[發明專利]一種超聲掃描顯微鏡檢測金屬材料內部夾雜物的方法

在審

• 申請號: 201510050646.5
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104634876A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 孫韻韻;肖會芳;徐金梧;陳丹;楊荃;黎敏
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明涉及超聲掃描顯微鏡檢測領域和超聲波成像領域，尤其是一種超聲掃描顯微鏡檢測金屬材料內部夾雜物的方法。

背景技術

在國家重大工程中，高品質鋼內部的夾雜物可能會引發材料服役失效并造成嚴重事故，因此對金屬材料內部的夾雜物進行檢測非常重要。目前檢測金屬材料內部夾雜物的常用方法主要包括金相法、掃描電鏡法、X射線透射法和電解法等。傳統的金相法雖然簡單方便且能定量表征夾雜物，但分析過程耗時，且只能對夾雜物的二維形貌進行觀察；掃描電鏡法可觀察夾雜物的立體形貌及成分，但只能檢測材料表面夾雜物，且對材料表面粗糙度要求較高，無法獲得夾雜物在材料內部的整體分布信息；X射線透射法可以實現大面積大批量檢查，但檢測工作量大，檢測費用高，且對人體有害；電解法可實現夾雜物的提取，但分析周期長，容易對夾雜物造成破壞。超聲掃描顯微鏡可以實現材料內部夾雜物的無損檢測，在無需對材料進行過多處理的條件下可獲得夾雜物在材料內部的整體分布信息和準確的空間位置坐標。

超聲掃描顯微鏡是利用高頻超聲波(5MHz以上)對材料內部進行微觀成像的無損檢測設備，是檢測材料內部夾雜物的有效手段。它利用高頻聚焦超聲波，對材料表面、亞表面及其內部一定深度的細微結構進行顯微成像。超聲掃描顯微鏡采用脈沖回波技術工作，如圖1所示，系統主要由①超聲換能器、②電子部分(信號轉換、電腦控制)和③軟件部分(各種掃描模式、參數存儲)組成。其中，聚焦超聲換能器主要用于發射和接收高重復率的超聲脈沖信號，是系統最關鍵的部件之一。換能器的頻率越高，焦斑直徑越小，橫向分辨率越高，在進行超聲顯微檢測時，應盡量提高換能器的檢測頻率。但是，換能器的頻率越高，聲強衰減越大，穿透能力急劇下降；此外，過高的檢測頻率還會降低信號的信噪比，使得回波信號常湮沒在噪聲信號中而難以分辨。因此，如何選出合適參數的換能器是決定超聲檢測效果的關鍵因素之一。

超聲掃描顯微鏡檢測材料內部夾雜物時，聚焦換能器的壓電晶片受脈沖發射器發出的負尖脈沖作用，由逆壓電效應產生超聲脈沖信號，在透鏡-耦合劑的界面發生強烈折射，并在透鏡的軸向聚焦。聚焦的超聲脈沖信號與被測樣品的表面及內部發生相互作用，經反射后被換能器接收，再利用壓電晶片的正壓電效應將聲壓信號轉化為電信號，從而實現材料內部夾雜物檢測的目的。

為了獲得樣品內部夾雜物在一定深度處的平面分布信息，掃描機構需在樣品上方進行蛇形掃描，樣品每一點的時域波形均按空間坐標進行記錄，利用高速數據采集卡逐點采集接收A掃信號，并利用A掃信號的回波幅值實現快速成像。超聲掃描顯微鏡接收掃查區域中某點的A掃波形示意圖，如圖2所示，橫坐標為時間，表征了被測樣品的深度信息，縱坐標為信號幅值。超聲回波信號包含界面波、缺陷回波和底面回波，其中，界面波至缺陷回波之間的時間間隔t₀可用于計算夾雜物在樣品內的深度。

發明內容

本發明的目的是提供一種超聲掃描顯微鏡檢測材料內部夾雜物的方法，首先對聚焦換能器進行參數選型，然后通過分層成像獲得夾雜物在材料內部的整體分布信息，由二次聚焦原理調整換能器的高度，最后根據精細C掃成像以及A掃時域波形確定夾雜物在材料內部的空間位置坐標。

本發明的實現步驟如下：

1)根據檢測精度要求及樣品厚度，給出換能器選型的依據是：由換能器的頻率、焦距和晶片半徑計算出的檢測分辨率應小于檢測精度要求(最小夾雜物尺寸)，防止漏檢誤判；聚焦換能器的可穿透深度應大于樣品厚度，保證能對整個樣品進行全厚度范圍的成像檢測；

2)對整個樣品進行分層C掃獲得夾雜物在樣品內部的整體分布信息和三維形貌，并確定目標掃查層所處深度Z；

3)根據二次聚焦原理調整超聲換能器的高度，使其準確聚焦于目標掃查層，如圖3所示；

4)通過精細C掃成像獲得目標掃查層上夾雜物的平面分布信息，并對感興趣區域進行局部C掃成像；

5)提取夾雜物處的A掃時域波形，利用界面波至缺陷回波之間的時間間隔t₀計算夾雜物在被測樣品中的深度，從而獲得夾雜物的空間位置坐標。使用超聲掃描顯微鏡來檢測金屬材料內部夾雜物的有益效果是：實現材料內部夾雜物的無損檢測，利用計算得到的水聲程可較準確的調整換能器豎直高度，實現較高效率及精度的聚焦掃查，進而獲得夾雜物在材料內部的準確空間位置。

附圖說明：

圖1超聲掃描顯微鏡系統示意圖。

圖2超聲掃描顯微鏡A掃時域波形圖示意圖。

圖3超聲掃描顯微鏡的二次聚焦原理圖。