述如下：对于所有检测等级，灵敏度必须在检测试块上设置。一般将直通波的波幅设

定到满屏高度(FSH)的 40～80%；若直通波不可用（如由于表面状态、使用陡

峭的波束角度的原因），灵敏度必须设置高于底面反射信号幅度FSH值的18～30dB；若直通波和底面反射波均不可用，灵敏度可设置为使晶粒噪声达到 5％～

10％FSH的值。英国标准 BS 7706 提供了第四种方法，即使用一个具有代表性缺陷的试样。

但是，没有完全相同的两个缺陷，因此除了认为这样的缺陷是挑选的“典型”缺

陷外，使用这个方法只能得到检测特定缺陷需要的大概增益值。事实上，BS 7706中说明了两个特定的反射体，但没有实际描述“参考”信

号本身。BS 7706中的四种方法是： a) 代表性缺陷试样； b) 裂缝衍射信号； c) 横通孔反射信号； d) 晶粒噪声；



这里，我们可以将目标信号（裂缝和横通孔）归为一类，认为它们是机械加

工目标体的信号。人工反射体(和衍射体)与真实缺陷的响应方式并不相同。但是，因为TOFD

的信号幅度与缺陷严重程度没有直接关系，因此这些机械加工目标体仅是提供一

种易复制的目标体，而采用其他方法也可以获得相同灵敏度。（认真想来，脉冲

回波方法中目标体响应的设置也是同样如此）。除了提供可重复的灵敏度之外，

机械加工目标体还可以用于测试超声场的分布以及检测的分辨率。进行扫查设置

时，通常要求记录灵敏度的测定方法及设置值，屏幕抓图或记录动态扫查结果是

更好满足这一要求的典型方式。 4.2.1 机械加工目标体的衍射或者反射信号超声检测中常用的目标体有裂缝、凹槽、横孔、柱孔（贯穿壁厚）和平底孔，

其中柱孔和平底孔因极容易受到探头倾斜的影响并不常用于TOFD检测。裂缝可能是表面开口或者是位于近表面，通常认为是平面状（有长度和高

度），其宽度同波长相比很小（通常小于波长的一半）。钢中的声波波长为

3mm~0.6mm（频率为2 - 10MHz），磨削加工小于0.3mm宽的裂缝并不实际，

所以这些裂缝常由电火花加工（EDM）制成。凹槽可以提供具有长度和高度的类似的平面状，但是宽度更大。如果切削深

度不是太大，方形或“V”形的凹槽都是由磨削加工。为了获得真实的衍射信号，凹槽的宽度尺寸必须很小（仍是小于波长的一

半），否则信号具备反射性质，比裂缝或“V”形槽的衍射信号相对强得多。与脉冲回波超声一样，带有这些目标体的试块认为是校准试块。试块一般选

用与所检试件相似的材料制成，且与检测厚度保持在允许误差范围之内。横孔提供类似用途的目标体，用于设置灵敏度。与凹槽相比，横孔顶部的效

应看作反射而非衍射更准确。为了辨别横孔底部的衍射信号，横孔直径至少是2个波长。

利用裂缝、凹槽或横孔来设置校准增益时，将一对探头对称放置在目标体的

两侧，以获得来自凹槽尖端的衍射或反射信号。一种确保获得衍射信号的方法是将表面开口的凹槽或者裂缝放置在探头对

的同一面上。衍射信号的峰-峰值设为未检波A扫描信号的80%，并记录图像及设置。一些

建议的目标体排列如图4-1所示。复杂几何形状的特殊应用的灵敏度通常进行检测验证评估，图4-2所示就是

这种试块，这种设计用于验证涡轮转轴中的裂纹检测。在设置TOFD扫查时，使用目标反射体的响应（凹槽或横孔的反射响应）有

以下几个优点：

Side Drilled holes with Saw cuts to surface 表面带有锯槽的横孔

Saw Cut 锯槽



ASME V-Art. 4 – one and two zone SDH targets ASME V-Art. 4—单区横孔校准块和双区横孔校准块

ASME V-Art. 4 – Notch targets（ASME V-Art. 4 –凹槽反射体）

图 4-1 TOFD 校准试块- 通用

图 4-2 TOFD 校准试块 - 定制应用

a) 在不同检测中使用的检测灵敏度可重复； b) 假定“达到” 小检测水平时，可理论“推断”与目标反射体尺寸相

当的缺陷检出能力。 c) 利用不同深度和位置的目标反射体可评价波束的体积覆盖；

上分区 T1

下分区 T2

注：

(a)T1为上分区的厚度

(b)T2为下分区的厚度

槽口尺寸

检测表面

最大间距

0.2 英寸

（5mm）

最大槽口宽度

1/4 超声波长

最小间距

2 英寸

（50mm）

注：试块长度和宽度应满足 UT 系统扫查器的要求。

横截面尺寸



用横孔作为参考反射体时，大的响应设置为80％峰-峰值可能无法提供足

够的扫查灵敏度，因此有必要增加增益（根据材料和横孔直径的不同，增加

15~30dB）。 4.2.2 用晶粒噪声设置灵敏度增益并非所有的测试对象和几何形状都能用校准目标反射体来设置，可能存在这

种情况，即没有预先认定的可接受缺陷尺寸，仅需要检查存在的“任意”缺陷。

此时，设置能达到的大检出能力受材料晶粒结构的限制。实际上，检测对象的

晶粒结构始终是影响灵敏度的因素。增益的设置如果对晶界处的声散射体敏感，一般假定所有的缺陷响应要比晶

界的响应大很多。对于细晶材料，这个假设成立。然而，对于奥氏体材料，其晶

界与缺陷处于同一个数量级，假设不成立。同样的问题，当晶粒尺寸与波长相近

时，很难区分缺陷和晶粒。通过比较A扫描中直通波前后的时基线噪声来调节增益水平。

将探头对以计算好的间距放在检测件上，操作者调节仪器显示直通波和底面

反射纵波（如果存在）。优化脉冲宽度以获得具有大信噪比的直通波脉冲波形。

然后调整增益，观察直通波后面的草状波水平，使晶粒散射信号高度为屏幕高度

的10%。直通波之前的电噪声信号幅度应至少低于晶粒噪声6 dB（即屏幕高度的

5%）。注：该技术假定关注的缺陷衍射波振幅大于晶界的衍射波振幅，可能并非总

是如此，但应注意异常粗糙的结构，如奥氏体材料和电渣焊或厚壁埋弧焊接。

图 4-3 TOFD 中的晶粒结构显示

(From On Qualification of TOFD Technique for Austenitic Stainless Steel Welds Inspection Rafael MARTINEZ-OÑA, Tecnatom, San Sebastián de los Reyes (Madrid), Spain, Sylvain VIGGIANIELLO, Alexandre BLEUZE, Metalscan, Saint-Rémy, France; ECNDT 2006)

Unflawed 无缺陷

Surface flaw表面缺陷



4.2.3 探头的选择和放置确定了设定扫查灵敏度的方法后，TOFD 操作者需要考虑如何放置探头对

(一对或者多对)，以保证关注区域(一个或多个)有合适的声覆盖。这需要考虑几

个因素，其中有些是相互关联的。TOFD 技术的设计需综合考虑所有相关因素。考虑的因素包括（但不限于）： a) 检测的材料 b) 构件的几何形状 c) 可用的设备（单通道或多通道） d) 探头（大小，频率，角度，成对数量） e) 检测能力要求 f) 缺陷定量要求 g) 检测速度和精度要求

TOFD 可以用于检测复杂几何形状，如 T 形、K 形及 Y 形接头，但通常需

要专用算法来确定信号指示相对于检测面的位置。这些计算不是标准的，一般需

要专用软件。本书不讲述这些计算和应用，只介绍基本的对接焊缝。根据检测材料初步选定探头，TOFD 选择探头频率所考虑的因素与脉冲回波

检测方法相同。粗晶材料和厚板材料需选择较低的频率，以克服衰减效应。探头尺寸也是需要考虑的，探头尺寸至少部分由检测材料决定。在某种程度

上，探头尺寸越大，越能够在较长距离里产生强脉冲，但是，需要扩散声束时

好使用较小尺寸的探头。选择探头折射角度根据测试构件的几何形状。很厚截面的试件要用小的折射

角，以保证底部不漏检。如果焊帽没有去除，则需要限定选择较大的折射角，以

确保近表面区域不漏检。由于 TOFD 探头的扩散角很大，实际使用的角度即使

偏离多达 5°，也不会导致检测结果显著变差。工件厚度足够大时，不能指望单对探头能覆盖整个厚度。对于这种情况，在

现有的多个 TOFD 规范和标准中能够找到解决办法。EN/TS 14751 提供了一个

表格，其中给出了 TOFD 检测厚工件时必须使用的少分区数量，该表如下，

见表 4-1。操作人员选择完探头参数后，要放置探头对以提供合适的体积覆盖，但应考

虑能量经过衍射重新分布后的效果。为理解体积覆盖，我们可以先用 24dB 脉冲回波声束发散的计算公式。当设

计 TOFD 参数时，可以接受采用对称性表示波束，尽管事实上只有一个探头发

射波束。因为所用探头的频率、尺寸、角度都要匹配，所以假定发射探头和接收

探头能用于互易原理（也就是说，它们对换使用，在信号上没什么明显差别）。



表4-1 基于对接焊缝板厚不同推荐的TOFD设置 Thickness

t ( mm) 厚度

Number of

TOFD

set-ups

检测通道数或扫

查次数

Depth-range

　t / mm 深度范围

Centre

frequency

f / MHz 中心频率

Beam-angle

　degrees)

( 　

long.-waves)

纵波声束角度

Element

–

size

(mm)

晶片直径

Beam

Intersection

主波束交叉点

6-10 1 0-t 15 70 2-3 2/3 of t

10-15 1 0-t 15-10 70 2-3 2/3 of t

15-35 1 0-t 10-5 70-60 2-6 2/3 of t

35-50 1 0-t 5-3 70-60 3-6 2/3 of t

50-100 2 0-t/2 5-3 70-60 3-6 1/3 of t

t/2-t 5-3 60-45 6-12 5/6 of t; or t for 　　　≤　45°)

100-200 3 0-t/3 5-3 70-60 3-6 2/9 of t

t/3-2t/3 5-3 60-45 6-12 5/9 of t

2/3t-t 5-2 60-45 6-20 8/9 of t; or t for 　　　≤　45°)

200-300 4 0-t/4 5-3 70-60 3-6 1.12 of t

t/4-t/2 5-3 60-45 6-12 5/12 of t

t/2-3t/4 5-2 60-45 6-20 8/12 of t

3t/4-t 3-1 50-40 10-20 11/12 of t; or t for 　　　≤　45°)

为了验证波束的发散范围及相关的检测能力，可以设计一个简单试验。在

25mm 厚的板上开一个高 1.5mm~2mm 的小裂缝（或者，在一块厚板上加工一

个小横孔），TOFD 探头对在板的另一面对称放置在裂缝的两侧。探头对沿着垂

直于裂缝的方向运动（固定 PCS 的平行扫查），直到检不出裂缝，此时，可以

比较检测到的信号峰值和谷值对应的发射探头声束出射位置，测试探头的波束发

散情况。这样的测试值与探头的下降 20-24dB 的扩散角计算值相近。计算 TOFD 探

头的扩散角时，可以先将楔块材料参数代入标准公式，计算得到半扩散角，这是

楔块内的斜入射半扩散角。从探头晶片中心到检测材料(如钢或者铝)和楔块的界

面，以半扩散角画出波束射线，然后应用 Snell 定律。通常使用三条波束，即中

心线、上半部波束和下半部波束，如图 4-4 所示。

图 4-4 TOFD 远表面检测能力验证

25.00mm

-21.85mm 35.65mm

PCS57.50mm

Probe 1 探头 1

Probe 1探头 1

1.33mm

7.19mm6 6 . 4 % 1 6 .5 9 mm



晶片直径为 6mm、频率为 5MHz、标称折射角为 60°的探头，表示其检测

极限的偏移量约为 7mm。对 TOFD，用楔块的声束出射点作为参考点设置探头

间距。探头中心距离简称为 PCS，用作布置探头的度量参数。如前所述，虽然

只有一个探头用于发射，但可同时绘制发射探头和接收探头对应于标称折射角的

中心线，它们形成交叉点。这即是上述表 4-1 中提及的“波束交叉”。图 4-4 中，

上半部波束边缘实际是看不见的，但可以认为检测到了直通波。对于发散较小的

探头来说（例如相同条件下的 10MHz 探头），通过对近表面横孔的检测可以评

估上半部波束，如图 4-5 所示。

25.00mm

66.4%16.59m

m

图 4-5 TOFD 波束覆盖能力验证

波束评估（用于确定覆盖范围）其实是上文提到的校准试块和机械加工目标

反射体的功能之一（还有灵敏度设置）。但是，简单绘制波束发散的边界来验证覆盖范围不保证检测效果，还要进一

步考虑声压随角度的变化。当中心线的坡口角度约为 120°时，可获得大的衍

射能量，这是基于垂直裂缝的衍射理论。EN583-6 表明，在该角度-35°至+45°的工作区域内，仍然可以产生有用的信号。这表示对垂直裂缝，有效入射角度约

为 8°~38°。然而，38°为纵波能量几乎完全损失的临界入射角。因此，依赖

于这个角度范围(35°~40°)的检测应当避免。除了发射波束的声压下降之外，还需要进一步分析声压分布。图 4-6 显示了

探头发出的脉冲波入射到纵向裂纹的情形，图中给出了大部分波束如何发生镜面

反射，以及反射波从裂纹面辐射出时的指向性，它包括旁瓣。图中的圆环表示裂

纹尖端的衍射信号，这些衍射圆环也有指向性。这些声压分布的精确性质在

Charlesworth 和 Temple 书中的附录中有描述。



图 4-6 衍射指向性

下图是纵波入射到倾斜面状裂纹时声压强度的色度图。脉冲波从图中的顶部

向底部传播，刚刚到达底部。图中，长箭头指向裂纹上尖端衍射信号的强方向，

短箭头指向裂纹下尖端衍射信号的强方向，两个箭头的角度不完全相等。衍射

的指向性取决于许多因素，包括探头频率、缺陷尺寸和缺陷的走向（模型图片

由卡塞尔大学的超声波无损检测 EFIT 模拟实验室的 Marklein 教授提供）。 Martinez 等人也做过类似的指向性评估，给出了如图 4-7 所示的倾角效应，

