一种超声扫描显微镜检测金属材料内部夹杂物的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声扫描显微镜检测领域和超声波成像领域，尤其是一种超声扫描显 微镜检测金属材料内部夹杂物的方法。
【背景技术】
[0002] 在国家重大工程中，高品质钢内部的夹杂物可能会引发材料服役失效并造成严重 事故，因此对金属材料内部的夹杂物进行检测非常重要。目前检测金属材料内部夹杂物的 常用方法主要包括金相法、扫描电镜法、X射线透射法和电解法等。传统的金相法虽然简单 方便且能定量表征夹杂物，但分析过程耗时，且只能对夹杂物的二维形貌进行观察；扫描电 镜法可观察夹杂物的立体形貌及成分，但只能检测材料表面夹杂物，且对材料表面粗糙度 要求较高，无法获得夹杂物在材料内部的整体分布信息；X射线透射法可以实现大面积大 批量检查，但检测工作量大，检测费用高，且对人体有害；电解法可实现夹杂物的提取，但分 析周期长，容易对夹杂物造成破坏。超声扫描显微镜可以实现材料内部夹杂物的无损检测， 在无需对材料进行过多处理的条件下可获得夹杂物在材料内部的整体分布信息和准确的 空间位置坐标。
[0003] 超声扫描显微镜是利用高频超声波（5MHz以上）对材料内部进行微观成像的无损 检测设备，是检测材料内部夹杂物的有效手段。它利用高频聚焦超声波，对材料表面、亚表 面及其内部一定深度的细微结构进行显微成像。超声扫描显微镜采用脉冲回波技术工作， 如图1所示，系统主要由①超声换能器、②电子部分（信号转换、电脑控制）和③软件部分 (各种扫描模式、参数存储）组成。其中，聚焦超声换能器主要用于发射和接收高重复率的 超声脉冲信号，是系统最关键的部件之一。换能器的频率越高，焦斑直径越小，横向分辨率 越高，在进行超声显微检测时，应尽量提高换能器的检测频率。但是，换能器的频率越高，声 强衰减越大，穿透能力急剧下降；此外，过高的检测频率还会降低信号的信噪比，使得回波 信号常湮没在噪声信号中而难以分辨。因此，如何选出合适参数的换能器是决定超声检测 效果的关键因素之一。
[0004] 超声扫描显微镜检测材料内部夹杂物时，聚焦换能器的压电晶片受脉冲发射器发 出的负尖脉冲作用，由逆压电效应产生超声脉冲信号，在透镜-耦合剂的界面发生强烈折 射，并在透镜的轴向聚焦。聚焦的超声脉冲信号与被测样品的表面及内部发生相互作用，经 反射后被换能器接收，再利用压电晶片的正压电效应将声压信号转化为电信号，从而实现 材料内部夹杂物检测的目的。
[0005] 为了获得样品内部夹杂物在一定深度处的平面分布信息，扫描机构需在样品上方 进行蛇形扫描，样品每一点的时域波形均按空间坐标进行记录，利用高速数据采集卡逐点 采集接收A扫信号，并利用A扫信号的回波幅值实现快速成像。超声扫描显微镜接收扫查 区域中某点的A扫波形示意图，如图2所示，横坐标为时间，表征了被测样品的深度信息，纵 坐标为信号幅值。超声回波信号包含界面波、缺陷回波和底面回波，其中，界面波至缺陷回 波之间的时间间隔h可用于计算夹杂物在样品内的深度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种超声扫描显微镜检测材料内部夹杂物的方法，首先对聚 焦换能器进行参数选型，然后通过分层成像获得夹杂物在材料内部的整体分布信息，由二 次聚焦原理调整换能器的高度，最后根据精细C扫成像以及A扫时域波形确定夹杂物在材 料内部的空间位置坐标。
[0007] 本发明的实现步骤如下：
[0008] 1)根据检测精度要求及样品厚度，给出换能器选型的依据是：由换能器的频率、 焦距和晶片半径计算出的检测分辨率应小于检测精度要求（最小夹杂物尺寸），防止漏检 误判；聚焦换能器的可穿透深度应大于样品厚度，保证能对整个样品进行全厚度范围的成 像检测；
[0009] 2)对整个样品进行分层C扫获得夹杂物在样品内部的整体分布信息和三维形貌， 并确定目标扫查层所处深度Z ;
[0010] 3)根据二次聚焦原理
【主权项】
1. 一种超声扫描显微镜检测金属材料内部夹杂物的方法，其特征在于，该方法包括以 下步骤： 步骤1，根据被检样品的厚度和检测精度要求进行超声换能器的参数选型； 步骤2,对被检样品进行逐层粗扫成像获得夹杂物在材料内部的整体分布信息和三维 形貌，确定目标扫查层所处位置的深度值Z ; 步骤3,根据二次聚焦原理计算换能器至被检样品的表面距离WP，具体公式如下：
其中，F为焦距，Ctm为被检样品的声速，c w为水的声速，Z为目标扫查层所处深度；根据 计算得到的超声换能器至被检样品表面距离WP，调整超声聚焦换能器的高度，使超声聚焦 换能器至被检样品的距离为W P，从而使得目标扫查层位于焦区内，提高缺陷回波的幅值；通 过精细C扫成像获得目标扫查层上夹杂物的平面分布信息； 步骤4,提取目标扫查层上夹杂物所在点的A扫时域波形，获得界面 波至缺陷回波的时间间隔h，带入公式（2)中计算目标扫查层上夹杂物在 被检样品中的深度值h，公式如下：
其中，h为测量界面波至缺陷回波的时间间隔，c tm为被检样品中的声波的传播速度； 深度值h反映了目标层上夹杂物在被检样品内部的所处深度信息，结合精细C扫成像 得到目标扫查层上夹杂物的平面分布信息，即可准确获得目标层上的夹杂物在被检样品内 部的空间位置。
【专利摘要】本发明涉及一种超声扫描显微镜检测金属材料内部夹杂物的方法，该方法具体步骤如下：首先，根据被检材料的厚度和检测精度要求进行超声换能器的参数选型；然后，对样品进行逐层粗扫成像获得夹杂物在材料内部的整体分布信息和三维形貌；调整换能器的轴向位置，使其准确聚焦于目标扫查层，进行精细C扫成像获得目标扫查层处夹杂物的平面分布信息；最后，由A扫时域波形获得夹杂物的深度信息，从而确定目标扫查层处夹杂物在材料内部的空间位置坐标。采用上述技术方案，本发明可实现材料内部夹杂物的无损检测，利用计算得到的水声程可较准确的调整换能器竖直高度，实现较高效率及精度的聚焦扫查，进而获得夹杂物在材料内部的准确空间位置。
【IPC分类】G01N29-06
【公开号】CN104634876
【申请号】CN201510050646
【发明人】孙韵韵, 肖会芳, 徐金梧, 陈丹, 杨荃, 黎敏
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月30日