的存储都很困难，也无法进行复杂的分析处理等等，而如果将模拟信号转换为数字信号，上面的问题都会迎刃而解。数字化技术可以说是计算机技术、多媒体技术、智能技术和信息技术的基础。同样，TOFD技术能够发展和应用起来，前提条件也取决于超声模拟信号的数字化。
TOFD技术要求保存扫查过程中每个检测位置的完整的未处理的 A扫信息，这些信息就是模拟信号转换为数字信号之后保存的。采用数字化来记录保存超声波检测数据有很多优点：
1.能够实现检测数据的长期和海量的存储。
2.便于采用各种信号处理的操作，比如信号增强、平均、叠加等等。 3.可以随时取来使用、再分析等等，而且文件传输方便。 4.精度比较高，抗干扰能力强。
2.2 数模转换和数字采样
超声波检测的模拟系统优点是速度快，队列探头的激发、回波的峰值检测，以及信号的放大和滤波都是在模拟模式下进行的。然而，由于需要存储所有的检测数据并对数据进行进一步的分析和处理，模拟信号必须进行数字化。
模拟信号数字化的主要原理是，对模拟波形用相同的时间间隔来进行取样，每个样本的信息包括幅度、位置和相位，然后由计算机保存起来。这样保存在计算机中的信息就不是波形，而是由一连串包含足够特征量，能够重建该A扫显示的数字信号。
模拟信号的数字化必须遵循采样定理。采样的意思就是将一个模拟信号转换成一个数值序列。采样定理指出：要使信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。采样定理是数字电子技术和信息技术中的重要定理之一，最早由美国物理学家奈奎斯特（Harry Nyquist）于1928年提出。1933年苏联工程师科杰利尼科夫（V.A.Kotelnikov）用公式严格的表述这一定理，因此有时这一定理也被称为奈奎斯特-科杰利尼科夫采样定理。1948年信息论的创始人香农（Claude Shannon）对这一定理加以明确说明并正式作为定理引用，因此许多文献中又称之为香农定理。采样定理在信息处理、数字通信和采样控制理论等领域有广泛的应用。
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前面采样定理指出采样频率必须大于信号最高频率的两倍，因为只有这样才可以保证正弦波的每个半周期内至少有一个样点，这被称为Nyquist极限。如果采用低于信号最高频率两倍的采样频率来进行采样，则采样点不足以使每个半周期内都有一个样本，那么当进行信号重建时，将不能重建正确的频率，那么计算机也不能得到正确的数据。因此采用正确的采样频率是很有必要的。
例如某探头频率是5MHz，数字化频率是25MHz。该A扫波形以每1/25=0.04μs的时间间隔进行样本采集，那么在回波信号的一个周期内（1/5=0.2μs）内将有5个样本。
模拟/数字转换器以选定的采样率对A扫信号进行取样。采样点的位置相对于超声波信号的任何位置是随机的，因此一个样本能否取在正半周期波峰或者负半周期波峰都是有一定几率的，这样的话最大振幅的测量有可能不正确。数字化频率越高，样本采集到峰值的几率就越大，数字信号对于模拟信号失真的程度就越小。
实际情况下，采样数量越多，重构的波形越精确。要得到理想的波形，可以提出高的要求，例如每周期采样10个样本或者更多，那么对于上述例子来说采样频率就要采用50MHz或者更高。但是采样频率越高，也意味着TOFD的A扫的采样点数量越大，仪器所需要的存储空间也就越大，扫查的速度也会降低。
当检测厚度很大的焊缝时，TOFD的 A扫的持续时间会很长，如果仍选取很高的数字化频率，那么样本的数量会很大。因此要寻找一个折中的方案：要获得一个合适的数字化峰值信号（平均误差在10%以内），每个信号周期至少需要5个样本。需要指出的是，对于常规的脉冲回波检测，因为任何尺寸估计都依靠猜测信号振幅的最大值，所以数字化采样取到波峰很重要。而对于TOFD检测技术来说，峰值的测量并不十分重要，因为衍射点的深度与信号到达时间有关，并不取决于信号的幅度。总之，要想保证检测的准确性，必须要减小信号失真，这就意味着要有足够的采样点数量。典型的探头频率如2MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz，则所使用的数字化采样频率至少应该达到10 MHz，25 MHz，50 MHz，75 MHz。目前很多数字超声波系统的最大数字化采样频率已经超过了60 MHz。
总之，对模拟信号进行采样时，使用的数字化频率至少是该信号频率的两倍，工业检测应用的数字化频率应该至少是探头中心频率的5倍。
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2.3 灰度成像和D扫
扫查后显示的A扫是数字采样后得到的信息，它是由一组表示数字化样本的点绘制而成的。屏幕的纵坐标表示幅度（+100%到-100%全屏幕高度），而横坐标表示从发射脉冲开始，超声信号传输的时间。使用光标从显示的A扫中可以进行幅度和时间测量。
