Акустический микроскоп

 

Изобретение относится к контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковом неразрушающем контроле. Цель изобретения - повышение точности контроля за счет программирования параметров блока обработки сигналов ультразвукового преобразователя. Оно производится в процессе сканирования поверхности материала этим преобразователем. При этом блок обработки сигналов выполнен в виде связанных амплитудных дискриминаторов, блоков памяти, счетчика и аналого-цифрового преобразователя. 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для неразрушающего контроля качества материалов.

Известно ультразвуковое (УЗ) телевизионное устройство контроля качества материалов, содержащее УЗ приемопередающий преобразователь (ППП), установленный с возможностью перемещения по поверхности контролируемого материала с помощью шагового двигателя по двум координатам, формирователь пачки импульсов, которые подаются на ППП, ППП облучает контролируемый материал, принимает отраженный от него сигнал и подает его на телевизионный блок, на котором формируется "изображение" внутренней структуры контролируемого материала. Строчно-кадровая развертка на телевизионном блоке формируется с помощью генераторов строчно-кадровой развертки, синхронизированных с блоками, формирующими сигналы горизонтальной и вертикальной разверток [1] .

Однако, данное устройство имеет низкую разрешающую способность в плоскости сканирования, высокие требования к перпендикулярности к ней оси датчика и малое быстродействие. Устройство не позволяет работать с объектами сложной формы и получать трехмерное изображение структуры объекта.

Известно также устройство для ультразвукового контроля качества материалов, содержащее УЗ ППП, с помощью которого в контролируемый объект излучаются акустические импульсы, формируемые генератором импульсов, длительность и частота которых задается задающим блоком; форма и амплитудная характеристика отраженных импульсов отображаются на осциллографе. Осуществляется также измерение времени задержки отраженного сигнала. По амплитудной и временной характеристикам сигналов путем сравнения с записанными в блоке памяти эталонными характеристиками судят о структуре материала - зернистости, фазовом составе, дефектах, а также глубине залегания [2] .

Данное устройство также имеет низкое быстродействие и не позволяет работать с объектами сложной формы.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности в плоскости сканирования и повышение избирательности по глубине, а также обеспечение работы с объектами, имеющими неплоскую форму.

Поставленная цель достигается тем, что акустический микроскоп, содержащий генератор импульсов, состоящий из последовательно соединенных кварцевого генератора и делителя частоты, акустический приемопередающий преобразователь, установленный с возможностью перемещения относительно поверхности исследуемого объекта, блок хранения информации, соединенный с блоком управления и обработки, к выходу которого подключен блок отображения информации, а также блок ввода и вывода информации, аналого-цифровой преобразователь и цифроаналоговый преобразователь, подсоединенные шинами связи к блоку управления и обработки, отличается тем, что между выходом делителя частоты и акустическим приемопередающим преобразователем включены последовательно соединенные счетчик и усилитель-формирователь сигналов, а также введены блок памяти и последовательно соединенные усилитель-ограничитель, вход которого подсоединен к линии связи усилителя-формирователя и акустического приемопередающего преобразователя, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, аналоговый ключ, детектор с программируемым сдвигом постоянной составляющей, видеоусилитель с регулируемым коэффициентом усиления и блок хранения и выборки, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, при этом выход кварцевого генератора соединен с вторым входом счетчика, второй, третий и четвертый выходы которого подсоединены соответственно к второму входу блока хранения и выборки, второму входу аналого-цифрового преобразователя и второму входу ключа, выход блока памяти соединен с управляющим входом делителя частоты, а его входы - соответствующими выходами блока управления и обработки и пятым выходом счетчика, управляющие входы усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, и видеоусилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключены к соответствующим входам блока управления и обработки, а управляющий вход детектора с программируемым сдвигом постоянной составляющей подсоединен к выходу цифроаналогового преобразователя, генератор импульсов выполнен в виде последовательно соединенных кварцевого генератора и делителя частоты.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого акустического микроскопа; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу микроскопа.

Акустический микроскоп содержит последовательно соединенные кварцевый генератор (КГ) 1, делитель 2 частоты, управляющий вход которого соединен с выходом блока 3 памяти (БП), счетчик 4, усилитель-формирователь 5 и чувствительный элемент 6, являющийся акустическим приемопередающим преобразователем, а также последовательно соединенные усилитель-ограничитель 7, вход которого соединен с выходом элемента 6, усилитель 8 с регулируемым коэффициентом усиления, аналоговый ключ 9, детектор 10 с программируемым сдвигом постоянной составляющей, видеоусилитель 11 с регулируемым коэффициентом усиления, блок 12 хранения и выборки (БХВ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13 и блок 14 управления и обработки (БУО), а также цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 15, подключенный между выходом БУО 14 и первым управляющим входом детектора 10, шаговый двигатель 16, управляющий вход которого подсоединен к второму управляющему выходу БУО 14, а также блок 17 отображения информации (БОИ), блок 18 хранения информации (БХИ) и блок 19 ввода и вывода информации (БВВИ), соединенные с БУО 14, при этом выход КГ 1 соединен с входом счетчика 4, второй, третий и четвертый выходы счетчика 4 подсоединены соответственно к вторым входам БХВ 13, АЦП 14 и аналогового ключа 9, БУ 14 соединен также с управляющими входами видеоусилителя 11, блок 3 памяти и усилителя 8.