其中入射角超过 40°以后振幅衰减了大约 25dB。

图 4-7 倾角效应的衍射指向性

竖直方向的裂纹衍射波

镜面反射波



TOFD 波幅与倾斜角度 (摘自奥氏体不锈钢焊缝检测的TOFD技术资格认证，Rafael MARTINEZ-OÑA, Tecnatom, San Sebastián de los Reyes (Madrid), Spain, Sylvain VIGGIANIELLO, Alexandre BLEUZE, Metalscan, Saint-Rémy, France; ECNDT 2006)

现在，TOFD 设置的折衷要求开始显现。为获得大的体积覆盖，要使用大

的探头间距；分辨裂纹上下尖端距离的优探头间距是传播距离差大，此时探

头间小；考虑到缺陷衍射信号检测需要大的衍射声压，设置的 PCS 值要使

探头波束轴线与裂缝的坡口角度为 120°。表 4-1 的推荐值说明波束交叉点在分区厚度的 2/3 处，这将得到近 120°的

坡口角度。由于同时获得合适的覆盖率、分辨率和信号振幅需要折衷考虑，因此

应以表 4-1 作为指导确定准确的角度及 PCS，优的参数组合要根据具体应用

确定。如前所述，使用的精确角度通常不是临界角，也没有偏差或偏差范围在

5°以内。在某些条件下，如表 4-1 中所列，尽管一对探头可以足够完成所有检测的需

求，但操作者仍然决定使用多组探头和多个 PCS，以改善波束覆盖率和分辨率，

这可能需要多次扫查。

4.3 焊缝检测模型—扫描方案

几乎所有的国内外标准都要求包括对检测试件体积覆盖的描述。根据不同工

业领域使用术语的习惯，体积覆盖有不同的叫法，有“扫描方案”，扫描技术，

用法说明或者工艺规程。对使用固定角度单个晶片的脉冲—回波法，确定扫描方

案相对简单，通常用一张“草图”就足够给出覆盖焊缝和热影响区的探头运动。为保证 TOFD 的体积覆盖，在研究喷管和复杂的波束发散时，要处理复杂的

三维问题，人们发现利用计算机辅助绘图会非常方便快捷，已经开发的技术有：电子数据表格简易光线追踪复杂光线追踪有限元模型因为 TOFD 的多个参数需要多次折衷处理，所以复杂光线追踪和有限元模型

没有多大用处。在大多数 TOFD 应用中，数据表模型和简单光线追踪模型已经证

明是足够的。除此之外，由于 TOFD 设置总是要用标准试块进行验证，所以需要

耗费很多时间建立完整扫描方案的模型并不切合实际。 4.3.1 简单光线追踪模型

本章节前面指出，TOFD 设置中考虑波束发散因素是必要的。通常，需要校

准和验证试块检验覆盖范围，但设计工艺的操作者必须首先确定满足应用的合适

试块参数。尽管可以通过波束发散方程的理论计算和对边界射线应用 Snell 定律解决问

题，但使用铅笔、尺子和纸往往是乏味的。当需要对 PCS 或角度进行微调时，

这也非常“不方便”。幸运的是，现在计算机使这些问题的解决容易多了。CAD 和其它绘图软件

能够提供设计探头的射线路径并在构件断面上移动探头的方法。



在购买探头和楔块之前，仍需要计算和调整超声波参数以提高声束覆盖率，

但是，即使这个过程目前也可以通过专门软件来处理。 Eclipse Scientific 的 ESBeam Tool 软件和 Sonovation 公司的 ScanPlan 已经

具备零件设计、选择佳楔块角度和探头，以及在工件上放置探头来估计覆盖范

围达到预想效果的能力。这些软件甚至可以设计使用不同 PCS 的多通道 TOFD 设置，详见图 4-8。为了达到规范要求及上述技术细节，要将有关探头、扫查采样率（例如每毫

米采样一次）、校准、显示范围等的详细参数列表添加到图像上，图像上同时显

示角度、体积覆盖和扫查的方向。图 4-8 描述使用多组探头检测 100mm 厚板的情况。使用直径 3mm、 10MHz、

70°的探头检测上端 15mm 内的区域；使用直径 6mm、5MHz、60°的探头检

测 12mm 到 70mm 的区域；使用直径 6mm、4MHz、50°的探头检测 50-100mm区域。可以看到，探头对称放置在焊缝两侧，但是需要偏置探头对 2 和探头对 3（检测中间区域和深区域）以保证探头放置不重叠。探头对 2 或 3 放在探头对

1 后面，这样可以减少扫查器沿焊缝方向的长度。一旦放在实际位置上，即使对于为上面 15mm 处配置的探头都要仔细监控。

技术设计允许焊接几何上有些误差，比如说焊帽宽度，但是这些在生产中经常控

制得不是很好，所以设置参数时需要进行微调。

100.00mm

12.1%12.07m

m

50.1%50.11m

m

83.9%83.91m

m

150.00mm

-33.16mm 33.16mm

PCS66.32mm

Probe 1 Probe 1

-86.84mm 86.84mm

PCS173.68mm

Probe 2 Probe 2

-100.00mm 100.00mm

PCS200.00mm

Probe 3 Probe 3

图 4-8 TOFD 简单光线追踪模型

4.3.2 基于电子表格的基本光束模拟 RD Tech 早期提供了一款电脑辅助软件，用于模拟估计 TOFD 覆盖范围。它

用常见的电子表格特性来绘制焊接横截面和基于波束发散的透射波。在图 4-9 的



例子中，在表格中输入参数，经过程序计算后近似模拟了预定义探头的波束覆盖

情况。在这个例子中，对 Snell 定律应用进行了简化，忽略了波在楔块中的扩散，

而是运用楔块相对于金属的等效传播路径进行修正，即将波束看作直接入射至金

属。

Probe type : MSW-QCGProbe frequency (fp) : 5.00 MHz.Material ultrasonic velocity (Cm) : 5.920 mm./µs.Wavelength (lambda) : 1.2 mm.Refracted angle (ra) : 60.0 degreesCrystal dimension inc. plane (di) : 6.0 mm.Crystal dimension inc. plane (dp) : 6.0 mm.Wedge velocity (Cw) : "plexi/rexolite" rexolite 2.330 mm./µs.Path in wedge (Pw) : 8.0 mm.Near field depth (dNF) : -0.5 mm.Opening angle inc. plane (theta_i) at : -12 dB. FF 40.4 degreesOpening angle perp. plane (theta_p) at : -12 dB. FF 21.1 degreesPulse width RF-signal (puw) : 0.30 µs.

Wall thickness (Wt) : 25.0 mm.Width of weld + HAZ : 45.0 mm.Radius of curvature (R) : "> 0 convex" mm.Weld type : CRC-typeWeld cap width : 18.0 mm.Root opening : 1.0 mm.Root height : 2.0 mm.Root angle : 37.0 degreesNose height : 1.1 mm.HP height : 5.0 mm.HP angle : 45.0 degreesOpening angle : 10.0 degrees

Depth of beam intersection (dbi) : 66.6 %DProbe separation (PCS) : 57.7 mm.Sampling frequency "recommended" (fs) : > 25 MHz.Total probe delay "calculated" (tp) : 6.87 µs.Arrival time lateral wave "calculated" (tlat) : 16.61 µs.Arrival time backwall echo "calculated" (tbw) : 19.76 µs.Probe frequency parameter "ideally > 25" : 16Near surface dead zone, up to : 7.21 mm.Far surface dead zone, starting from : 23.62 mm.Spatial resolution "non-parallel, 6 dB. drop" (res_p) : 4.76 mm.

PROBES

COMPONENT

TOFD CONFIGURATION

图 4-9 TOFD 检测中的电子数据表

4.3.3 TOFD 参数汇总

任何用 TOFD 技术的检测通常都会要求出具一份书面报告，其中需要包含检

测中的详细参数。有些规范及技术要求非常详尽地指出了报告所需的参数信息。

例如，EN14751 可以直接用于公司的操作指南，这大大减少了在检测工作前期的

文字准备过程。但并不是所有的检测应用都能利用 EN14751，所以在一些程度上，检测前期

文件准备工作是必要的，书面操作指南应该包含以下条目： • 范围( 项目的详述)；

• 参考文献（规范，标准，项目具体说明书）；

• 人员资质；

• TOFD检测目的及范围；

• 检测级别，例如是否要求书面检测指导，是否需要参考试块；

• 参考试块的信息（如果检测需要参考试块）；

• 执行检测时生产状态；

PROBES : MSW-QCG / 5.00 MHz. / 60°L / PCS = 58 mm

-3.9

-16.7

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

X-axis (mm.)

Z-ax

is (m

m.)

探头类型

探头频率

超声在材料中的波速

波长

折射角

晶体尺寸（di）？

楔块中波速：有机玻璃/?

楔块中波的路径

近场区深度

开放角？

射频信号脉冲宽度

壁厚

焊接热影响区及焊缝宽度

曲率半径

焊接类型

焊帽宽度

根部宽度？

根部高度

根部角度

突出高度

坡口角度

波束聚焦深度

探头中心距离

采样频率推荐值

探头延迟总时间

直通波到达时间

底波到达时间

探头理想频率参数

近表面盲区

远表面盲区起始位置

空间分辨率（非平行，6分贝，衰减）

探头参数表

检测区域参数描述表

TOFD 检测参数配置表



• 表面条件和温度要求；

• 报告要求；

• 验收准则；

• 人员资质；

• 仪器说明；

• 探头设置（探头中心间距）；

• 扫描机制；

• 耦合剂；

• 检测面积；

• 扫描增量；

• 验证灵敏度方法（校准材料和标准反射体）；

• 闸门（时间窗口）；

• 检验间隔（影响灵敏度）；

• 检测标准；

• 定量手段；

• 图像品质因数（比如数据丢失等）；

• 报告要求；



5 TOFD 检测深度，振铃时间问题和误差在第二章中，我们简单地介绍了由于信号振铃时间效应在直通波中发生信号

丢失的现象。这是 TOFD（时差衍射法）局限性之一。大多数 TOFD 技术的使用

者对于在检测面附近发生的信息缺失都很熟悉。有时也会称之为直通波的盲区。

因此它会产生的结果是：所使用探头的脉冲信号振铃时间会在近表面区域妨碍缺

陷的分辨。尽管如此，一些 TOFD 使用者似乎没有意识到在表面之下每一个衍射界面

都会出现相同的影响，甚至对底面反射也会造成同样的影响。 EN-583-6 标准中对于上两段提到的三个“盲区”进行了精确的定义。当没

有根据楔块角度变化对深度进行修正时，我们假定缺陷指示是在 PCS 的中点处，

这样的近似可满足大部分应用。当 TOFD 技术与基于验收标准的断裂力学结合使用时，TOFD 分辨能力的

评估是需考虑的重要相关因素之一。当使用 TOFD 去估计缺陷尺寸（高度）时，

小可分辨缺陷与 PCS、探头频率，阻尼大小和表面下缺陷深度有关。不理解

这些影响因素会造成对系统能力的严重高估。没有理解这点会导致期望超出 TOFD 能力。例如，某大公司的一个具体应

用，要求对接近 40 毫米厚的关键部件内表面缺陷达到极高的定量能力。小的

（<0.5 毫米高度）表面开口缺陷是非常重要的，同时认为 TOFD 是对该表面上

对任何缺陷同时具有“检测”和“定量”能力的有效方法。这是基于以下假设

得到的：假设通过较好的时间分辨率使在底面附近范围缺陷可以被定量和检测。

这种假设乐观地忽视了信号振铃时间的限制。甚至在使用一个 10MHZ，45 度纵

波探头时，对于小于 0.5 毫米的检测和尺寸测量能力都不太可能实现。

5.1 深度和信号振铃时间的计算

图 5-1 TOFD 的深度-时间关系

( )0

22

22

tc

dSt •+

+•=



S S

d

LW BW

t0 t0

Initial pulse-始脉冲

t

( ) 220

2

22

Sttcd −−•⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=



对于三个盲区的计算源自简单的三角方程。图 5-1 说明了基本布局和相关的

A 扫描图像。假定超声能量进入和离开试块时都是在探头的出射点处。当假定一

个缺陷位于两探头中间时，缺陷深度“d”按如下计算：

( ) 220

2

22


⎜⎝⎛=

C 是声速，t 是在金属内的传播时间，t0在楔块中的传播时间，S 是探头之间距

离的一半。对下尖端信号进行简单的计算就可以确定缺陷的高度。这可以从 5-2 图中看

出。

图 5-2 从 TOFD 中得出的缺陷高度

深度 d2 是用计算上尖端信号的公式计算得到的下尖端信号，所以我们只需

将两个深度相减就可以得出缺陷的高度。于是我们得出： 12 ddh −=，相同的

参数可以用来计算在 TOFD 检测法中分辨率的极限。将直通波看作一个脉冲。

根据脉冲的频率，直通波脉冲有一定的时间宽度。这个脉冲的起始点被认作是入

射点或者零深度位置。因此，1 个周期（或 1.5 个周期）所用的时间看作直通波

时间，该脉冲的持续时间对应一定的试块深度范围。如图 5-3 所示。

图 5-3 直通波的脉冲持续时间

要计算试块的等效深度我们只需利用毕达哥拉斯（Pythagorean’s）定理，

运用声速和脉冲持续时间来确定直通波传播的等效距离（需要实际测量从发射器

到接收器之间的整个距离，取该距离的一半。）检测面的信号振铃时间通过脉冲持续时间定义。

其中 :

