一種超聲掃描顯微鏡檢測(cè)金屬材料內(nèi)部夾雜物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲掃描顯微鏡檢測(cè)領(lǐng)域和超聲波成像領(lǐng)域，尤其是一種超聲掃描顯 微鏡檢測(cè)金屬材料內(nèi)部夾雜物的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在國(guó)家重大工程中，高品質(zhì)鋼內(nèi)部的夾雜物可能會(huì)引發(fā)材料服役失效并造成嚴(yán)重 事故，因此對(duì)金屬材料內(nèi)部的夾雜物進(jìn)行檢測(cè)非常重要。目前檢測(cè)金屬材料內(nèi)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(tǒng)的金相法雖然簡(jiǎn)單 方便且能定量表征夾雜物，但分析過程耗時(shí)，且只能對(duì)夾雜物的二維形貌進(jìn)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(cè)材料表面夾雜物，且對(duì)材料表面粗糙度 要求較高，無法獲得夾雜物在材料內(nèi)部的整體分布信息；X射線透射法可以實(shí)現(xiàn)大面積大 批量檢查，但檢測(cè)工作量大，檢測(cè)費(fèi)用高，且對(duì)人體有害；電解法可實(shí)現(xiàn)夾雜物的提取，但分 析周期長(zhǎng)，容易對(duì)夾雜物造成破壞。超聲掃描顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部夾雜物的無損檢測(cè)， 在無需對(duì)材料進(jìn)行過多處理的條件下可獲得夾雜物在材料內(nèi)部的整體分布信息和準(zhǔn)確的 空間位置坐標(biāo)。
[0003] 超聲掃描顯微鏡是利用高頻超聲波（5MHz以上）對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行微觀成像的無損 檢測(cè)設(shè)備，是檢測(cè)材料內(nèi)部夾雜物的有效手段。它利用高頻聚焦超聲波，對(duì)材料表面、亞表 面及其內(nèi)部一定深度的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微成像。超聲掃描顯微鏡采用脈沖回波技術(shù)工作， 如圖1所示，系統(tǒng)主要由①超聲換能器、②電子部分（信號(hào)轉(zhuǎn)換、電腦控制）和③軟件部分 (各種掃描模式、參數(shù)存儲(chǔ)）組成。其中，聚焦超聲換能器主要用于發(fā)射和接收高重復(fù)率的 超聲脈沖信號(hào)，是系統(tǒng)最關(guān)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(jìn)行超聲顯微檢測(cè)時(shí)，應(yīng)盡量提高換能器的檢測(cè)頻率。但是，換能器的頻率越高，聲 強(qiáng)衰減越大，穿透能力急劇下降；此外，過高的檢測(cè)頻率還會(huì)降低信號(hào)的信噪比，使得回波 信號(hào)常湮沒在噪聲信號(hào)中而難以分辨。因此，如何選出合適參數(shù)的換能器是決定超聲檢測(cè) 效果的關(guān)鍵因素之一。
[0004] 超聲掃描顯微鏡檢測(cè)材料內(nèi)部夾雜物時(shí)，聚焦換能器的壓電晶片受脈沖發(fā)射器發(fā) 出的負(fù)尖脈沖作用，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲脈沖信號(hào)，在透鏡-耦合劑的界面發(fā)生強(qiáng)烈折 射，并在透鏡的軸向聚焦。聚焦的超聲脈沖信號(hào)與被測(cè)樣品的表面及內(nèi)部發(fā)生相互作用，經(jīng) 反射后被換能器接收，再利用壓電晶片的正壓電效應(yīng)將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn) 材料內(nèi)部夾雜物檢測(cè)的目的。
[0005] 為了獲得樣品內(nèi)部夾雜物在一定深度處的平面分布信息，掃描機(jī)構(gòu)需在樣品上方 進(jìn)行蛇形掃描，樣品每一點(diǎn)的時(shí)域波形均按空間坐標(biāo)進(jìn)行記錄，利用高速數(shù)據(jù)采集卡逐點(diǎn) 采集接收A掃信號(hào)，并利用A掃信號(hào)的回波幅值實(shí)現(xiàn)快速成像。超聲掃描顯微鏡接收掃查 區(qū)域中某點(diǎn)的A掃波形示意圖，如圖2所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，表征了被測(cè)樣品的深度信息，縱 坐標(biāo)為信號(hào)幅值。超聲回波信號(hào)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(shí)間間隔h可用于計(jì)算夾雜物在樣品內(nèi)的深度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種超聲掃描顯微鏡檢測(cè)材料內(nèi)部夾雜物的方法，首先對(duì)聚 焦換能器進(jìn)行參數(shù)選型，然后通過分層成像獲得夾雜物在材料內(nèi)部的整體分布信息，由二 次聚焦原理調(diào)整換能器的高度，最后根據(jù)精細(xì)C掃成像以及A掃時(shí)域波形確定夾雜物在材 料內(nèi)部的空間位置坐標(biāo)。