Акустический микроскоп работает следующим образом.

Вначале осуществляют предварительную настройку устройства. Для этого в рабочей области чувствительного элемента 6, представляющего собой акустическую линзу с размещенным на ней акустическим преобразователем или сферическую линзу, размещают исследуемый образец. Снимают форму отраженного от образца акустического сигнала в широком интервале времени. Оператор анализирует форму сигнала и в зависимости от характера образца ручную с клавиатуры выбирает конкретную процедуру получения изображения и настраивает приемопередающий тракт микроскопа.

Далее КГ 1 выдает опорные импульсные сигналы с частотой 100 или 200 мг Гц (фиг. 2, а). В делителе 2 частоты путем деления частоты следования этих импульсов формируются импульсы с заданным интервалом времени (фиг. 2, в), которые являются импульсами, синхронизирующими работу всего устройства.

Коэффициент деления делителя 2 частоты задается БП 3, содержимое которого в каждом цикле работы устройства обновляется с помощью БУО 14.

В счетчике 4 формируются импульсы с различной длительностью, являющиеся синхронизирующими для работы ВХВ 12 (фиг. 2, d), АЦП 13 (фиг. 2, е) и ключа 9 (фиг. 2, f).

С выхода счетчика 4 зондирующий сигнал (фиг. 2, е) подается на усилитель-формирователь 5, где из него формируется импульс специальной формы (фиг. 2, д), который посредством чувствительного элемента 6 преобразуется в ультразвуковой сигнал, излучается в исследуемый объект и принимается после отражения от него (фиг. 2, д).

Отраженный импульс предварительно усиливается и ограничивается до уровня, не превышающего порогового значения в усилителе-ограничителе 7 (фиг. 2, д). Величина порога ограничения выбирается из условия обеспечения защиты усилителя-органичителя 7 от пробоя выходным сигналом усилителя-формирователя 5.

Далее в усилителе 8 с программируемым коэффициентом усиления К_у он усиливается и подается на аналоговый ключ 9. Величина К_у программируется в БУО 15 так, что максимальный принимаемый сигнал не приводит к переполнению АЦП 13. Аналоговый ключ 9 осуществляется выборку принятого импульса в интервале времени, задаваемом стробом от счетчика 4 (фиг. 2, е).

В детекторе 10 происходит детектирование входное сигнала со сдвигом постоянной составляющей (фиг. 2, к) на величину, задаваемую БУО 14 через ЦАП 15. Сдвиг постоянной составляющей необходим для улучшения изображения, если полезный сигнал находится на фоне помех от посторонних объектов или шума.

После детектирования сигнал усиливается видеоусилителем 11, коэффициент усиления которого задается БУО 14.

БХВ 12 запоминает поступивший на него сигнал на заданный стробом (2) временной интервал, который определяется временем аналого-цифрового преобразователя в АЦП 13.

Преобразованная с помощью АЦП 13 информация из аналоговой в цифровую затем поступает в БУО 14, который управляет процессом получения и отображения информации: непосредственно в течение одного цикла изменяют параметры приемопередающего тракта, адаптируя его работу к параметрам объекта в зависимости от его свойств; задают все временные интервалы, коэффициенты усиления усилителей 8 и 11, а также величину сдвига постоянной составляющей детектора 10.

Для исследования всей поверхности объекта чувствительный элемент 6 установлен с возможностью перемещения по трем координатам с помощью шагового двигателя 16, при этом шаг сканирования задается с помощью сигналов от БУО 14.

Полученное изображение структуры объекта при сканировании отображается на БОИ 17. Блок 19 ввода и вывода информации позволяет вручную выбирать режим работы микроскопа и распечатывать полученное изображение.

В каждой точке сканирования может изменяться время задержки Δ t между двумя управляющими импульсами - импульсом, запускающим формирователь 5 выходных сигналов, и импульсом, управляющим открыванием аналогового ключа. Таким образом, снимается форма отраженного от образца акустического сигнала и анализируется в БУО 14.

В зависимости от типа образца в дальнейшем подстраивается величина входных ворот, время задержки Δ t и коэффициент усиления усилителя-ограничителя 7 для уменьшения величины помех, вызванных наличием сигналов, отраженных от участков поверхности исследуемого образца, расположенных в непосредственной близости от исследуемой зоны, или вызванных наличием сигналов нежелательных мод ультразвуковых колебаний.