tp是在振幅达到大值的10%以上时脉冲持续时间

S 是 PCS 的一半 C 是在此模式下的声速

从公式中我们可以看出，通过减少 PCS 或使用脉冲持续时间较短的探头（某

些情况下使用更大的角度）可以缩小直通波的盲区。底面波信号是另一种信息丢失的情况，它也是由于脉冲信号振铃时间造成

的。尽管如此，由于在底面反射的角度较小，则在相同时间内的等效深度也就较

tp



2S

d1

d2



短。用于计算底面盲区的公式是：包括脉冲振荡时间的反射波等效深度减去实际

工件厚度。靠近底面的信号振铃时间等效深度用如下公式计算：

WSttc

D pwdw −−

+= 2

22

4)(

其中 tw是底面波时间； W 是工件厚度；

通过减少 PCS 或使用脉冲持续时间较短的探头可以缩小底面盲区。（某些

情况下采用更小的角度）空间分辨率定义了一种区分上下尖端信号的能力。（在直通波与底波之间）

dSttc

R pd −−+

= 222

4)(

其中：tp是声波脉冲的时间长度； td是在深度 d 时的渡越时间；

深度增加的同时分辨率也随之增加，同时也可以通过减小两探头距离和声波

脉冲的长度来改善分辨率。如果缺陷位置小于信号振铃时间计算出的深度，那将

无法对缺陷尺寸在 TOFD 原理基础上进行估算，因为它远远小于信号振铃时间

的等效深度。

图 5-4 TOFD 缺陷分辨率

对于大部分的 TOFD 探头来说都是宽频带的，在激发的 1 个周期或 1.5 个

周期中具有较短的脉冲持续时间。由于这些只是在理想状况下的近似，因此只用

来作为一种参考。下面给出一个工作实例。表 5-1 中举例说明了一个 32 毫米厚的工件中测试

的参数（黄色）和计算值（绿色）。用户需要通过确定缺陷定位的深度来计算深

度分辨率。在这个例子中表 5-1 显示的缺陷深度是 12 毫米。表 5-1 盲区实例

盲区计算输入值声速 5.9 mm/μ

sec PCS 100 mm

频率 7 MHz

工件厚度 32 mm

空间分辨率深度 12 mm

（计算值）

振铃时间=1.5 倍周期 0.214 μsec

底面回波声程 118.7 mm

底面回波时间 20.1 μsec

缺陷尖端回波声程 102.8 mm

缺陷尖端回波时间 17.4 μsec

直通波振铃长度 8.0 mm

底面盲区 1.2 mm

tptd



空间分辨率 2.5 mm

涉及公式

直通波：

底面盲区：

空间分辨率：

提供一种简单的绘图方法作为测量分辨率极限的辅助工具。图 5-5 显示了表

5-1 中所定义的设置。三个信号振铃时间通过不同彩线对应到左边刻度。红线表

示直通波盲区，黄线表示一个缺陷在特定深度时预期的分辨率（即能观察到分离

的上下尖端信号所需要的小缺陷高度），蓝线表示在反面位置，一个缺陷能够

被有效检测到（从底面反射波中分离出来）的小高度。检测面和底面的盲区在ESBeam 图像和旧的RD tech.显示图中也进行了计

算和显示（如图 4-4,4-5 和 4-8，4-9）。在图 5-6 中的几幅图里可以用来验证之前的计算。这个是对 32 毫米厚的焊

接部分的扫描图，它使用的是 7 兆赫兹，100 毫米 PCS 的探头。

图 5-5 TOFD 信号振铃时间分辨极限

5.2 缺陷位置误差

由于在上面方程式中主要参数的不确定性，所以在深度计算上可能存在误

差。这些不确定性因素指的是：时间，声速，PCS 和缺陷的横向位置（即在发

射探头和接收探头之间的缺陷的准确位置）。这些不确定因素可以合理地取近似

值，而在深度中潜在的误差所形成的结果也可以被量化。

5.3 Timing Error 响应时间误差



产生时间误差的原因是：为了能将数据显示在电脑上，于是将时间基准数字

化。产生时间误差主要是由于数字化造成的。对于 100 兆赫兹 ADC 的误差要加

上或减去一个样本间隔，或 10 ns。对于 50 兆赫兹的误差则增加至±20 ns。由于时间不准确而造成的深度误差由下式计算得出：δd = c δt [d2 + S2]½/2d，

“c”表示声速，“d”表示缺陷深度，δt 是时间不确定度，“S”是 PCS 的一

半。那么将不确定的时间代入公式计算，也就会引起深度计算的误差。在图 5 - 6 中我们使用的参数是在假定 16 毫米的深度，50MHz 数字化比率

时估计的深度误差，它将产生一个 0.2 毫米的不确定深度。

图 5-6 对 TOFD 盲区计算的确认

5.4 声速误差

声速是另一种不确定因素。大多数用户都假设声音在钢铁中以纵波形式的传

播速度为 5920 米/秒。事实上，声速会因合金，旋转条件和铸造条件而变化。甚

至基本的低碳钢合金中也会在 5800 米/秒到 6100 米/秒甚至更高的范围内变化。

这会因为一些钢的各向异性而变得更加复杂。这表明声速会因为方向的改变而改

变（例如，一个在 30 度折射角观察到的速度，当折射角变为 70 度是会得到一

个不同的速度）。甚至当评定相对准确的情况下，还是会有一些不确定性，仍然

可能存在±30 米/秒的误差。由于声速误差而引起的深度计算误差效应可由下式计算得出：

δd = δc[d2 + S2 - S(d2 + S2)½]/cd “c”是声速，“d”是缺陷深度，δc 是声速的不确定因子，“S”是 PCS 的一

半。在图 5-6 举得例子中，如果在深度计算中使用的参数是在假定 5920 米/秒的

声速会有一个 50 米/秒的误差，那么它造成的结果是假定的 16 毫米的深度会产

生一个 0.07 毫米的不确定深度。尽管在一个试块中不同角度会导致不同声速，但是不会对 TOFD 有很大影

响。材料的传播速度可以很容易的通过超声设备中的脉冲回波模式的一个零度的

探头而确定。通过以下方法精确测量声速：通过游标卡尺精确测量试样厚度，并

基于 100MHZ 的数字化频率，在脉冲回波模式下取得底面波和二次底面回波。

波速计算如下：

V dt

=2

其中: v 是指速度，d 是指样本的厚度（人工测得），t 是指时间间隔（脉冲

回波测得）使用这些简单的工具可以得到+/-0.01 毫米的厚度误差和+/-0.01 微秒

的时间误差。从而提供+/-50 米/秒的速度误差。



5.5 PCS 误差

探头中心距是一个设定的绝对值。尽管如此，它通常在探头下设置滑尺和一

列简单的出射点尺标。视差也是其中一种真实值取整的误差源。另一种误差源自

扫描过程中。安装在支架上的探头通常会因为机械弹性而产生一些微小的移动。

这种移动会产生两种形式：靠近或远离（尤其在焊帽较大时），另一种是偏移（一

个探头的中心线没有与对面的探头形成一条直线），发生偏移可能是因为表面粗

糙或者机械的后坐力造成，因为一对探头在沿焊接面滑动时会造成其中的一个探

头略微的在另一个探头的之前或之后。这些效果会从弯曲的直通波中显示出来。由于 PCS 的变化而造成深度计算误差按下式计算：

δd = δS[(d2 + S2)½ - S]/d 在这里，只有深度计算和 PCS 涉及到误差的校准。在这个等式里，“d”表示缺

陷深度，δS 是在不同 PCS 中的误差，S 是指 PCS 的一半。使用图 5-6 中例子的参数，在深度计算中假定是 100 毫米的话可能会有 1

毫米的变化量，这将产生的结果是在假定为 16 毫米深度位置会有 0.14 毫米的不

确定量。这个参数还是会对结果产生很明显的影响。机械弹性造成的 3-4 毫米的

变化并不常见。缺陷深度的不同很容易形成 1 毫米或更大的深度变化。

5.6 横向位置误差

我们讨论的上一种误差是由于在探头之间缺陷准确位置的不确定性造成的，

这被称为“横向位置不确定量”。这个横向不确定量用符号δy 表示，从图 5-7 中可以看出，它是在探头出射

点之间从实际缺陷位置到理论中心线的距离。

图 5-7 缺陷位置的横向不确定量

代入横向不确定量的深度计算误差公式计算如下： δd = (c2t2 - 4S2)½ (δy2/c2t2)/(1 - 4δy2/c2t2)½

在焊缝检测中，对于缺陷偏离焊缝中心线的距离有一些实际的限制。通常它不会

远于热影响区范围。对于在图 5-6 中的例子，对于一个到焊接中心线 10 毫米位

置的缺陷而言，在测量深度 16 毫米位置的缺陷深度误差为 0.25 毫米。

5.7 恒时轨迹


Receiver接收探头

S S

d

t0 t0

y



与横向不确定量相关的一个概念称为“恒时轨迹”。对于一个给定的深度，

当缺陷在发射器和接收器正中间时，声音传播从发射器到缺陷尖端再到接收器所

用的时间是短的。然而由于横向位置的不确定性，时间 t 的值可能是其他传播

路径所用时间的和 t = t1 +t2（如图 5-8 所示）。t1和 t2分别是发射器到缺陷尖端

和缺陷尖端到接收器所用的时间。图 5-8 表示有一个焦点在探头声束发射处与接收处的“恒时”半椭圆轨迹，

这表明，理论上讲，在给定时间间隔内，从 A扫信号中发现的一个缺陷可能来源

于该轨迹上的任意一点。然而，对这一系列点实际上是有一个界限的，只有缺陷

处于探头有限声束截面内才能被探测到，这就限制了可能有侧向（横向）位置偏

移的缺陷的检出。图 5-8 阴影部分表示的就是可检出缺陷的有限声束区域。

当缺陷刚好处于接收探头和发射探头连线中点下方式，该缺陷有一个大估算

深度，如果缺陷偏向（焊缝）的一侧，那它的实际深度将会稍稍减小一些（用横

向不确定等式进行深度误差评估计算得来）。

图 5-8 恒时轨迹

这一理论中的实际检测效果与平行扫查在 TOFD 技术中的应用有关。由于缺

陷横向位置的不确定性，仅仅依靠非平行扫查对于我们评估缺陷的实际深度是很

困难的，所以，配合平行扫查对于缺陷深度的评估是很有必要的。操作人员用

非平行扫查给缺陷（初步）定位后，可将（探头对的一个）探头置于缺陷上方，

在偏移探头让发射探头的发射点或接收探头的接收点处于焊缝中心线上（如果焊

缝余高未去除，这样的偏移就会受限）。如果需要按照位置采集数据则编码器

需要旋转 90°，或者可以采用 free-running 模式进行采集（相对精确的时基位

置数据采集）。之后操作人员就可垂直地移动探头，使另一个探头的中心位于焊

缝中线上。

结果就是当声束扫过缺陷时出现弧形显示图像，弧线上时间短点（弧线尖

端处）与交叉扫查（跨式扫查）时缺陷与两探头等距时的情况相符合。图 5-9

中左图表示平行扫查的运动方向和可能出现的显示图像；右图表示平行扫查时，

高度范围从 0.5mm-5mm 工件另一侧的五个槽所形成的 B扫图像。

Transmitter Receiver

t2t1

Constant time Locus恒时轨迹 (t1+t2=constant) （t1+t2=常数）

dmin dmax



Figure 5-9 平行扫查弧线

(图片来源 COFREND, France – Journées Cofrend 2005) 工件内部小缺陷的高度估计误差是可以忽略的，操作者应该注意的是处于焊

缝下表面的小缺陷。“恒时”轨迹可以解决由于脉冲宽度引起的盲区，甚至自身

高度较高的较大缺陷也会因为离两探头连线中心点较远而难于发现甚至漏检。增

大探头中心距和偏置扫查可以部分地解决焊缝底部的这一问题。偏置扫查就是探

头连线中点不在焊缝中心线上的非平行扫查。

5.8 耦合层厚度—不应有的误差理由

BS-7706 中指出的另一个深度评估误差来源是耦合层厚度变化。尽管 TOFD

检测存在采用水浸法的可能性但大多数实际工程还是采用接触法检测，耦合层厚

度也不应成为接触法的顾虑，事实上，耦合楔块和试件间间隙应该保持在一个

小值（即 0mm 或无间隙），操作者可以以损失 TOFD 技术分辨率水平为代价调整

防磨螺钉或者其他间隙控制装置来进行上述操作。折射楔块和试件间的间隙导致

部分声波被反射进耦合剂里，结果造成了二次波直射的和耦合剂多重入射脉冲进

入试件。其影响取决于频率，但一般会有大于 0.1mm 的间隙（大约一张纸的厚度），

所以会产生一个干扰的多重横波。

考虑到（耦合剂）滴涂不均（表面打磨后的混合区）的影响，造成局部耦合

层变厚，以下是一个纠正公式：

δd =δw·v·d/(4c(d2+ S

2 )

1/2),

其中δw是耦合层厚度变化值，v为耦合剂声速，利用图 5-6 所示例子中的参数，

计算假定试样深度为 16mm，1mm 水偶合层的情况下，可能导致的误差大约为

0.01mm.

5.9 频率成分影响

当我们描述 TOFD 技术的分辨率局限性时，一个因素有时会被忽略，那就是

声束的轴偏移部分频率下降带来的影响。要切记的是 TOFD 技术使用的是“宽频

带”换能器，短脉冲会导致宽频谱分量。

一个 TOFD 探头通常应有一个 80%或者更大的带宽，带宽通过观察脉冲的频

率范围来决定，由以下公式确定：BW=[(fu-fl)/fc]*100,其中 fu 是-6dB 带宽的

高端频率，fl 为-6dB 带宽的低端频率，fc 为频率的中心频率。



图 5-10 表示的是窄带宽换能器（上图）和宽带宽换能器（下图）的频率分布

因为探头在其脉冲范围内有不止一个频率分量，但每个频率分量的衍射方式

都必须遵循衍射法则。这表明，从同一个探头孔径（探头晶片直径）发出脉冲声

束的低频部分发散程度比高频部分要大。

图 5-11 可看到从一个宽带探头中发出一定频率范围的声束发散开来的变化

效果，5-11 中使用的是一个标称 5MHz 的探头，其频率范围为 2-10MHz，其中 2MHz

频率分量产生了宽的发散角度（2-4MHz 部分形成了横波），而 10MHz 分量只

是围绕声束中心线发散了很小的角度。

Figure 5-11 频率成分差异

证实这一说法的一个应用就是使用标称 5MHz 探头对直通波和底面回波信号

进行快速傅里叶变换，图 5-12 表示的就是这一应用，其中分析的信号中直通波

和底面波的中心频率分别为 1.9MHz 和 3.3MHz，这和图 5-11 用的是近似的模型。

造成这一结果的原因称为“频散”。



Lateral Wave centre frequency 1.9MHz Backwall centre frequency 3.3MHz 直通波中心频率 1.9MHz 底面反射波中心频率 3.3MHz

Figure 5-12 频率成分差异



6 TOFD 数据显示和分析 TOFD 系统一般与电脑控制系统一起使用，其设置过程分为三个阶段：

超声设置数据采集结果分析软件菜单在设置界面中为操作人员提供了控制探头参数设置的选项和近乎

实时的数据采集显示设置，随后对数据进行分析，对其中的信号显示进行识别、

定位和定量。

6.1 超声设置选项

TOFD 技术设置菜单选项大多数情况是进行超声参数设置，所以这些选项均

与 A 扫描相关。

图 6-1 TOFD A 扫描图像和菜单

(图片来源 AGR)

图 6-1 是一个典型的 A 扫描和探头参数设置菜单。由于 TOFD 技术是基于

标准的一发一收系统的，一般来说菜单中部分功能与 TOFD 应用无关。DAC、TCG

和一些闸门相关的参数虽然可以进行设置，但与 TOFD 应用无关。图 6-1 所示设置界面中的参数在表 6-1 中给出了具体描述。

表 6-1

Menu Item 描述 Prb Del 显示通道的探头延时 Velocity 该处所示为所选通道预先设置的超声波声速

Gain 即为所选通道的增益设置 Ch Ch 为显示 A 扫描的通道数。该值可通过鼠标左键点击数字右侧的

上下箭头来修改，或者使用键盘上下箭头按键。 TX 发射晶片数. RX 接收晶片数.