连续不断的A扫波可以显示成D扫或者B扫图像。D扫的意思是沿着焊缝的扫查，B扫的意思是垂直于焊缝的扫查。两种扫查图像都是由一系列A扫波组成的。使用D扫或者B扫图像的优点是能够又快又准地发现缺陷。有些衍射信号非常弱，在一个独立的A扫波中可能不易被发现，但是在连续的A扫波组成的D扫图或者B扫图中则很容易被识别。
在D扫图像中，采用了不同灰度的等级来表示信号的幅度。在灰度码中，振幅的范围从纯白色到纯黑色，其中纯白色表示+100%满屏信号，经过在0%位置的中间灰色，到纯黑色表示-100%满屏。但是有些系统可能使用反向灰度表示，即从黑色到白色，选择哪一种表示方式对检测结果影响并不大。
由此可知一个A扫信号可以转换为由许多淡灰色和深灰色的色点交替组成的一行，色点的数量取决于采样频率，色点的灰度取决于采样点的幅度。我们可以采用增强对比度来提高信号振幅，这依赖于一些算法。其中最简单的方法就是使用一个刻度从-100%到+100%全屏高度的线性振幅来计算。在一个很小的振幅刻度范围内使用全灰度等级，使灰度级别黑色变为白色，从而实现对比度增强。例如在-50%到+50%全屏高度范围内使用全灰度等级，振幅超出+50%显示为纯白，低于-50%显示为纯黑，这样可以使信号的微小变化也很容易被发现。
正常情况下TOFD扫查图像的横坐标代表扫查方向和探头相对位置，纵坐标是声波传输时间，代表工件厚度方向。A扫信号的波幅在成像的过程中会转换成对应的灰度，图像中信号显示由一些白色和黑色的条纹构成。条纹的白与黑次序与信号的相位有关，可根据信号相位的关系来判断扫查图像中的直通波、底面反射波以及缺陷的上下端点信号。在测量信号的传输时间、深度值或缺陷的高度值时，通常测点选在条纹的白-黑交界或者黑-白交界处。
一幅合格的TOFD图像需要满足的条件是：通过观察该图，可以判断其增益设置比较适当，扫查过程很平稳，获取的信息比较完整。由直通波可以判断其A
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扫波幅在40%-80%之间，增益选择恰当；直通波没有被干扰，扫查速度适当均衡，耦合良好；缺陷信号清晰明显；下表面反射波很直而且下表面变型波显示正常等等。
2.4 TOFD检测系统的组成
TOFD检测系统主要包括硬件系统和软件系统。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。我们可以认为扫查器、探头和试块都是TOFD检测仪器的功能延伸，试块用来调校仪器、探头和扫查器的参数，探头负责将仪器的发射电脉冲转换成超声波进入检测工件，并将接收到的超声信号转换为电信号传给检测仪器。 2.4.1 TOFD检测仪器的主要功能
TOFD检测仪器是一种由计算机控制的能够满足TOFD检测工艺过程特殊要求的数字化超声波检测仪，主要用来实现以下功能：
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。 典型的TOFD检测仪器可以分为模拟和数字两个部分，包括脉冲发射电路、信号接收放大器、模/数转换电路、数字逻辑控制电路、接口电路、探头位置传感器等六个单元和计算机终端。
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。多数仪器会有多条发射/接收通道，在计算机控制下进行顺序的多路传输。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。滤波将减小信号的幅度，但可以改善信噪比。对于非常弱的TOFD信号，需要大约70dB的增益，这时滤波器对提高信噪比非常有用。
如果TOFD信号非常弱或者探头距离主放大器非常远，在尽可能地接近接收
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探头的位置上使用一个分立的前置放大器是非常有用的。通常使用前置放大器将信号增益30或40dB。电池供电的前置放大器的优点是不与数据采集系统的外接电源相接，因此受到的电噪声的影响很少。
经过放大和滤波后的模拟信号通过模/数转化器转换为数字信号，存储在计算机存储器中，供TOFD检测人员分析处理。 2.4.2 TOFD检测仪器的主要性能指标
TOFD检测仪器的性能指标有如下的基本要求：
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。
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%。
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。
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