1 TOFD技术的重要背景
在焊缝和母材中最严重的缺陷类型是平面状的裂纹，因为它们很可能扩展并导致材料失效，由于超声可以对这种缺陷进行定位和定量分析，所以超声是比较适用的检测技术。在上个世纪60年代，与常规超声相比TOFD在缺陷定量方面有了很大的发展，尤其是在核工业和化工方面。在那个时候，在有些设备上即使发现缺陷，返修也是非常困难的，或者是根本不可能的，要想在焊接之后进行必要的热处理也是非常困难的。在核工业中也存在同样的问题，原因是存在非常强的辐射水平很难接近，如果关闭和更换这些设备，代价是非常昂贵的。
塑性力学科学的反展使得预测缺陷扩展速度成为可能，用这门技术可以确定设备安全运行下危害的临界尺寸。通常因为计算必须的所有特征数据很难确定（例如断裂韧性），因此评估不得不非常保守，导致对一些缺陷危害性不大的设备进行返修。
如果通过连续的超声检测证实了缺陷没有扩展，或者是缺陷的扩展速度比预期的要慢，这样的结果对于设备的使用者来说非常重要；如果缺陷是比较稳定的，并且是在临界尺寸之内，那么这个设备就能正常的运行；如果缺陷的扩展速度不快，设备可以保持很长的使用寿命。同样的，如果能对缺陷的扩展速度进行精确测量，那么对设备的维修和更换也是非常有益的，这样可以节约设备使用者很大一笔费用，意外的设备停工和没有计划的抢修都是设备使用者所不愿意看到的。
为了测量裂纹的扩展速度，我们必须精确测定缺陷的尺寸，在图1中我们可以看出，常规超声在缺陷定量方面是非常不充分的，这两个图表给出了特定缺陷的预期寿命曲线，它们都估计出达到临界尺寸大约需要1.5年，在上部的图中给出了常规超声测量裂纹高度的结果，由于在裂纹长度测量上面的误差，夸大了此裂纹的扩展危害，因此得出的预期寿命比真实寿命要短；下面的图中给出了使用TOFD测量的结果，由于误差比较小，而测量的结果也说明了裂纹实际的延伸比预期的延伸要慢，所以设备的使用寿命是比较长的。
精确的测量尺寸有利于减少伪缺陷的数量，如果探测到了密集型的气孔，我们要精确的测量它们的尺寸，而常规的脉冲回波测量这样尺寸的能力是非常低的，原因是常规脉冲回波在尺寸定量上存在很大的误差，实际测量的尺寸比真实的尺寸要大，从而在报告中得到的尺寸是不真实的，这样就夸大了很多良性的缺陷。
在原理上可以看出TOFD的定量是很准确的，因此可以降低检测的误判率。
2利用脉冲回波技术检测缺陷尺寸
脉冲回波技术检测缺陷尺寸取决于缺陷的尺寸，与波束的传播也有关
3 对比不同的技术的缺陷定量精度
其他技术也可做缺陷定量检测。对于表面开口缺陷，如果能够接近表面，则ACPD是一种精度高的技术。这种技术通过测定两接触表面的电压降来实现。当缺陷在工件的任意一面时，电压降由于受电流的作用而流向有缺陷的一面。ACFM技术也可以检测近表面缺陷的尺寸。最精确和有用的方法之一就是TOFD技术，此技术可以测出缺陷的高度。TOFD技术也是本课程学习的重点内容。下表列出了TOFD技术与其他技术对裂纹定量精度对比值，从而说明TOFD技术的重要性。
人工脉冲回波4 mm
ACPD (仅限于表面缺陷)1 mm
TOFD1 mm
TOFD 用于监测裂纹扩展0.3 mm
TOFD发展简史
在上一节中叙述了对于裂纹精确定量的重要性，尤其是在核工业方面，在这样的前提下，国际原子能中心的哈韦尔(英国原子能权威人士-UKAEA)要求史克.毛瑞斯努力发展比常规超声精确的缺陷定量技术。在上个世纪70年代早期,史克博士发展了我们大家所知道的时差衍射技术(TOFD)。
和常规的脉冲回波相比有两个最大的不同是:
A) 有很高的定量精度(绝对的误差是正负1毫米, 而监测的误差是正负0.3毫米), 在检测的过程中对缺陷的角度不敏感, 定量是基于衍射信号的传播时间而不是基于信号的波幅。
B) 使用TOFD的时候, 单一的波幅不能被用于作为判废和合格的依据, 原因是衍射信号的波幅不依赖于缺陷的尺寸, 在保证全覆盖的前提下对所有的数据进行分析, 因此进行TOFD的培训和经验是非常重要的。
很多年以来，TOFD一直在实验室里，在80年代早期，英国做了大量的实验证实了：对于反应堆的压力容器和主要部件来说，TOFD作为超声检测是比较可行的技术，这时TOFD才被业界所公认。在上个世纪70年代的末期，这些实验是大家所知的缺陷探测试验（DDT）;这些实验也应用在国际的PISC系统。因此，美国机械工程师协会认可了TOFD ，在可靠性和精度方面，常规脉冲回波获得的结果是非常差的（见13章），而TOFD在定量方面是非常精确的，使用其它的技术作了许多不同的实验，在这些试验中，用事实证明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技术。
TOFD最初的发展仅仅是作为定量的工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷然后使用TOFD进行精确的定量，特殊的应用是： 监测在线设备裂纹的扩展，例如用于检测压力容器。