Start A 扫图中左侧的时间。拖动 A 扫图的左/右可改变该值，也可用键

盘输入该值（输入后必须按 Enter 键确认），或者用上/下箭头按

钮。Shift 键可以和上/下键结合使用来加快速度。按住鼠标左键向

左/右拖动。 Zoom 控制 A 扫窗口中显示的数据总数。可用值包括 1:1, x2, x3, x4, x5,



x6, and FULL。 DAC view 该项控制 A 扫中 DAC 曲线的显示。（只用于脉冲回波通道）

Show 激活峰值捕捉闸门和实时幅值，范围&深度读数对话框。 Cursors 点击该按钮打开指针控制对话框。 Persist 在 A 扫中激活一个彩色的辅助线功能，当 A 扫描峰值移走后仍可

在屏幕上显示移走前的波形。 80 设置垂直范围为满屏的 80%，用-6 dB 法。

400 设置可见范围至 400%。 +2dB / -2dB

增加/减少增益，每步 2dB。

6.2 数据采集选项数据采集菜单中的内容一般设计探头与扫查器的配置方式，基于配置信息操

作人员才能对采集的数据进行分析。根据设备生产厂商不同，参数设置和数据采

集选项没有固定的区分模式，部分参数可能被某一公司归为超声设置参数，而别

的公司则把它与数据采集选项放在一组。菜单界面中其它控制选项包括： a) 脉冲参数（电压和脉冲宽度） b) 数字化频率（典型参数为 25、50 和 100MHz，其它可能略高或略低） c) 采样位数（标准参数为 8、10 和 12 位，但对于部分设备该参数是固定

为其中一种，不能调整） d) 滤波器 e) 数据平均 f) 数据压缩 g) 设备脉冲重复频率菜单的显示方法一般为窗口和标签。图 6-2 所示是图 6-1 中 A 扫描图像所采

用的硬件参数设置。打开“通道”标签就可以看到图中所示硬件参数选项。

图 6-2 TOFD 数据采集菜单

(图片来源 AGR)



对于 TOFD 应用所需参数还需包括探头及待测件信息。除常规超声参数外，

探头信息还包括：探头中心距、入射角度和中心声束交点深度（这里指的是发射

和接收探头中心声束交点在试样中的深度）。待测件信息包括声速、超声波类型

（纵波或横波）、厚度、曲率（用于内径或外径检测的数据校正）和扫查方式（平

行扫查或非平行扫查）。图 6-3 中给出了部分探头信息和其它信息选项录入的例

子。

图 6-3 TOFD 探头和带测件信息录入目录

(图片来源 AGR)

与数据采集信息相关的还有扫查器参数信息。通过扫查器信息应能够判断扫

查方向、扫查长度、编码器精度和采样间隔（例如：A 扫描数据每 1mm 或 0.5mm采集一次）、数据采集过程中的显示界面。图 6-4 是扫查器设置的一个例子：在

扫查器设置窗口中，一个标签下所包含的扫查器信息录入选项。一些设备生产商可能在这个窗口中提供数据采集的“Free run”模式选项。

在“Free run”模式下数据采集将由内部时钟触发，通过确定的时间间隔显示 A扫描信号的变化（例如每秒 5 次采样）。

图 6-4 TOFD 扫查器信息录入目录

(图片来源 AGR)



一旦完成所有参数的录入，一般将该设置保存为“设置文件”。这样做是为

了确保一旦发现设置错误或参数设置不合适，只需要改动设置中的必要部分，而

不需要重新设置和在每个选项中重新录入参数。当操作者完成设置后即可进行扫查。只需通过在软件中点“开始”功能按钮

就可开始数据采集，此时电脑将处于采集闸门区域 A 扫数据的模式下。扫查过

程可以通过手动停止，或达到输入的扫查距离时自动停止，或在“Free-run”模

式下超过时间长度。在数据采集过程中经常会显示扫查图像。对于多种应用通过同一设置显示是

不合适的。操作者需要决定对于目前的应用什么视图是合适的。总体来说，对

于单通道的 TOFD 基本的 B 扫描显示就足够了。然而，一些应用可能需要多个

TOFD 通道（可能还有脉冲回波通道）。将所有扫查都在显示器上同时显示是不

合适的。采用多视图显示时，显示器上显示的各视图间需要相互适应，将会导致

单个 B 扫描图像分辨率的下降。对于 TOFD（以及自动和半自动）扫查来说，

可靠的耦合是一个值得注意问题，所以好选择一个通道明显的显示直通波信

号。操作者可以通过监视直通波的波幅估计耦合效果（至少检测对应的探头对）。

如果在数据采集过程中出现问题可以停止检测并重新扫查。

6.3 数据分析选项当扫查完毕，操作者认为检测数据符合要求，该数据一般应保存为数据文件。

文件名应具有唯一性而且与项目内容相关。文件命名的要求并非没有意义，在大

型项目中将有大量的部件和焊缝进行检测，那么必须就有区分采集数据的方法。

如果焊缝长度很长需要分段扫查的话，区分将会更加复杂。在不同分段间应有区

域重叠，以保证没有漏检区域。通过将以检测的 TOFD 数据保存在电脑的指定位置，操作者可以通过分析

软件打开数据文件。在医疗行业每个制造商都要保证其软件数据可以被其它厂商

软件读出，但与医疗行业不同，工业无损检测的文件格式却不具有这样的通用性，

这就意味着一个系统产生的数据只能由该系统提供的分析软件读取。与数据采集界面类似，数据分析界面也按照现场应用和操作者的习惯布局。

数据显示选项很少。试图中一般包含 A 扫描视图或 B 扫描视图，通常情况下在

数据分析中两者都要被用到。操作者可以选择各视图的位置以及其方向。图 6-5 为一些 TOFD 显示的例子。虽然对于缺陷判断，A 扫描本身用处不大，

但为了分析信号的相位和时间特征，要求 TOFD 分析软件能够显示每个 B 扫描

图像中对应位置的 A 扫描信号。除了具备基本的 A 扫描和 B 扫描的显示功能，TOFD 分析软件需要具备信

号定量的一些功能。其中一些功能是必须的，而部分功能则属于高级功能。由于

高级功能不是必须的，因此并非所有的软件都具备，但这些功能十分方便。数据分析软件的必要功能包括：

a) 位置参考指针 b) 位置测量指针 c) 时间参考指针 d) 时间测量指针 e) 深度线性化算法

高级功能或增强功能中可能包含以下功能： a) 软增益



b) 调色板调整

(图片来源 AGR) (图片来源 Sonotron)

(图片来源 US Ultratek) (图片来源 ONDT)

(图片来源 ONDT – 多区域显示) Figure 6-5 TOFD 分析显示

图 6-5 显示所有制造商的产品中 TOFD 显示的选项都很类似。 a) 图像缩放 b) 直通波拉直 c) 直通波去除（或底面波去除） d) 合成孔径聚焦技术（SAFT） e) 抛物线指针 f) 直通波波幅均一化 g) 标记添加 h) 几何校正（圆柱、T 形等）

6.4 必要的 TOFD 数据分析功能

6.4.1 指针



TOFD 的 B 扫描图由波幅对应的灰度图构成，其中一轴为时间轴，另外一

轴为扫查距离。图像两个轴包含了缺陷在检测试件中所处位置的信息。扫查轴上

的位置表示从扫查起点开始到检测位置的距离。这是位置编码记录的优势。如果

没有已校准的编码器记录距离，就无法通过分析图像得到缺陷长度。基于已校准

的扫查距离记录，就可以判读图像中缺陷的起点和终点。当扫查是通过编码记录的，扫查轴指针与编码记录距离是关联的，扫查坐标

会在指针或视图的其它位置显示。此外，视图中一般还有一个参考指针和一个测

量指针。当 A 扫描显示作为数据分析视图的一部分时，参考指针所处位置就显

示了一个 A 扫描。图 6-6 显示了具有两个扫查轴指针的基本视图。参考指针（左侧）沿着扫

查轴的位置显示对应位置的 A 扫描信号（右侧）。在视图中，指针顶部有数字

读数显示沿着扫查轴的位置（读数分别为 62mm 和 95mm）。所以，水平轴就

是扫查轴，指针与其刻度相关联。

图 6-6 TOFD 扫查轴指针

图 6-6 中纵向刻度尺是时间轴（显示的时间单位是微秒）。距离表示深度，

A 扫描可以用来对波形相位进行精确判断。测量声程时需要保证测量波形中对应

的采样点（比如正向波峰，负向波峰以及过零点），在时间轴上需要有二个时间

指针。A 扫描中也应有对应设置。图 6-7 中视图与图 6-6 相同，但在 B 扫描和 A扫描中增加了时间指针，从而可以测量缺陷上下尖端的信号。

Figure 6-7 TOFD 时间轴指针

图 6-7 显示，时间参考指针处于直通波位置（16.6µs），时间测量指针处于

底面反射波位置（19.7µs）。时间参考指针定位于 A 扫描波形中的直通波大

波谷位置，同时时间测量指针定位于底面反射波的大波峰位置。在 A 扫描显

Reference Cursor-参考指针

Measurement Cursor-测量指针

Reference time cursor

Measurement time cursor



示中定位这些波峰、波谷位置比在 B 扫描试图中容易很多。通过相位判断缺陷

上下尖端、校正时间轴指针的程序与以上程序相同，可以用来测量缺陷深度和垂

直高度。 6.4.2 线性化算法对于分析软件的另一个必要要求是数据显示的线性化。在 17.4µs 位置看到

一个缺陷对于操作者和客户来讲毫无意义。只有当缺陷深度和缺陷高度以真实的

距离单位显示数据才有意义。因此，将 A 扫描中的时间转换为实际距离单位的

构成叫做线性化。

通过以下公式给出指示深度： ( ) 220

2

22


⎜⎝⎛=

有效求解计算深度的是毕达哥拉斯公式。由三个点确定一个直角三角形；探

头出射点，缺陷垂直投影点和缺陷深度点。三角形的一条直角边是探头中心矩的

一半（图 6-8 中的 S），斜边为声程 ctx（c 为声速，tx为声波传播到指定深度的

时间），深度表示为 dx。可以看出，深度由斜边平方减半探头中心矩平方的平

方根决定。由于探头中心距决定了三角形的基础，因此，基于不同声束传播路径

在 X 轴上的距离 S，可以计算 Y 轴（深度）范围。

S

Y

Xd1

d2

d3

ct1

c t2

ct3

图 6-8 深度与时间的非线性关系

这个过程可以基于采集的 A 扫描时基信号进行，或者不改变 A 扫描信号，

通过指针读数进行深度校准。当在图 6-6 和图 6-7 中采用指针进行线性化时，时

间参考指针可以看作在深度 0mm 的位置，而时间测量指针则定位于 25mm 的位

置（25mm 厚板）。在图 6-9 中显示。

图 6-9 TOFD 指针线性化

Non-linear scale 非线性标尺



图 6-10 TOFD 数据线性化

另一种选择是根据需要拉长 A 扫描，从而实现显示范围线性化。图 6-10 中

显示了线性化后的 B 扫描数据。该图中水平显示深度坐标，同时将直通波信号

拉长，其正向波峰位置设置为 0mm。两种方法都需要输入参考值。探头中心距的数值无论何种情况都需要输入。

在某些情况下可以使用参考信号。当检测对象厚度已知，检测平面设定为 0mm位置时，参考信号可以是直通波信号。在某些情况下，检测信号中没有直通波信

号，这时底面波信号可以作为参考信号。这时也可以输入已知的试件深度。另一

些情况（分区 TOFD 检测时，既没有直通波信号，也没有底面反射波信号）需

要输入探头中心矩、试件声速、楔块延时（声波在发射、接收楔块中的总时间），

用于 TOFD 数据或光标的线性化。这些步骤经常被简化为一个简单的数据输入

窗口，如 6-11 所示。

图 6-11 TOFD 数据线性化输入窗口

6.5 高级 TOFD 分析功能

如果我们所遇到的现场 TOFD 显示都和以上所示的图象一样明显，那么将

不需要 TOFD 分析的高级功能。但不幸的是，TOFD 受到多种因素的影响而导

致结果远没有那么理想。通过电脑我们对于数据分析过程作了很多改进功能。在

数据采集后，完成所有上述条款后，并不会改变原始数据。所有高级功能均可以

被应用，同时也不会对原始数据造成改变。大部分高级功能均为数据后处理。

6.5.1 软增益软增益将基于波幅的 dB 比（dB=20Log(A1/A2)）重新计算 A 扫描中每个时

间采样点的波幅。此增益将被应用于所有数据点的正向和负向的波幅。图 6-12

Linear depth scale 线性深度标尺



所示，左侧为扫查的原始数据，右侧为通过软增益减少 6dB 后的图像。要注意

对于饱和的波幅无法通过软增益减小，而始终显示为饱和。

图 6-12 软增益

6.5.2 调色板调整调色板调整有两种模式。一般是改变波幅等级对应的大灰度范围。这样可

以增强微小信号间的对比度。另一种模式，调色板可以被调整为其它颜色；但是，

如果调色板颜色过多，可能导致一些细节的丢失。图 6-13 所示是两种调色板模

式的例子。左侧是一对称的调整区域，+100% 和-100%信号分别对应灰度范围

中白和黑的区域。相邻的两个例子显示了对应白色和黑色的大值减小为

±60% 和±40%。右侧为另一种彩色调色板。

Grey Scale Palettes Colour Palettes 灰度调色板彩色调色板

图 6-13 调色板调整

6.5.3 缩放（缩小和放大）当扫查长度很长，B 扫描不能反映所有细节时，TOFD 图像的缩放就非常有

用了。检测焊缝时一般扫查两到三米的长度。在一个数据样本中，每毫米包括

2000 到 3000 个数据点。这些扫查需要在电脑显示器上显示。显示器的分辨率

由像素决定，典型分辨率为 1280x1024 或更少。技术整个显示器宽度（1280 像

素）可以显示 3000mm 扫查距离，没像素宽度需要显示超过 2.3mm 的扫查距离。

对于长距离 A 扫描信号较高的数字化频率存在相似的问题。一个 45-50mm 厚的

板材需要 15µs 的窗口显示，在 100 MHz 采样频率下，在时间轴上将有 1500个采样点。即使显示器垂直方向上所有 1024 个像素都用来显示，每个象素仍对