Если дефект расположен вблизи задней поверхности образца, то сигналы, отраженные от дефекта и от задней поверхности образца, сливаются, и анализ их формы позволяет обнаружить дефект.

Если необходимо контролировать адгезию слоев при склейке, сварке, пайке, гальваническом осаждении и т. д. многослойного материала с фиксированной толщиной слоев, но не абсолютно плоского, анализируя принятый сигнал, определяют расстояние до поверхности образца и в соответствии с этим задают величину К_у с учетом изменения этого расстояния.

На фиг. 3 изображена диаграмма алгоритма работы микроскопа в режиме компенсации кривизны поверхности образца; на фиг. 4 - диаграмма алгоритма работы микроскопа; на фиг. 5 - диаграмма алгоритма работы микроскопа в цепи формирователь - БУО 14; на фиг. 6 - диаграмма алгоритма работы микроскопа в цепи блоков 1-4; на фиг. 7. и 8 - диаграммы алгоритмов работы блока 14.

Таким образом, предлагаемый микроскоп позволяет получить неограниченно большое поле сканирования; дает возможность принятия решения о наличии или отсутствии дефекта в образце, например, по расщеплению акустического импульса; измерения и записи только амплитуды расщепленного импульса, что позволяет получить изображение дефектов образца без предварительной записи всего массива данных, соответствующих всей толщине образца. Это позволяет сэкономить вычислительные ресурсы (для записи массива 512х512 точек с разверткой по глубине по 512 каналам требуется около 64 Мбайт оперативной памяти) и время получения изображения.

Предложенная блок-схема микроскопа построена таким образом, что БУО 14 может программировать весь его тракт в течение одного цикла работы, т. е. между двумя последовательно излучения импульсами ультразвука. Этим достигается адаптация микроскопа к объекту в каждой измеряемой точке путем перенастройки микроскопа по глубине за счет изменения временных интервалов аналоговой выборки принятого сигнала и по амплитуде путем изменения коэффициентов усиления микроскопа.

Используемая в данном микроскопе конструкция преобразователя в виде акустической линзы, размещаемой в оболочке, в которую подается иммерсионная жидкость, позволяет получить неограниченное поле сканирования.

Микроскоп позволяет работать с неплоскими объектами, с объектами сложной структуры.

Отраженный от объектива сигнал, как правило, имеет три составляющие - сигналы, отраженные от передней стенки объекта, от задней и от дефекта, а реально их больше, так как возможно прохождение продольных и поперечных звуковых волн, скорость которых различна.

Для повышения достоверности измерений в известных микроскопах установлен аналоговый ключ, который выбирает сигнал в заранее установленный момент времени.

Однако, если образец не плоский или дефект находится в разных местах, этот способ не применим, так как второй сигнал может выйти за пределы "ворот".

В данном микроскопе в каждой точке сканирования можно установить узкие "ворота" и, изменяя время задержки, определять форму всех импульсов и настроить ворота на заданный, например, второй импульс, при условии, что он есть импульс, или не включать, если его нет.

Если дефект расположен близко к задней поверхности образца, второй и третий сигналы сливаются, в этом случае производят анализ их формы, что и позволяет обнаружить дефект. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1105806, кл. G 01 N 29/06, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР N 1631408, кл. G 01 N 29/04, 1988.

Формула изобретения

АКУСТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП, содержащий генератор импульсов, акустический приемопередающий преобразователь, установленный с возможностью перемещения относительно поверхности исследуемого образца, блок хранения информации, соединенный с блоком управления и обработки, к выходу которого подключен блок отображения информации, а также блок ввода и вывода информации, аналого-цифровой преобразователь и цифроаналоговый преобразователь, соединенные шинами связи с блоком управления и обработки, отличающийся тем, что между выходом делителя частоты и акустическим приемопередающим преобразователем включены последовательно соединенные счетчик и усилитель-формирователь сигналов, а также введены блок памяти и последовательно соединенные усилитель-ограничитель, вход которого подсоединен к линии связи усилителя-формирователя и акустического приемопередающего преобразователя, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, аналоговый ключ, детектор с программируемым сдвигом постоянной составляющей, видеоусилитель с регулируемым коэффициентом усиления и блок хранения и выборки, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, при этом вход генератора импульсов соединен с вторым входом счетчика, второй, третий и четвертый выходы которого подсоединены соответственно к второму входу блока хранения и выборки, второму входу аналого-цифрового преобразователя и второму входу ключа, выход блока памяти соединен с управляющим входом делителя частоты, а его входы - с соответствующими выходами блока управления и обработки и пятым выходом счетчика, управляющие входы усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и видеоусилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключены к соответствующим входам блока управления и обработки, а управляющий вход детектора с программируемым сдвигом постоянной составляющей подсоединен к выходу цифроаналогового преобразователя, при этом генератор импульсов выполнен в виде последовательно соединенного кварцевого генератора и делителя частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8