然而，TOFD完全被接受是在上个世纪80年代中期，尤其是在石油和天然气行业，因为它们在海上和陆地上都要进行检测，出于经济利益的考虑，对于一些良性的缺陷，不可能进行维修，只要定期进行检测观察它的扩展。使用一对TOFD探头沿着焊缝进行扫查就能发现所有的缺陷，把扫查数据组成一个视图（B或者D扫）对于判断复杂的几何外形和焊趾也很有帮助，这样比单纯看A扫更容易判断缺陷的尺寸和性质，一个非常好的例子是：使用TOFD在海上石油工业检测焊趾的腐蚀。
衍射信号的随角度的变化
图3.4解释了衍射波幅随角度的变化。一个位于两个TOFD探头中间的垂直缺陷的上尖端和下尖端的信号变化，被作为与波束法线夹角的一个函数。在钢材中，波幅最大时的角度为65度，裂缝下尖端的信号略大于上尖端的信号，但是整个波幅基本相似。在45度到80度之间，波幅变化小于6dB。在38度时，裂缝下尖端的信号下降很大，而在20度时波幅又有所回升。典型的检测角度是45度，60度和70度。
在钢材中，横波在上尖端的最佳角度是45度，在下尖端的最佳角度是57度。对于缺陷与平板不垂直的情况，两个探头的计算方法更复杂，1989年Charlesworth 和 Temple对这种情况进行了研究分析，相对大的角度对波幅影响很小。
因此，与脉冲回波不同，TOFD最大的优点是衍射信号与角度和缺陷方向无关。
TOFD很难检测到近表面的缺陷，如果只做一种扫查，10mm深度范围内的缺陷都难以检测。但是，减小PCS或采用高频探头能够减少近表面的影响范围，不过覆盖面会减小。例如，采用15MHz的探头和较小的PCS，可以检测到工件表面1mm深左右缺陷。
TOFD的优点
对于焊缝中部缺陷检出率很高
容易检出方向性不好的缺陷
可以识别向表面延伸的缺陷
采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现100%焊缝覆盖。
沿焊缝作一维扫查，具有较高的检测速度。
缺陷定量、定位精度高。
根据TOFD可进行ECA分析（缺陷寿命评估）。
局限性
在上、下表面附近盲区
对“噪声”敏感
解释需要有经验
标准问题 (DL/T JB/T4730.10)
早在1959 年，Tom Brown在Kelvin 和Hughes注册了一项环形动态聚焦探头的专利，后来被称为相控阵。
在19世纪60年代，早期的科学研究主要局限于实验室，但在60年代末，70年代早期，医学物理学者受到潜在的人体超声成像的鼓舞。
工业相控阵
1999年前超声相控阵技术在工业的应用一直很少。
最主要的原因是缺乏对多晶片探头进行快速激发所需的计算能力以及处理扫查产生的大数据文件的能力。
工业超声检测与医学超声检测的不同之处
1） 超声波在人体中的传播速度远小于在金属中的传播速度。人体通常为1500m/s左右、金属6000 m/s左右所以，同频率的超声波在人体中的波长远小于在金属中的波长。在相控阵超声检测系统来说，空间分辨率是由脉冲回波声场的主瓣宽度决定的，主瓣宽度正比于介质中的波长。对于同孔径同频率的探头来说，金属空间分辨率远低于人体。
2） 金属工件和人体中的检测对象差异
超声波垂直入射到异质界面时，反射系数R=Z2+Z1/ Z2-Z1。工业检测中，缺陷的声阻抗值差异较大，如裂纹、气孔，夹杂物；工业检测中检测目标的尺寸更小（往往小于1mm）。工业相控阵对空间分辨率和对比度分辨率要求更高。
3 ）工业超声检测和医学应用的条件差异
工业检测中，阵列探头阵元间的串扰不可避免。
4 ）经验
医学：器官和结构大致相同
工业：形状复杂多变
相控阵技术的原理
相控阵技术是一种通过电子激发的时间不同而改变探头性质的技术。
多个换能器阵元按照一定形状、尺寸排列，构成超声阵列换能器，分别调整每个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，从而形成发射聚焦和声束偏转等效果。
相控阵技术的优点
相控阵技术的优点可以概括为：
快速。采用电子方法控制声束聚焦和扫描，可以在不移动或少移动探头的情况下进行快捷的扫查，提高检测速度。
灵活。单个相控阵探头根据设置文件采用不同的扫查方式就可以检测不同的部件。
可进行复杂检测。相控阵可以检测几何形面复杂的试块，例如采用自动检测可以轻而易举地检测焊缝和槽。相控阵就是也可以采用各种扫查方式，例如双轴式，多种角度式，多种模式，分区扫查。
阵列尺寸小。小晶片的阵列在具体检测中易于应用，例如用在检测空间受限的管道，叶轮等工件中。
机械可靠性强。检测时，在工件上移动量越少，则检测系统越可靠。用电子扫查代替机械扫查，既减少了磨损，又增加了系统的可靠性。
方向难以辨别的缺陷可检测性增强。波束的聚焦增加了信噪比。在扇形扫查中，大量的A扫数据增加了每个角度的分辨率，从而增强了检出率。
相控阵的聚焦形式
相控阵的聚焦形式主要包括：扇形聚焦、线性聚焦、深度聚焦、静态聚焦、动态深度聚焦和线性环形聚焦。