应多于一个时间采样点。图像缩放对于精确定量长度与深度是十分必要的。在图

6-14 中，在完整视图中槽的细节信息几乎看不见，但在放大视图中，单个采样

点和每个扫查步都可以清晰可见。



180-290mm full scale Zoomed to 225-245mm 180-290mm 全范围显示放大到 225-245m

图 6-14 缩放功能

6.5.4 直通波拉直 TOFD 探头的机械运动导致直通波到达时间的轻微变化，这可能是由于扫查

器拖拽或焊缝余高使探头分开导致的。结果导致直通波不规律，如图 6-15 所示。

由于底面反射波与直通波变化相同，可以确定不是缺陷信号。当发生这种情况时，

有几种选择来拉直直通波。一旦完成直通波拉直，直通波到达时间将基本一致，

在整个直通波拉直区域，直通波可以被用来作为深度定量的参考。 6.5.5 直通波的去除（或底面反射波的去除）

虽然对 TOFD 盲区问题已经进行了文字解释，是由于在同一时帧内脉冲振

铃时间对信号进行了干扰。这个问题主要出现在直通波位置，但也可以解释底面

波的情况。通过直通波（底面波）拉直，在相当长的扫查距离中参考信号会十分

规则。

Figure 6-15 直通波拉直

通过区别主要参考信号的形状，可以基于数学计算去除参考信号。数学计算

过程一般是通过反向的矢量加法实现的。当处理过程结束，直通波（或底面波）

信号为空，其它任何与直通波或底面波信号不同的信号都将显示出来。

Straightened region拉直区域



图 6-16 直通波去除

这样在盲区中的缺陷也可以检测出来。图 6-16 显示了去除参考信号的两步

流程。左侧原始数据中，通过蓝色指针定位关心的区域，通过绿色和红色指针选

出参考波形。通过减法计算后，得到右侧图像，其在原始图像中不可见缺陷的上

端信号清晰显示，并可用于定量。（底面反射波去除，对底面反射波中的一小段

信号进行相似的处理，如右侧图 6-16 所示）。 6.5.6 合成孔径聚焦技术(SAFT)

合成孔径聚焦技术(SAFT)是一种计算机处理技术，用于缺陷范围的精确测

量。相对于探头位置和目标深度，声束从一点发射和返回时间符合双曲函数。知

道确定探头对应的双曲函数公式后，A 扫描信号可以按照时间偏移并叠加。SAFT的目的是去除由于声束发散产生的弧线，改善缺陷定量效果（一般为定长）。

Pre-SAFT Processing Post-SAFT Processing 合成孔径聚焦技术处理前合成孔径聚焦技术处理后

图 6-17 合成孔径聚焦技术处理结果

6.5.7 抛物线指针合成孔径聚焦技术完全是一个数学处理过程，要求将所选区域中的每一个 A

扫描部分都进行合成孔径聚焦计算。对于由于波束发散造成的缺陷信号显示过大

的矫正，可以通过双曲函数指针在 B 扫描图像中测量缺陷大小，从而避免复杂

的运算过程。通过双曲函数指针或抛物线指针进行测量，指针曲线均基于探头参

数和显示深度计算得出。通过将指针曲线与缺陷显示边沿信号拟合，两指针中心

间的距离约等于缺陷长度。这终可以像合成孔径聚焦技术一样解决缺陷定量问

题，但却可以大大减少数据处理时间。图 6-18 是使用“TOFD”指针测量一个

指示信号的例子。

Reference waveform region参考波形区域

Lateral wave removal region 直通波去除区域

Upper tip seen 上尖端可见

Backwall removed 底波去除



图 6-18 抛物线指针

6.5.8 直通波波幅均一化直通波波幅均一化是指通过放大较低波幅的 A 扫描信号使直通波波幅在扫

查长度范围内保持不变的过程。选择一些参考 A 扫描信号作为主要信号，其他信号参考这些信号进行放大。

直通波均一化过程一般限制于特定的扫查长度内，所以应选择关心区域的左侧和

右侧范围，关心区域内的数据将被修正。如图 6-19 所示，波幅均一化前后

图 6-19 波幅均一化

6.5.9 标记添加在扫查结果中添加文本和箭头指示对于报告来说是一个简单但很有用的功

能。当操作者需要在报告中提供一个或多个具体细节时，添加标记可以增加报告

中的信息。

图 6-20 标记添加



6.5.10 几何矫正（圆筒、T 型，其它） BS-7706 标准提出了 TOFD 在非平板对象检测中显示的一些问题。当在圆

筒形、T 型甚至锥形的试件上进行 TOFD 检测时，两个探头相对于探头中心距的

中点被摆放在不同的高度位置。这需要对检测对象中的指示深度进行校准。这种

计算一般会比较复杂，耗时较多，且占用系统资源。图 6-21 所示，为 BS-7706中所述情况。

图 6-21 所示为圆筒形试样检测，与直通波不同，表面的超声波为爬波。当

从外表面检测圆筒形纵向长焊缝时，放置探头的位置比管试样弧面高点低。直

通波分为两部分，一部分沿圆周传播，另一部分不受外壁影响则按直线传播。深

度计算公式以波束出射点作为参考零点，相对于波束出射点的大深度为管壁厚

度。当安放在圆管型试样上时（如左上图 6-21 所示），探头比两探头中心点 0深度位置更低，这样会导致底面反射和缺陷信号显示深度小于实际深度。这种情

况下探头高度偏置需要进行校正。在这种情况下还有另一个问题，由于过度的振

铃信号导致的近表面盲区。在这种情况下，由于有两种到达的直通波信号近表面

盲区会增大；直线传播的压缩体波直通波模式和沿圆周传播的爬波（传播路径稍

长）。当在圆筒型试件内表面进行 TOFD 检测时（如 6-21 下图），探头波束出射

点比平板时高，从而导致显示深度大于平板条件下显示的深度。但是由于没有直

线路径的压缩波，因此波束只能以爬波模式沿较长路径传播，对于近表面盲区来

说，振铃时间不会造成大问题。只有在外表面进行 TOFD 检测时，才会导致表

面盲区增大的问题。

图 6-21 复杂几何形状矫正

6.5.11 裂谱分析 PCN TOFD 培训大纲特别明确将裂谱分析作为 I 级 TOFD 教学内容。这是

一种复杂的降噪方法，需要在频域对 A 扫描进行数学处理。以下对于数学过程

进行了描述，但是，这部分内容已经超出了对于 I 级 TOFD 操作者要求的范围（甚

至超出了 II 级要求）。还不清楚为什么 PCN 要求将此部分内容包含在 TOFD 培

训中。裂谱分析（SSP）的描述：



在超声波检测奥氏体材料中面临的主要问题是由粗晶边界产生的大量背景

噪音，这些噪音可能掩盖我们感兴趣对象的检测信号。裂谱分析（SSP）是基于

频率分隔原理实现的一种方法，其先将接收到的宽带信号分解为不同频率的窄带

信号，然后通过非线性的重组增强缺陷信号的可视性。这种技术发展于 19 世纪

70 年代末，可以看作是基于滤波和小波变换信号处理方法的先驱。前人已经证

明了裂谱分析（SSP）方法是一种基于频率特性中能量谱和相位方式来鉴别目标

回波和去除微观结构散射噪声的有效方法。 1From on-line paper; Statistical Analysis of Split Spectrum Processing For Multiple Target Detection, Qi Tian, and Nihat M. Bilgutay, http://www.ece.drexel.edu/SPL/jan1998.htm

TOFD 软件中可能包含的其它功能。这些功能一般只是其它图像处理软件中

的典型的图像增强功能。这些功能可能包括文件合并、文件分割、数据反转（扫

查方向和 A 扫描方向），创建位图和 A 扫描波形导出为文本文件（便于其它软

件 Excel 或者 Matlab 处理）。



7 TOFD 数据和质量分析毫无疑问，TOFD 扫查的终目标应该是产生可判读的图像。之前几章提到

了声波在试件中的传播和在边界处的相互影响等方面信息。显示样式描述、可用

于分析的通用工具和采集数据的数据增强也进行了讨论。剩下的部分就是解释如

何对结果进行分析。 TOFD 评估可宽泛地分为两种类型：质量评估、数据分析

通过质量评估，我们可掌握采集数据的特征。我们必须确定是否可以对采集

到的数据进行解释。已经采集到的“数据”只有提供被检结构的清晰明确的信息

时，它才是有用的。只有当采集的数据具有足够好的质量，能可靠地探测到潜在缺陷的指示时，

才能够进行下面的数据分析。数据分析也是一个多阶段的操作过程。观察 B 扫

描，如果存在任何指示，都需要确定它们的来源。不是所有的指示都是缺陷，也

不是所有的缺陷都是缺点。通常，有一系列表示质量等级（验收标准）的预设值，

缺陷与这些容许值进行对比以评估工件是否可以接受。

7.1 质量评估 TOFD 扫查常受各种外部条件影响，这些影响并不都是良性的。进行 TOFD

数据采集时有些问题常会出现，下面进行描述。这也许会或者不会导致数据无法

解释，所以在数据文件保存前应该作出判断。这些问题与射线探伤相类似。举例

来说，如果处理不当导致射线照片太黑、太淡、有干扰性的划痕或者化学印记，

那就需要重新拍片。对于 TOFD，不利的影响也可能要求重新扫查 TOFD 扫查质量中常见问题有： a) 数据采集闸门的位置 b) 增益设置（太高或者太低） c) PCS 设置（太大或者太小） d) 电子方面（触发和电噪声）

这些问题将在下列各图的例子中进行描述，第一个图像是质量良好的扫查例子。(Images courtesy M.D.C Moles, ONDT).

