衍射时差法超声波检测模块硬件设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 常规无损检测方法

无损检测（简称NDT）是指对材料或工件实施一种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测手段，通过使用各类无损检测手段，能发现材料或工件表面和内部所存在的缺陷。因为这些缺陷的存在可能直接影响着所组成设备的安全运行，所以通过NDT技术实时检测出这些缺陷并进行评价具有十分重要的意义^[1]。

常规无损检测技术主要有磁粉检测、渗透检测、涡流检测、射线检测以及超声波检测。磁粉检测能够检测铁磁性材料表面及近表面缺陷，对缺陷的深度较难定位；渗透检测中使用的渗透液对零件和环境有污染，孔隙和表面粗糙会有附加背景产生，从而干扰检测结果，且只局限于检测部件表面开口缺陷；涡流检测的检测灵敏度相对较低，用于检测导电材料表面及近表面缺陷；射线检测能够检测表面及内部缺陷，但不能确定缺陷在壁厚方向上的尺寸；超声波检测能够检测表面及内部缺陷，且能对缺陷进行定位和定量，但常规超声波检测定量精度不高^[2]。

超声波检测技术作为五大常规检测技术之一，与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点。这种检测技术主要是基于超声波在试件中的传播特性声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件，超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变，改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析，根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。超声波检测技术用于检测、成像和估算缺陷的尺寸，在电力、石油、机械等许多工业应用中很受欢迎，已经成为无损检测领域中应用最广泛、最高效的无损检测方法^[3]。

1. TOFD超声检测方法

1977年，英国Harwell实验室的Silk教授和Lidington博士基于惠更斯(Huygens)原理首次提出了衍射时差法（TOFD）超声波检测方法。TOFD检测方法属于超声波无损检测方法的范畴，但又有别于传统的超声波无损检测方法(超声波脉冲反射法、超声波穿头法)，因此，在超声无损检测技术中，TOFD技术越来越受到重视^[4]。

TOFD超声检测方法基于惠更斯原理工作，即利用衍射现象，当波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播。当被检工件或焊缝中存在缺陷，由激励探头发出的超声波遇到缺陷时，一方面超声波将被反射，产生反射波；另一方面，根据惠更斯原理，缺陷尖端将作为新声源向四周发射近似柱面波或球面波的衍射波^[5]。TOFD技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收,接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和尺寸^[6]。

TOFD检测技术的定量精度高，精度远远高于常规超声波检测。一般认为，对缺陷垂直方向的定量和定位非常准确，精度误差小于1 mm；对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米。TOFD一次扫查几乎能够覆盖整个焊缝区域(除上下表面盲区)，可以实现非常高的检测速度；可靠性更好，对于焊缝中部缺陷检出率很高；能够发现各种类型的缺陷，对缺陷的走向不敏感。除了拥有这些技术优势以外，TOFD检测技术也仍然具有一定的局限性。由于直通波和底面回波所造成的盲区，工件上下两表面一定范围内的缺陷可能会被漏检；直通波的传播受工件几何形状和耦合状况影响较大；检测前的准备和设置耗时较多，缺陷的解读和图形的识别对技术人员要求较高^[7]。

由于TOFD超声波检测技术在缺陷检测和定量方面具有独到的优势，因此TOFD技术在电力行业得到了快速发展，应用范围越来越广泛。

1. 超声收发电路设计

超声收发电路是TOFD检测仪器的重要组成单元，它完成从超声波发射和接收到衰减、检测、放大等一系列超声波信号在检测仪器中的模拟部分的信号处理^[8]。