[0007] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0008] 1)根據(jù)檢測(cè)精度要求及樣品厚度，給出換能器選型的依據(jù)是：由換能器的頻率、 焦距和晶片半徑計(jì)算出的檢測(cè)分辨率應(yīng)小于檢測(cè)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(yīng)大于樣品厚度，保證能對(duì)整個(gè)樣品進(jìn)行全厚度范圍的成 像檢測(cè)；
[0009] 2)對(duì)整個(gè)樣品進(jìn)行分層C掃獲得夾雜物在樣品內(nèi)部的整體分布信息和三維形貌， 并確定目標(biāo)掃查層所處深度Z ;
[0010] 3)根據(jù)二次聚焦原理
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超聲掃描顯微鏡檢測(cè)金屬材料內(nèi)部夾雜物的方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟： 步驟1，根據(jù)被檢樣品的厚度和檢測(cè)精度要求進(jìn)行超聲換能器的參數(shù)選型； 步驟2,對(duì)被檢樣品進(jìn)行逐層粗掃成像獲得夾雜物在材料內(nèi)部的整體分布信息和三維 形貌，確定目標(biāo)掃查層所處位置的深度值Z ; 步驟3,根據(jù)二次聚焦原理計(jì)算換能器至被檢樣品的表面距離WP，具體公式如下：
其中，F(xiàn)為焦距，Ctm為被檢樣品的聲速，c w為水的聲速，Z為目標(biāo)掃查層所處深度；根據(jù) 計(jì)算得到的超聲換能器至被檢樣品表面距離WP，調(diào)整超聲聚焦換能器的高度，使超聲聚焦 換能器至被檢樣品的距離為W P，從而使得目標(biāo)掃查層位于焦區(qū)內(nèi)，提高缺陷回波的幅值；通 過精細(xì)C掃成像獲得目標(biāo)掃查層上夾雜物的平面分布信息； 步驟4,提取目標(biāo)掃查層上夾雜物所在點(diǎn)的A掃時(shí)域波形，獲得界面 波至缺陷回波的時(shí)間間隔h，帶入公式（2)中計(jì)算目標(biāo)掃查層上夾雜物在 被檢樣品中的深度值h，公式如下：
其中，h為測(cè)量界面波至缺陷回波的時(shí)間間隔，c tm為被檢樣品中的聲波的傳播速度； 深度值h反映了目標(biāo)層上夾雜物在被檢樣品內(nèi)部的所處深度信息，結(jié)合精細(xì)C掃成像 得到目標(biāo)掃查層上夾雜物的平面分布信息，即可準(zhǔn)確獲得目標(biāo)層上的夾雜物在被檢樣品內(nèi) 部的空間位置。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲掃描顯微鏡檢測(cè)金屬材料內(nèi)部夾雜物的方法，該方法具體步驟如下：首先，根據(jù)被檢材料的厚度和檢測(cè)精度要求進(jìn)行超聲換能器的參數(shù)選型；然后，對(duì)樣品進(jìn)行逐層粗掃成像獲得夾雜物在材料內(nèi)部的整體分布信息和三維形貌；調(diào)整換能器的軸向位置，使其準(zhǔn)確聚焦于目標(biāo)掃查層，進(jìn)行精細(xì)C掃成像獲得目標(biāo)掃查層處夾雜物的平面分布信息；最后，由A掃時(shí)域波形獲得夾雜物的深度信息，從而確定目標(biāo)掃查層處夾雜物在材料內(nèi)部的空間位置坐標(biāo)。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部夾雜物的無損檢測(cè)，利用計(jì)算得到的水聲程可較準(zhǔn)確的調(diào)整換能器豎直高度，實(shí)現(xiàn)較高效率及精度的聚焦掃查，進(jìn)而獲得夾雜物在材料內(nèi)部的準(zhǔn)確空間位置。
【IPC分類】G01N29-06
【公開號(hào)】CN104634876
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510050646
【發(fā)明人】孫韻韻, 肖會(huì)芳, 徐金梧, 陳丹, 楊荃, 黎敏
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日