图 7-1 一个较好的 TOFD 扫查

直通波外表面开口型缺陷

近表面缺陷埋藏缺陷

底面波

气孔区-通常难

探测到



可接受的噪声水平，缺陷，直通波和纵波底面波

图 7-2 不正确的增益设置-增益太低

直通波和一部分衍射信号开始消失。在当前的增益水平，一些衍射信号探测

不到。

图 7-3 不正确的增益设置-增益太高

不正确的高增益设置。噪声电平的上升会混淆衍射信号；这会减少发现缺陷

的可能性，减低缺陷定量精度。高噪声电平也可能是由于材料晶粒粗大，这样的

话就需要减小超声波频率。当直通波饱和时，振铃信号遮挡范围大于计算出的

小值。

此区域信

号消失

表面波和缺陷信号

振铃过大



图 7-4 不正确的闸门设置-开始时间太早

作为下限，闸门应该包含直通波和纵波底面回波；如果需要的话闸门可以拓

宽至横波底面信号。图例显示的是闸门设置过早，表面波可见，但底面波看不到，

所有的内壁（ID）近底面的缺陷漏检。

图 7-5 不正确的闸门设置-起始时间过晚

图例显示的是闸门设置过晚，直通波看不到。第一个信号是底面回波，第二

个是横波底面回波，这样设置导致外壁（OD）近表面缺陷探测不到。


L-wave backwall signal 底面反射纵波

S-wave backwall signal 底面反射横波

Ghost signal幻影波



图 7-6 不正确的闸门设置-长度过长

此例表示的是闸门设置太长，尽管这不是技术性错误。图像将显示出衍射的

横波-横波（S-S）底面波信号。这些 S-S 信号会显示额外信息或者确认信息。这

些衍射横波会显示出比衍射纵波更为清晰的气孔类缺陷，在横波前会出现强烈的

波形转换信号，这些信号会带来判读上的问题。

图 7-7 不正确的 PCS 设置-PCS 太大

不正确的探头间距（相隔过远），这会导致底波信号变形或者过强，直通波

变得很弱，一部分衍射信号幅度降低。


L-wave backwall signal底面反射纵波

S-wave backwall signal底面反射横波

Distorted L-wave backwall signal or unusually strong 变形的或者异常强烈

的底面纵波反射信号

Weak lateral wave 微弱的直通波



图 7-8 不正确的 PCS 设置-PCS 太小

不正确的探头间距（相隔过近），这会导致直通波信号变得很强，底波变弱。

近表面缺陷信号变好但另一侧更近表面处变差。

图 7-9 电噪声

噪声脉冲会严重影响 TOFD 的判读。噪声的可能来源很多，如周围的电子设

备、超声波设备或者探头。不像因粗晶颗粒散射只引起材料中的噪声（即表面波

之后），电噪声还会因来源的不同，以孤立的脉冲或者有时以一种干扰型式出现。

一旦产生的电噪声增加到超过某个确定值，数据判读变得基本不可能。

Strong lateral wave 强烈的直通

波

Weak L-wave backwall signal 微弱的底面反射

纵波



图 7-10 数据丢失

当数据采集的速率超过计算机能处理速率时，有一部分 A 扫数据不能被存

储。不同系统的数据处理方法可能不同。图 7-10 表示的是均匀的灰度图（零幅

度水平）。对于该系统，在扫查器移动到下一个 1mm 编码采样间隔之前，计算

机没有时间去给 A 扫信号处理和分配内存位置，结果整个 A 扫信号都丢失了。

有些系统能够存储采集的信号，这些系统可以在（扫查器）移动到下一个编码间

隔之前存储一部分 A 扫信号，但是这些“丢掉的数据”仍然会遗留下一条同样

的零幅度灰线。丢失一些数据是容许的，一些 TOFD 规范里，规定了允许丢失的

数据数量（典型条件是不超过扫查量 10%的数据丢失，且没有两个相邻扫查位置

的数据丢失）。

图 7-11 触发阈值电平问题

初始脉冲信号有小幅变化时，如果时基触发灵敏度设置太高会导致信号出现

“阻塞”。当时基线切换到下半个周期时这一现象很明显。这一影响起初看起来

像是数据丢失，但其实数据还是可见的，只是显示不均衡。



图 7-12 耦合层太厚

过多的耦合剂或者使用探头防磨钉不当会导致声波在耦合层内部发生反射

而出现二次横波信号，它可能会被当做一个处于初始直通波信号下方的额外信

号，也会被误认为是缺陷或者掩盖掉其他缺陷。对于表面不平整工件这一影响同

样存在，当探头边缘处于耦合剂稍多的工件凹坑表面时，其影响要比其他部位大。

7.2 数据分析通过图像质量对出现的问题进行纠正后，数据获取的下一步就是对潜在缺陷

指示进行 TOFD 图像分析。除了实际缺陷的验证外，对于超声波检测中通常不被

看做缺陷的几何形状不匹配（或者高—低）的识别，TOFD 检测也有一定借鉴意

义。 TOFD 技术与常规脉冲回波法相比，提供的缺陷特性信息不够详细。第二章

中我们把这一问题看做 TOFD 的一个不足之处，根据 TOFD 这一特点，可以通

过简单但非常有用的分组将缺陷指示分为以下三种类型：点状缺陷；线状缺陷；平面型缺陷；

点状缺陷既没有长度也没有高度（比如单独的气孔或者很小的夹杂）。线状

缺陷有长度，但是 TOFD 图像不能对其垂直范围进行评估，这意味着无法发现（缺

陷）下尖端信号。平面型缺陷同时具有垂直范围和长度（即其下尖端信号可见）。以下很多缺陷的实例来源于一本关于相控阵技术的书籍（RD 出版的《相控

阵超声波技术应用介绍》）。然而，之前在 BS-7706 和更早的 ASME 的锅炉和

压力容器规范第 V 部分中也有出现一些相似的图像。这部分提供一些 TOFD 扫描图像的实例和对应的一些解释。要注意的是在缺

陷检测、TOFD 设置及图像显示中可能会出现较大的变化，所以下面的一些图像

只是作为参考之用。

7.3 缺陷图像 7.3.1 点状衍射体

点状缺陷，比如气孔，在表面波和底面波之间显示为单一多周期的点信号。

点缺陷的典型显示就是这样的单一脉冲循环信号，因为这种类型缺陷的高度小于

脉冲拖尾长度。点缺陷通常显示为抛物线型的弧线，两侧拖尾方向指向试样底面，

且两侧拖尾间没有长度显示。图 7-13 表示的就是抛物线指针置于缺陷指示弧线

图形处的情况。从图中可以看出计算出的曲率与指示图形能很好的匹配。当抛物

线的顶点和指示的顶点相匹配时，两条弧线与指示的两边相吻合（即第二个抛物

线指针没必要，因为长度和下尖端是无法识别的）。

Lateral wave multiples 多重直通波



图 7-13 点状衍射（气孔）

7.3.2 内部-背面-开口型缺陷

图 7-14 显示的是无中断直通波，在底波附近还有一个与底波有关联的中断

或者开口信号（其性质取决于缺陷的大小）。缺陷信号指示的形状和强度取决于

缺陷类型。本图中是一个根部内凹的未焊透。表面开口型缺陷不总是掩盖底波信

号，而是可能在底波信号之后有个弧线范围（见图 7-14 的未焊透图例而不是根

部凹坑图例）。根据前面介绍的试样底面情况，判读上尖端信号时应将相位反转。

无下尖端信号显现。

1

23

1

23

1

23

图 7-14 （焊缝）根部缺陷

Incomplete penetration根部未焊透

Concave root 根部凹陷



7.3.3 外部-近表面-开口型缺陷

近表面开口型缺陷表现为对直通波的微扰（见图 7-15）。因为缺陷使表面

波出现中断，所以 TOFD 可以用来判断缺陷是否是表面开口型缺陷。只有下尖端

信号得以显示，它就可以用来测量缺陷深度。然而，如果缺陷不是表面开口的，

比如近表面缺陷，那么直通波不会受影响。如果缺陷处于较浅的近表面（即小于

直通波的振铃时间或者仅有几毫米深），那缺陷在未处理的 TOFD 图像中很可能

是不可见的，为发现缺陷指示，此时需要进行直通波去除。

1

2

图 7-15 近侧壁缺陷

7.3.4 中部缺陷中部缺陷图像存在完整的直通波、底波信号和脉冲衍射信号。对于平面型缺

陷来说，其 B扫图像中的上下尖端衍射信号大小取决于深度和缺陷自身的垂直范

围，与 PCS 和 TOFD 的设置也有关系。缺陷尖端信号（如可见）可以提供很好的

实际缺陷外形轮廓。

12

3

4

12

3

4

图 7-16 双 V 坡口的未焊透

如果一个中部缺陷自身高度很小，即小于换能器的振铃时间（几毫米），那

其上下尖端信号就无法分开，这样的缺陷会被看做一个线状缺陷。在这种情况下

是不可能对上下尖端信号进行区分的，所以程序只能给出缺陷比振铃时间深度当

量小的结论（取决于换能器频率和阻尼）。



12

3

4

12

3

4

图 7-17 侧壁未熔合

对缺陷来源的推断还需要更为深入的分析。图 7-16 表示的是双 V坡口中的

未焊透。对此类缺陷的评估需要焊接工艺方面的知识。进一步的评估可在平行扫

查后进行。如果深度与根部位置相对应并且平行扫查发现缺陷处于焊缝中线上，

那这可以作为缺陷是未熔合的很好证据。

如果缺陷是侧壁未熔合，如图 7-17 所示，这样深度可能与根部位置不一致，

平行扫查时两探头会布置在时间短轨迹上，其连线中点将会与焊缝中线有一定

偏移。

侧壁未熔合常出现在探测表面附近。这可能会导致上尖端处于探头盲区内，

即部分处于表面波内。这会增加直通波幅度，如果直通波不减小，那就无法识别

缺陷上尖端信号。

7.3.5 横向缺陷

非平行扫查发现的横向缺陷与点缺陷类似，显示的是一个典型的双曲线。通

常，TOFD 扫查中横向缺陷和近表面气孔是无法区分的。推荐使用其他技术（如

脉冲回波或者 MPI、LPI）进一步检测缺陷，从而更好的证实引起指示的缺陷类

型。

图 7-18 所示是一个通过平行扫查发现的横向裂纹信号。

1

2

3

12

3

1

2

3

12

3

图 7-18 横向缺陷

一些技术中使用 TOFD 探头对进行追加扫查，探头与焊缝轴线成 45°角。这

样做可增加衍射区域和信号幅度，从而增大缺陷检出的可能性。这样的检测能否

顺利进行取决于焊缝余高的尺寸。

7.3.6 内部未熔合

内部未熔合与侧壁未熔合唯一一点差异就是未熔合金属的取向。内部未熔合

存在一个光束相互影响的较大区域，因此光束衍射要弱于反射。这会导致出现一

个幅度很大的信号，起原理和信号如图 7-19.



Transmitter Receiver

Lateral

Back wall

B

Reflection

L

Reflected

12

3

图 7-19 内部未熔合

7.3.7 气孔

气孔会呈现一系列幅度变化的双曲线图像，图 7-20 中显示的是其深度和表

面波位置。B扫图像中气孔簇（密集气孔）的曲线重叠起来是因为单个气孔的空

间是封闭的。由于多个气孔的散射特性，相邻气孔相互影响后会出现多重路径，

这样就无法依靠下尖端的深度来界定气孔簇的下边界。TOFD 对气孔类缺陷是一

种有效的检测方法，但需要用其他方法来给气孔尺寸定量。

12

3

12

3

图 7-20 气孔

7.3.8 裂纹

裂纹的来源和形状较多。所以与裂纹有关的 TOFD 图像没有较为合适的描述。

图 7-21 中的 B扫图像信号来源于气体金属电弧焊（GMAW）工艺中添加铜元素的

金属性能检测。铜添加进熔合金属里会使金属变脆，导致一个树枝状的裂纹产生

于熔合金属体内。焊缝形成过程中，焊道底部金属重新熔合将铜传递到熔池中，

并一层层传递到较高的位置。缺陷指示通常较短（指示裂纹大概只有 20-30mm



长），但其范围从靠近根部区域延展到离探测面近的倒数第二道焊层。由于其

树枝状特性，裂纹很难通过脉冲回波法探测到。处于应力中的裂纹趋向于各个面

分开而中空，然而，各个面在挤压之下可能与其他面贴紧，边界处的声阻抗可能

接近匹配，这会使一些裂纹不可见。

图 7-21 铜裂纹

7.3.9 不对称（错位）（高-低）

不对称（错位）不是焊缝缺陷。不对称（错位）是对接焊缝的一边高于或者

低于另一边的几何状态（假设连接厚度是一样的）。尽管不对称（错位）不是焊

接缺陷，但其可以是一个真正焊接缺陷的来源，所以也很重要。当焊工（手工或

者自动焊）试着去调整焊弧来弥补两坡口间的不等距时，可能导致根部区域熔合

的失误。不对称（错位）常导致的缺陷就是根部未焊透。这对 TOFD 检测来说会

带来问题，因为低边根部未熔合会出现在焊缝的同样区域。在 TOFD 图像中，低

边信号会被掩盖在底波里，这样就容易造成缺陷漏检。

图 7-22 是 TOFD 信号的状态显示，图 7-23 所示是不等高导致底波信号中出

现的典型“分裂”信号。图 7-22 中高边和低边的不对称量为 2mm。图中工件底

部的加粗黑线表示的是两块板基高一致时的标称厚度，阴影中表示的是标称状态

时 TOFD 声束发散区域。底面中点到 TOFD 接收器的声程指示近似为 32mm。当（两

板）存在不等高时，右侧探头因位置升高从低边返回的声程增加至 36mm，而从

高边返回的声程减少至 31mm。高边和低边底波信号都可探测到，但高边回波信

号比等高时到达早，而低边回波信号比等高时到达晚。

图 7-22 不对称（错位）声程比较

如果不对称（错位）导致足够的分离，那偏差是可以测量的。图 7-23 是一

个表面波拉直后的不对称（错位）区域图像。如果表面波的负相（黑色）作为参

考，在 1000mm 的扫查距离（左边）区域范围内，水平状态中的底面波声程近似

为 32mm。在大约 1550mm 扫查距离内，底波的较早（高边）指示大概在 31mm 处

到达，较晚到达的（低边）大约为 34mm。



图 7-23 不对称（错位焊缝）B扫

这里不是对 TOFD 技术可探测和评估的所有可能缺陷和状态的概括。如之前

提到的，一部分缺陷特性是适合用手动脉冲回波（或者射线探伤）的，使用 TOFD

就不适用，所以 BS7706 中提及的分级方法是推荐使用的。 7.3.10 双指示和横波转换

一定要注意避免对（可疑）指示的过分强调，尽管这一区域主要存在的是纵

波波型，因为这有可能是直通波和底波之间的间隔时间内出现的转换横波，可能

导致双指示的状态。也可能存在相反方向的波型转换，即横波转换为纵波，同样

结果也会发生。

我们可以通过重放光弹图像观察到 TOFD 脉冲这种波形转换的效果。图 7-24

显示的是当纵波和横波始波扫过一个缺陷（划痕）时发生的衍射波路径。

1 2 365

4

1 - Initial compression2 - Shear headwave3 - Upper tip compression4 - Lower tip compression5 - Mode converted shear off upper tip6 - Mode converted compression off shear headwave

1 - 初始纵波 2 - 横波头波 3 - 上尖端纵波 4 - 下尖端纵波 5 - 上尖端转换横波 6 - 下尖端转换纵波

图 7-24 缺陷处的波型转换

Lateral

High side

Low side

Sides Even



纵波（弧线 1）在表面处产生横波头波（标记线 2）。纵波的（高）波速确

保了首先到达缺陷并在缺陷上下尖端处产生衍射纵波（弧线 3和 4）。但是这个

纵波衍射同时也产生了一个横波的转换（弧线 5）。然后抵达缺陷的横波在产生

衍射横波的同时也产生了纵波波型转换（弧线 6）。因为它们的速度差接近二倍，

所以纵波早于横波抵达接收探头。

但缺陷离接收探头较近时，由横波头波转换出的纵波会早于（初始）纵波的

反射底波信号。

依靠深度和相关信号强度，直接纵波衍射信号（弧线 3和 4）和衍射产生的

横波信号都可作为参考。一般利用底面信号之后的信号验证纵向衍射发现的缺陷

（有时很难）是否存在。两信号早于底面信号抵达的状态必须满足一定的时间要

求。如图 7-25 所示。

Ls

L1L2

S3

L6L5

T1T2

T3

T5

S is shear headwave and T is time shear headwave takes from transmitter to upper tip

3 3

T4

T6

T5+T6 > T3+T4 shear component occurs prior to backwall

T5+T6>T3+T4 横波部分发生早于底面波；S3 是横波始波，T3 是横波始波从发射探头到缺陷上尖端的时间；

图 7-25 转换波型抵达时间

同样，直接纵波波型转换产生的横波也可能提供一个早于底面波的信号。

当全时范围都显示时，可以看到多次指示。图 7-26 所示是一个在探测表面以下

5mm 垂直范围 8mm 的缺陷指示。在 22mm 深度处上尖端指示信号再次出现，在底

波后的波型转换区域里该指示又出现了两次。

图 7-26 二次图像

Flaw seen by L mode 纵波发现的缺陷

Flaw seen before backwall底波之前的缺陷

Flaw seen twice after backwall 底波之后的两次缺陷显示



8 TOFD 规范和标准 8.1 TOFD 规范和标准

缺少相应的法规和标准可能是 TOFD 技术不能得以普遍应用的大原因。

尽管引入广受好评的 TOFD 应用文件 BS7706，但有些人不愿去使用它，因为对

TOFD 焊缝检测无法进行普遍的可接受性评估。这主要是因为所有关于验收准则

的规范化文件（规范和标准）及方法都是基于缺陷超出某参考波幅值的长度。一些公司制定了可行的规范，但这些都是其内部文件，不会被广泛接受。

TOFD 真正地被广泛接受大概是从 2000 年，主要是由于对缺陷验收评估方法的

改变。2000 年公布的 ASME 法规案例 2235 允许使用超声方法替代射线对所有

的 ASME 第八章规定的焊缝进行检测，其厚度为大于等于半英寸（12.5mm）。

如果满足一些先决条件，所有超声检测技术都是适用的。但这些前提条件是很重要的，包括：

a) 超声波检测区域应包括整个焊缝加上焊缝两侧实际热影响区

（HAZ）再加 6mm，并满足以下要求： 1）焊缝热影响区 HAZ 经实际测量，并有焊接工艺记录。 2）超声探头位置和扫查装置用参考标记（沿着焊缝的油漆或浅的钢印）

