超声波显微镜在无损检测中的应用.doc

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1、超声波显微镜在无损检测中的应用 陈昌华马钢股份有限公司技术中心 摘  要   介绍了三种显微镜的原理及超声波显微镜在产品检测中的应用。声学显微镜是无损、精细、高灵敏度地分析物体内部及表层结构的新型检测设备，利用时间门电路技术可以区分和获得材料内部不同深度的尺寸为微米到百微米的结构和缺陷。研究结果表明，超声波显微检测技术具有层间结构图像直观等特点,可用于电子工业、化工行业及钢铁工业等领域材料质量等方面的检测。检测过程中可实时显示被测材料的A,B 和C三种扫描图像,缺陷检测结果直观。主题词   超声波；显微镜；C-SAM；连续谱；灰度谱；深度C扫描；幅度C扫描  1. 前言超声波显微镜(SAM)

2、是以现代微波声学、硬件信号处理和计算机软件为基础，可以无损、精密地观察材料内部结构三维图像(3DImage)的新型声学设备。超声波检测具有良好的穿透性、反射性，易于穿透不透明的物体及二种声阻抗之间易形成反射波（声压反射率公式：rp=（Z2cosα-Z1cosβ）/（Z2cosα+Z1cosβ），式中：Z1-介质的声阻抗；Z2-介质的缺陷声阻抗；α-入射角；β-反射角，当超声波垂直入射时，cosα=cosβ=1；当入射波与反射波同为一种波型时，α=β，上述公式简化为：rp=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)），超声波显微反差的机理是被测材料微观声学参数或力学参数的差异与分布。传统超声检测技术的工作

3、频率是1～10MHz,由于其使用频率较低,检测分辨率不高；而超声显微检测技术最常用的工作频率为10～100MHz，甚至可以达到2GHz, 检测分辨率极高。超声波扫描显微镜的特点在于能够精确的反映出材料声波和微小的弹性介质之间的相互作用，并对从材料内部反馈声阻抗的信号进行分析，图像上（B-Scan,　C-Scan）的每一个象素点对应着材料内某一特定深度的一个二维空间坐标点上的信号反馈。一副完整的图像逐行逐列的扫描材料完成，反射回来的超声波信号调理后送出检波或射频，这样就可以用信号传输的时间反映出材料的深度，用户可通过屏幕上的数字波形展示出接收到的反馈信息（A-Scan，TOFD）。设置相应的门

4、控电路，用这种定量的时间差测量（反馈时间显示），就可以选择您所要分析的材料深度。扫描超声显微镜方法是分析材料多层结构分布的最重要的无损检测方法，可以很好地探测出空洞、分层和水平裂纹，而光学显微镜（属于破坏性检验）、X射线检测方法是无法替代的。由于超声波检测原理主要是平面波反射，因而对垂直裂纹（如绝大多数的开口裂纹、垂直分量较大的弯曲裂纹）的分辨能力不强，一般材料多层结构的检测需要较高的超声频率，图1为典型的空洞的扫描超声显微镜检测结果。2. 光学显微镜、电子显微镜与超声波扫描显微镜区别联邦德国最早发明了一种新型的显徽镜，它不再用光，而是用超声波扫描进行工作。这种显徽镜对于物质最纤细的组织结构

5、能够做出准确判断，该显徽镜是世界第一台用超声波扫描进行工作的显徽镜。超声波扫描显微镜，扫描分辨率为0.1微米，最小扫描范围为0.25微米*0.25微米，德国KSI超声波扫描显微镜C-SAM(SAT)是世界上最先进的机器，见图2照片。超声波扫描显微镜，主要应用领域是半导体器件芯片，复合材料及钢铁组织等内部的失效分析。其可以检查到:材料内部的晶格结构，杂质颗粒，夹杂物，沉淀物；内部裂纹；分层缺陷；空洞,气泡,空隙等。 普通光学显微镜的构造主要分为三部分：机械部分、照明部分和光学部分。光学显微镜是在1590年由荷兰的杨森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1500倍，分辨的最小极限达0.2微米

6、。光学显微镜的种类很多，除一般的外，主要有暗视野显微镜是一种具有暗视野聚光镜，从而使照明的光束不从中央部分射入，而从四周射向标本的显微镜。荧光显微镜以紫外线为光源，使被照射的物体发出荧光的显微镜。电子显微镜是1931年在德国柏林由克诺尔和哈罗斯卡首先装配完成的。这种显微镜用高速电子束代替光束。由于电子流的波长比光波短得多，所以电子显微镜的放大倍数可达80万倍，分辨的最小极限达0.2纳米。1963年开始使用的扫描电子显微镜更可使人看到物体表面的微小结构。超声波扫描显微镜是1990年由德国KSI公司在世界上领先完成。近年来，超声波扫描显微镜（C-SAM）已被成功地应用在电子工业、化工行业及钢铁工

7、业等领域，尤其是封装技术研究及材料分析的实验室。由于超声波具有不用拆除组件外部封装之非破坏性检测能力，故C-SAM可以有效的检出材料中因水气或热能所造成的破坏，如：结合层、气孔及裂缝等。超声波在行经介质时，若遇到不同密度或弹性系数之物质时，即会产生反射回波。而此种反射回波强度会因材料密度不同而有所差异，C-SAM利用此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收的信号变化将之成像，因此可由C-SAM影像确定缺陷的相对位