控制，以确保实际 HAZ 和附加的 1⁄4 英尺（6mm）母材能被检测

到。 b) 应有书面检测方案或扫查计划展示探头位置、探头移动、和声束

覆盖，并提供标准的和可重复的检测方法。扫查计划还应包括所

选择的相对于焊缝中心线的声束角度、声束方向，包括对容器的

所有焊缝。 c) 超声检测应按照第 V 卷，第 4 章（注 1）的要求提供书面检测程

序。检测程序应是在被认可的试块上经过演示，被认为是可以接

受的。试块应是焊接试块或（HIP）并应含有至少三个缺陷，倾向

于模仿平行于焊缝熔合线的缺陷： 1）试块一侧的表面缺陷代表容器的外表面缺陷； 2）试块另一侧的表面缺陷代表容器的内表面； 3）一个埋藏性缺陷； 4）如果试块可以翻转，则一个表面缺陷可以代表容器的内表面和外表

面的缺陷，那么可以只要求两个缺陷。对于每种被检厚度，试块中

的缺陷尺寸不得大于表 1、2 或表 3 中的规定。可接受的操作是从

大允许缺陷或别的相关缺陷不超过参考水平。或者，对于不用记录

幅度时，可接受的操作是演示所有缺陷图象都有可记录的长度，包

括大允许缺陷，其指示长度大于或等于试块中缺陷的实际长度。 d) 超声检测应使用基于能够自动记录数据的计算机。 e) 数据应是未经加工的原始记录数据。 f) 操作和评定人员的资质应由其雇主提供书面证明材料。 g) 承包商的资格认证记录应经过雇主的证书持有者批准。 h) 另外，获得和分析 UT 数据的人员也应经上述第（d）条规定的内

容进行仪器培训，并参加按第（c）条进行的演示。 i) 数据分析验收规范应按述方法：



1）对于以波幅为基准的检测技术，超过参考线 20%的所有缺陷都

应测量缺陷位置、幅度和延伸长度。 2）对于非基于波幅的检测技术，所有缺陷图像指示超过 Code Case

表格中的规定值时，缺陷的位置和延伸长度都应测量。 j) 终数据结果须经过 UT 三级人员复核。

这里不包括规范案例（进行过多次修改）中的所有细节，但我们可以看到里

面的重点，包括对待数据记录的计算机化超声系统的要求，对缺陷的高度和长度

的定量能力以及检测能力的说明。对于 TOFD 适用性的描述初看并不明显，因为条文中没有具体的规定。里

面包含两个描述。c 项和 i 项提到了“非基于波幅技术”，而 TOFD 技术即不是

基于缺陷波幅检测的。另一个描述在规范案例的判断缺陷尺寸要求的表格中。标

准要求对缺陷高度进行判断并从该高度得到一个允许的长度。这就得到 UT 技术

的两个要求：检测和定量。 NDT 方法，包括脉冲回波方法在内，一般都可以满足检测的要求。然而，

定量对 UT 来说却是个全新的要求，而 TOFD 技术能够提供较好的定位精度。尽

管可以采用其他定量方法（我们稍后会简单看下脉冲回波转换中的尖端回波法），

只有 TOFD 可以同时轻易用作探测和定量工具。尽管欧洲标准 BS-7706 和 EN-583-6 比 ASME 2235 较早提到 TOFD 技术

的使用，但他们都没有验收标准，所以一直只是一个没有广泛应用的不错想法而

已。ASME Code Case 2235 是基于“目的适用性”的概念，即基于材料的刚性、

厚度和使用环境建立缺陷的容许量。继 ASME 法规案例之后，一些其他的法规共同提出了类似的基于探测缺陷

高度的验收标准，其中允许使用 TOFD 并包含验收标准的有： • ASME Code Case 2235 • API 620 (American Petroleum –Welded Storage Tanks) • API 650 (American Petroleum – Welded steel tanks for Oil Storage) • NEN 1822 (Netherlands standard) 这些标准中的表格可总结如下。我们注意到 ASME 的表 1 和表 2 没有提供

一个直接的值，而是提出缺陷自身高度与试样厚度的比值，需要对测试材料厚度

进行测量后得到。

API 620 and API 650 之附录 U 可接受的缺陷长度.(l)mm (in.)

焊缝厚度 (t)a mm

(in.)

具备自身高度的表面缺陷, (h) mm (in.)

具备自身高度的埋藏缺陷, (h) mm (in.)

h 2(0.08) 2.5(0.10) 3(0.12) 2(0.08

)

3(0.12

) 4(0.16) 5(0.2)

6(0.24

)

10(0.375)

to<13(0.50)

8

(0.30)

8

(0.30)

4

(0.15)

14

(0.55)

5

(0.20)

4

(0.15)

Not

Allowed

Not

Allowe

d

13(0.50)to<19(0.75) 8

(0.30)

8

(0.30)

4

(0.15)

38

(1.5)

8

(0.30)

5

(0.20)

4

(0.15)

3

(0.10)

19(0.75)to<25(1.0) 8

(0.30)

8

(0.30)

4

(0.15)

75

(3.0)

13

(0.50)

8

(0.30)

6

(0.25)

5

(0.20)

25(1.0)to<32(1.25) 9

(0.35)

8

(0.30)

4

(0.15)

100

(4.0)

20

(0.80)

9

(0.35)

8

(0.30)

6

(0.25)

32(1.25)to<38(1.50) 9

(0.35)

8

(0.30)

4

(0.15)

125

(5.0)

30

(1.2)

10

(0.40)

8

(0.30)

8

(0.30)

38(1.50)to<44(1.75) 9

(0.35)

8

(0.30)

4

(0.15)

150

(6.0)

38

(1.5)

10

(0.40)

9

(0.35)

8

(0.30)



NEN 1822 表格

厚度范围

如果一个埋藏类指示的高度不超过2h 或者一个表面开口类指示的高度不超过

3h时，取大允许长度(

maxl )

当长度超过maxl 时的

大允许高度1h

maxl 3h

2h 1h

6<dd≦8 dd 2 2 1

8<dd≦15 dd 2 3 1 15<dd≦

40 dd 2 4 1

40<dd≦60 40 3 5 2

60<dd≦100 50 3 5 2

dd≧100 60 4 6 3

ASME Code Case 2235 Tables （注:这些表格常做修改，请参照新版本使用）表 1 焊缝厚度 1⁄2 ～1 英寸焊缝缺陷验收规范

a/t L

表面缺陷

埋藏缺陷 ≤0.087 ≤0.143 ≤0.18 ≤0.18

(a) t=包括所有允许余高的焊缝厚度。对于有不同厚度的对接焊缝，t 取这两个厚

度的较小值。如果全焊透的焊缝含有角焊缝，则角焊缝的厚度也应在包括在 t 中。 (b) 如果埋藏缺陷到表面的距离（图 1 的 S）小于或等于厚度方向尺寸（图 1(b)图的 2d）的一半，则应作为表面缺陷。(细节见 Code Case 图表) 表 2 焊缝厚度 1 ~12 英寸焊缝缺陷验收规范 1 in. ≤ t≤ 2.5 in. [Note (1)] 4 in. ≤ t≤ 12 in. [Note (1)]

表观

比率

表面

缺陷

埋藏

缺陷

表面埋藏

缺陷缺陷

a/l a/t a/t a/t a/t

0.00 0.031 0.034 0.019 0.020

0.05 0.033 0.038 0.020 0.022

0.10 0.036 0.043 0.022 0.025

0.15 0.041 0.049 0.025 0.029

0.20 0.047 0.057 0.028 0.033

0.25 0.055 0.066 0.033 0.038

0.30 0.064 0.078 0.038 0.044

0.35 0.074 0.090 0.044 0.051

0.40 0.083 0.105 0.050 0.058

0.45 0.085 0.123 0.051 0.067

0.50 0.087 0.143 0.052 0.076

(a) t=包括所有允许余高的焊缝厚度。对于有不同厚度的对接焊缝，t 取这两个厚度的较小值。

如果全焊透的焊缝含有角焊缝，则角焊缝的厚度也应在包括在 t 中。 (b) 如果埋藏缺陷到表面的距离（图 1 的 S）小于或等于厚度方向尺寸（图 1(b)图的 2d）的一半，则应作为表面缺陷。(细节见 Code Case 图表) 注：对于缺陷表观率 a/l 处于其它值以及厚度处于 2 ½ 英寸＜t＜4 英寸时，可以采用内插法。



表 3 焊缝厚度大于 12 英寸焊缝缺陷验收规范

表观比率表面缺陷埋藏缺陷 a, inches a/l a, inches

0.00 0.228 0.240 0.05 0.240 0.264 0.10 0.264 0.300 0.15 0.300 0.348 0.20 0.336 0.396 0.25 0.396 0.456 0.30 0.456 0.528 0.35 0.528 0.612 0.40 0.612 0.696 0.45 0.600 0.804 0.50 0.624 0.912

注： (a) 对于缺陷表观率 a/l 处于其它值时，可以采用内插法。 (b) t=包括所有允许余高的焊缝厚度。对于有不同厚度的对接焊缝，t 取这两个厚度的较小

值。如果全焊透的焊缝含有角焊缝，则角焊缝的厚度也应在包括在 t 中。 (c) 如果埋藏缺陷到表面的距离（图 1 的 S）小于或等于厚度方向尺寸（图 1(b)图的 2d）

的一半，则应作为表面缺陷。不是所有的规范和标准都提供验收标准。其中一些只提供检测要求，验收标

准由建造标准给出。规范检测方法实施的标准范例包括： • BS 7706 (1993) TOFD 技术缺陷探测、定位和定量之校准及设置向

导。英国标准学会 1993. • CEN prEN 583-6 TOFD-缺陷探测和定量方法 • ASTM E-2192 平面型缺陷高度超声定量标准向导 • ASTM E 2373 TOFD 技术应用规范 • ASME 第五部分第四项附录 III 和 N • EN 14751, 技术规范

o 焊接-TOFD 技术在焊缝检测上的应用

上述标准的目的都是在工业界内建立性能或者质量的低水平。一种新方法

出现后，工业界应用往往滞后于新技术的研究与开发。以 TOFD 为例，TOFD于 1976 年引进，而其第一个标准 20 年后才建立。为 TOFD 普遍应用，研制设

备又耗费了 14 年时间。与上述标准有关的 TOFD 实际应用的一个重要方面是需要附带文件。一个

公司 NDT 检测方法规范实践的总体方面都包含在一个叫做“程序”的文件中。

尽管在 EN 14751 中指出要关注“书面指导”，但选择 EN 14751 可以避免在应

用中另编写一份文件。 6.3 正式检测说明

对于 A 级和 B 级检验，这个文件满足书面检测说明的要求。基于 PCN CP/25 里“程序”要求的内容和定义，EN 14751 中有程序期望

的更多内容。如有需要起草这样一个文件（例如 TOFD 程序），建议他们至少

参考 EN 14751 的内容和排版。



9 TOFD 的工业应用 TOFD 起初在工业领域的应用进程缓慢，但近期一些实例表明，使用者已经

体会到这项技术相比常规超声探伤的优越性。本章介绍一些实例。

9.1 标准的 TOFD 工业应用

工业上利用 TOFD 是由于它在很多场合具有良好的缺陷探测和定量能力。 9.1.1 压力容器建造

建造压力容器，如图 9-1 中所示的丁烷球罐就是 TOFD 检测的理想对象。在

巴西，这类容器的焊缝要求检测。TOFD 比射线探伤可以覆盖更多的焊缝（射线

仅要求 10%的焊缝进行现场检查），TOFD 不会中断生产，而射线必须考虑辐射

危害。可以肯定，TOFD 的快速检测可以增加检测的数量，从而增加严重缺陷的

检出率。厚壁容器（接近 60mm）需要使用钴 60，这伴随安全问题，并降低了探

测能力。

图片来源 NDT do Brasil 图 9-1 丁烷球罐的 TOFD 检测



9.1.2 焊缝根部腐蚀由 NDT Inspection and Testing Ltd.提供 (网址 http://www.ndt-inspection.co.uk) 工艺和传输管道系统要经受化学腐蚀，可能导致结构破坏，尤其是在邻近母

材的焊缝区域。如果发生破坏，破坏部分的材料就会更容易被化学腐蚀。由于工件较差的表面状态和缺陷表面取向的不规则导致定位精度差，所以常

规的（垂直纵波）壁厚测量技术是不适用的，因此使用 TOFD 的底面轮廓图像来

解决问题。图 9-2 说的就是这一原理。

图片来源 NDT Inspection and Testing Ltd.

图 9-2 焊缝根部腐蚀



9.1.3 镀层界面检验由 NDT Inspection and Testing Ltd.提供 (网址 http://www.ndt-inspection.co.uk) 化工精炼厂容器的建造，常使用抗腐蚀防护层来保护容器内部界面。保护层

常使用爆炸焊或熔化焊成型。由于“冲击腐蚀”，保护层和容器的连接区域可能

因此受到损坏，容器的铁素体钢将受到侵袭。图 9-3 所示是在印度的一个精炼厂

对带有镍合金保护层容器的腐蚀检测，使用 TOFD 和垂直波束腐蚀成像相结合的

方法。找到了保护层损坏区域，并进行了深度测量，从而实现了腐蚀区域的监测

和维修。


图 9-3 保护层界面检验

9.1.4 疲劳裂纹由 NDT Inspection and Testing Ltd.提供。 (网站 http://www.ndt-inspection.co.uk)

震动和循环载荷会在部件中引起疲劳风险。如果可能产生疲劳破坏的潜在区

域确定后，可以对这些区域实施监测，热交换器的一个内部附件就是其中之一。

图 9-4 所示就是一个深度裂纹（壁厚的 80%）的位置和 TOFD 检测。我们发现，

尽管缺陷深度达到 80%壁厚，但 TOFD 图像中底面波信号并未完全消失（虽然

底波信号消失常作为深层表面缺陷存在的标志）。MPI 用于焊缝修理前确认缺

陷已经去除，TOFD 用于评估焊缝修理后的质量。

Cladding interface

Cladding breakdown

tsenaaa




图 9-4 疲劳裂纹检测

9.1.5 横波 TOFD 超声波方法对缺陷进行定量的能力在业界有很大的争论，关于焊缝缺陷进行

了非常多的性能验证和一系列试验，TOFD 的典型精度仅有 1mm（定量时使用

标准偏差）。当对接焊缝的材料和几何形状更加一致时，精度区别可能很大。使用更短的

波长λ来检测核工业材料，并且工件几何形状非常完美时，使用横波 TOFD 可达

到约± 0.1 mm 的重复精度。Lindenshmidt 使用 25MHz，45°横波探头利用 TOFD水浸方法可以对 4mm 的钴或铌管的裂纹进行了定量测量。

“TOFD 技术在薄壁管系裂纹深度测量中的应用”， Review of Progress in Quantitative NonDestructive Evaluation，Vol.11, p2093，Lindenschmidt K. and M. Moles, 1991

9.2 TOFD 和相控阵相结合

图9-5显示了两种不同方案得出的TOFD检测结果。左图使用的是使用6mm直

径、10MHz的单晶片TOFD探头对板厚为45mm的试板进行检测的结果。右图是

使用7.5MHz的相控阵探头，激发12个晶片（等同于12mm的晶片），对板厚为32mm的试块进行TOFD检测的结果。唯一的不同在于信号脉冲持续时间的影响，可以

看出相控阵的检测结果有比较低的频谱（注意直通波具有较长的持续时间）。使

用单晶片TOFD探头对的检测人员得到的结果总是具有一些局限性，但是使用相

控阵技术的操作人员可以在某种程度上进行一些设置的优化。例如调整激发晶片

的数量来改变波束的覆盖，增大或减小入射波的角度从而优化近表面的分辨率，

而且，相控阵操作人员还具有通过使用聚焦波束优化缺陷定量精度的能力。相控



阵技术的各种特点，诸如多角度波束检测以及波束发散特性等可以在一次扫查时

同时实现。而单晶片探头则需要一个大型的检测阵列或者在同一个试块上进行多

次扫查来实现。

图 9-5 TOFD 与相控阵 TOFD 的对比

9.3 反向散射定量

在前文我们对 TOFD 的定义为：基于前向散射现象的衍射信号因此使用两个

探头的超声波技术。然而，衍射现象会出现球面波和柱面波，所以就会有反向散

射的波束分量又返回发射探头。当我们讨论 ASME Code Case 2235 中的要求时可

以看到， TOFD 技术是不基于波幅的，同时要求该技术具有对探测到的缺陷进

行定量的能力。有些人选用常规脉冲回波技术作为缺陷探测方法，然后使用

TOFD 或者尖端回波法来对发现的缺陷进行定量。图 9-6 阐述了使用反向散射定量技术对表面开口缺陷的检测原理。注意这个

原理既适用于单晶片探头，也适用于双晶探头。但图 9-6 的例子中只描述了使用

简单的横波模式在两种不同位置时缺陷尖端的高波，即第一个半跨距（上图）

和第二个半跨距（下图）时的缺陷尖端高波。

图 9-6 使用横波脉冲回波产生的尖端衍射信号

对于壁厚中部的平面型缺陷，尖端衍射信号产生的条件如图 9-7 所示。D1 和 D2 的时间差， tΔ 可通过下面的方程用于估计缺陷大小。，其中 D是缺陷端点之间的距离；θ是入射声束平面与缺陷法线间的夹角；



Reflected wave

Incident waveDiffracted wave D2

Diffracted wave D1

D1 D2

Example A-scan with diffracted signal separation

Flaw of Size D

Θ

图 9-7 端点信号的产生

这里引入反向散射尖端衍射定量信息，仅仅是为了说明不非所有的时差衍射

信号都采用同样处理方法；虽然两个案例中的衍射脉冲来源是一样的。当反向衍

射能够提供比前向衍射稍高的精度时，采用它就略具优势，这仅仅因为脉冲持续

时间和时间-距离相同。例如用 PCS 为 100mm 的 7MHz 的探头对检测深度为

20mm 的缺陷，其空间分辨率为 1.6mm，但由于脉冲回波法的振荡时间减少，所

以该分辨率提高为 1mm。

9.4 TOFD 在涡轮机检测中的应用

9.4.1 涡轮盘因为涡轮盘的尺寸、重量和复杂形状，它们的检测存在挑战。在多个涡轮盘

的应用中已经发现 TOFD 是可用的。低压涡轮转子的转盘属于高应力部件，运转

环境恶劣，老化很快。机械应力，尤其是热配合区域，可能由于涡轮运行期间的

高温加速应力腐蚀开裂。树枝状的晶间应力腐蚀裂纹首先发生于轮毂内部表面和

转盘的轴向防旋转装置（键槽），根据主应力的切线方向，裂纹走向沿轴向-径向面。结果会导致超限裂纹的生长，更严重的情况就是长时间运行的转盘发生断

裂。涡轮盘由安装在轴上的多个转盘经过热配合工艺制造而成。转盘检测使用包

括 TOFD 在内的多个超声波技术，这些探头安装在长臂之上。探头可以在探头架

上移动，探头架又可以在转盘间移动，通过旋转涡轮机单元实施扫查，使整个关

心的区域都可以探测到。图 9-8 所示是去掉了外壳的涡轮机，探头架位于接近其

中一个转盘的位置。右图是扫查方式示意图，其中包括一个针对端角反射的小角

度横波脉冲回波扫查和一个针对切线方向的大角度横波脉冲回波扫查，一个用于

评估腐蚀的零度径向扫查，以及用于缺陷定量的 TOFD，和缺陷检测的脉冲回波

扫查。



Stress corrosion cracking in keyway crown (courtesy SWRI) 照片来源 Siemens

图 9-8 涡轮机圆盘检测 9.4.2 涡轮机转子另一个 TOFD 应用就是涡轮机转子轴的检测。这是与发动机联接的转盘支撑部

分。对热疲劳裂纹，从一个直径到另一个的传输存在一个特殊考虑范围。空间

受限制，而且探头接近表面是有差异的，TOFD 技术对于这类几何形状工件的成

像没有表面波或者底面回波信号。图 9-9 所示的是一个放置于运输车上的涡轮机

转子轴，其正要被送到圆盘进行热配合工艺的地点。

照片来源 Japan Steel Works

图 9-9 涡轮机转子轴

Nath 的一篇文章中描述了用 TOFD 技术检测一个重要的存在热疲劳裂纹的

沟槽区域。沟槽左右两侧表面都放置探头，而且两边的探头在半径表面上的位置

都很好（如图 9-10）。该方法的目标是测量表面开口缺陷的深度，对 5mm 深的

切槽证明是有效的。



S.K. Nath, K Balasubramaniam, C V Krishnamoorty and B H Narayana,复杂几何形状工件表面开口裂纹的超声波TOFD定量，Insight, Vol. 9, No. 49, April 2007

图 9-10



10 各条款词汇列表底面回波-被检工件的底面反射信号爬波-某些场合中用来描述沿着曲面传播的直通波（扩散纵波）衍射-波前在遇到障碍物或者非均匀界面时不同于反射和折射的传播方向发生改

变的现象 Free running 模式-探头不需移动（即静止）进行的采集数据，使用“时基”采

集直通波和底波反射波来检查系统软件的输出。头波-纵波以较大角度入射至自由界面时波型转换出的一种横波直通波-TOFD 检测中沿短路径从发射探头传播至接收探头的纵波。通常用于

检测平板对接焊缝（发射探头和接收探头处于同一高度）平行（横向）扫查-探头对的移动方向平行于声束方向（即垂直于焊缝轴线）探头中心间距（PCS）-在具体应用中 TOFD 检测时两探头声束出射点之间的距

离非平行或纵向扫查-探头对的移动方向与声束方向垂直（如平行于焊缝移动）



10.1 其他读物和参考

编写该手册的材料来源众多。正文中涉及的作者信息等在网站中都有罗

列，下面是这些网站的地址。

10.1.1 Websites TOFDPROOF - Homepage University of Stuttgart – Stuttgart Germany http://www.mpa-lifetech.de/TOFD/ Time of Flight Diffraction-Its Limitations-Actual and Perceived, by Bill Brown, NDTnet-Spet.1997, Vol.2, No.09 www.ndt.net/v02n09.htm. NDT-Inspection – UK (several case examples) http://www.ndt-inspection.co.uk/Inspection/tofd.html

10.1.2 Texts

Engineering Applications of Ultrasonic Time-of-Flight Diffraction, （超声TOFD技术的工程应用）Second Edition, by J.P. Charlesworth and J.A.G. Temple, publisher Research Studies Press, 2001, ISBN 0 86380 239 7

Ultrasonic Flaw Detection for Technicians（超声探伤技术）- third edition, by J.C.Drury, Silverwing, 2004

Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications（超声相控阵技术应用导论）, by R/D Tech Inc., Published by R/D Tech Inc., 2004, ISBN 0-9735933-0-X

Ultrasonic Instruments and Devices（超声仪器与设备）: Reference for Modern Instrumentation, Techniques, and Technology, by Emmanuel Papadakis (Editor), Publisher: Academic Press; (January 2000) ISBN: 0125319517

Automated Ultrasonic Inspection of Welds（焊缝自动超声检测）, IIW Sub-Commission VC, The International Institute of Welding 1989

Handbook Automated Ultrasonic Systems（自动超声系统手册）, O. Barbian et al, IIW, 2005

10.1.3 Journal Articles

Sizing crack like defects by ultrasonic means（裂纹尺寸定量的超

声波方法）, by M.G. Silk, in Research Techniques in Non-destructive Testing, vol. 3, ed. by R.S. Sharpe, Academic Press, London, 1977.



10.1.4 Codes and Standards

EN/TS 14751 Welding - Use of time-of-flight diffraction technique (TOFD) for examination of welds（TOFD技术在焊缝检验中的应

用）

EN 583-6 Nondestructive testing - Ultrasonic examination - Part 6: Time-of-flight diffraction technique as a method for defect detection and sizing （无损检测-无损检验-第六部分：缺陷检测和

定量的时差衍射技术）

BS 7706 Guide to Calibration and Setting-Up of the Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) Technique for the Detection, Location, and Sizing of Flaws（设置和校准向导-TOFD技术对缺陷

的检测、定位和定量）

ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V, Article 4（ASME 锅炉和压力容器规范）

ASTM E-2373 Standard Practice for Use of the Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) Technique（TOFD技术的标准应用）



Index

A

acceptance criteria验收准则, 82, 83, 135, 136, 139

accuracy 精度, 9, 13, 72, 88 Accuracy, 28, 46, 56 amplitude 幅值, 10, 12, 17, 20, 25, 30,

44, 47, 48, 54, 55, 66, 77, 111 Amplitude, 41 angle 角度, 10, 12, 19, 21, 72, 74, 77,

85, 94, 145, 151 API 美国石油学会, 137 A-scan A 扫描, 20, 24, 25, 27, 30, 34,

41, 43, 45, 49, 65, 67, 71, 84, 91, 97, 100, 105, 114, 120 A-scans, 19

ASME 美国机械工程师协会, 13, 66, 123, 135, 146

austenitic 奥氏体, 70, 114

B

backwall 底面波, 12, 23, 65, 83, 86, 93, 103, 109, 142, 151

bandwidth 带宽, 37, 66, 94 preamplifier 前置放大器, 40

B-scan B 扫描, 27, 43, 52, 65, 92, 101, 115, 127

C

calibration 校准, 12, 29, 50, 54, 57, 63 cladding 覆层, 143 classification 分类, 68, 132, 173 Classification, 32 Code 规范, 7, 27, 123 compression wave 压缩波（纵波）,

76, 113, 142, 151 creeping 爬波, 65, 112, 151

D

DDT 缺陷检测试验, 13, 14 defect 缺陷, 11, 13, 20, 30, 115, 131 Defect, 50

diffraction 衍射, 9, 17, 21, 69, 73, 75, 83, 94, 147

Diffraction, 18 digital 数字的, 34, 43, 44, 48, 56, 64 dispersion 散射, 19, 95 D-scan D 扫描, 27, 49 DSP 数字信号处理, 28, 50, 61

E

error 错误, 88, 89, 90, 93

F

False Call 误报, 15 FFT 快速傅立叶变换, 95 frequency 频率, 66, 73, 85, 95

content 目录, 94 filter 滤波器, 41 resonant 共振的, 39 sampling 采样, 46

G

grain 增益, 29 noise 噪声, 67 size 大小, 70

grey 灰度, 25, 55, 103, 107 scale 等级, 24

H

headwave 头波, 23, 151 history 历史, 9

I

incomplete penetration 未焊透, 125, 128

L

lack of fusion 未熔合, 32, 128 lateral wave 直通波, 23, 31, 66, 71,

83, 85, 101, 151 amplitude 幅值, 101 equalisation 同等的, 103, 111 multiple 多重的, 93



removal 移除, 103, 109 straightening 拉直, 103, 109 wandering 曲折的, 90

Lateral wave 直通波, 21 limitation 局限, 28, 31, 83

classification 分类, 32 palette 工具箱, 107 scanning 扫查, 53

locus 核心, 91, 93

M

mode conversion 波形转换, 17, 21, 151

N

near surface 近表面, 23, 31, 112 resolution 分辨率, 145

non-parallel 非平行的, 26, 29, 93, 99, 151

P

parallel 平行的, 27, 92, 128 scan 扫查, 26, 73, 99, 151

PCS 探头中心间距, 73, 77, 79, 83, 85, 86, 88, 90, 93, 105, 112, 115, 151

phase 相位, 21, 37, 67, 101, 104, 132 encoder 编码器, 56 split spectrum 分谱仪, 114

PISC 钢构件检验计划, 13 planar 平面的, 68, 147

flaw 缺陷, 18 flaws, 9

point 点 diffractor 衍射法, 128

pulse 脉冲, 18, 21, 23, 37, 86 bipolar 双极性, 65 duration 持续时间, 85 echo 回波, 13 encoder 编码器, 55 tuning 调整, 35, 38, 71

S

SAFT 合成孔径聚焦技术, 103, 111 synthetic aperture focusing

technique, 51

sizing 定量, 7, 9, 19, 29, 83, 97, 102, 136, 145 backscatter 底面散射, 146 length 长度, 108

spatial 空间的 DSP 数字信号处理, 51

resolution 分辨率, 147

T

threadlike 线状的, 127, 132

W

weld flaws 焊接缺陷, 145

TWI TOFD教程20111013 自动保存的 - yhzh-tech.com · J.C.Drury, Silverwing于2004...

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