黎安兵+朱永曉

摘 要：本文設(shè)計了一種超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)校準方法，該校準方法以超聲顯微檢測系統(tǒng)為校準背景，在介紹了該系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，闡述了超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)超聲換能器、組合系統(tǒng)性能、空間掃描測量系統(tǒng)、分辨力特性等參數(shù)的校準方法，并分析了其校準設(shè)備不確定度來源。

關(guān)鍵詞：超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)；分辨力特性；校準方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.136

1 引言

在電子產(chǎn)品的裝配過程中，塑膠封裝器件在裝配前是否存在內(nèi)部缺陷是個非常關(guān)鍵的問題。在半導體產(chǎn)品中裂紋、分層和氣孔等在正常使用過程中會擴漲或局部腐蝕可能會進一步引起內(nèi)部斷線這些內(nèi)部缺陷往往會產(chǎn)生可靠性問題導致電子產(chǎn)品的失效。利用超聲波進行電子產(chǎn)品的檢測高頻聲波進入被測物體中以獲取關(guān)于物體的信息而不會以壞性的即使沒有找到結(jié)論性的證據(jù)也不會對進一步的失效分析操作造成負面影響。該系統(tǒng)的應(yīng)用對提高產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性起到了重要作用，因此對超聲顯微檢測系統(tǒng)進行可靠的計量測試和綜合校準是至關(guān)重要的。

基于超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)工作原理，本文設(shè)計一種超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)的校準方法，并給出了校準裝置的不確定度來源。

2 系統(tǒng)工作原理

超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)采用脈沖回波技術(shù)工作，由特定的聲學組件發(fā)射和接受高重復率的短超聲脈沖，發(fā)射脈沖聲波與被測樣品發(fā)生相互作用后，反射波被接收并轉(zhuǎn)化為視頻信號。利用掃描機構(gòu)在樣品上方來回做掃描運動，從而形成一幅聲學圖像，實現(xiàn)對物料的超聲掃描檢測。

超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)主要由運動系統(tǒng)和水槽、超聲波探頭、超聲發(fā)射接收器、電機驅(qū)動系統(tǒng)、圖像顯示裝置等設(shè)備組成。

3 超聲顯微檢測系統(tǒng)校準方法

本文以超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)為研究對象，開展檢測系統(tǒng)超聲換能器、組合系統(tǒng)性能、空間掃描測量系統(tǒng)及分辨力特性的校準方法等參數(shù)校準技術(shù)研究，從而整體評價超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)的性能。下面對各校準參數(shù)進行分別闡述。

3.1 超聲換能器的校準

本文采用高頻信號發(fā)生器、超聲換能器、頻譜分析儀、示波器等設(shè)備進行超聲換能器的校準，通過比較標準示值與超聲換能器標稱示值，完成超聲換能器的校準。

校準時，根據(jù)超聲換能器脈沖頻率、發(fā)射強度、阻抗和增益的設(shè)置要求，設(shè)置超聲顯微檢測系統(tǒng)的信號發(fā)生器的相應(yīng)參數(shù)，采用高頻信號發(fā)生器激勵被校超聲換能器，移動超聲換能器找到來自標準試塊回波信號的最大幅度，在示波器上找到首次回波并放大，利用頻譜分析儀，以閘門監(jiān)控反射體回波并確定頻譜，測得回波振幅下降-6dB的高低頻率，根據(jù)這些高、低頻率fu和f1，按下面公式計算出中心頻率f0，校準過程連續(xù)進行3次。取其平均值與標稱值之差為其校準結(jié)果。

3.2 組合系統(tǒng)性能的校準

本文通過校準超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)的設(shè)備增益來實現(xiàn)組合系統(tǒng)性能的校準。

首先在標準試塊上定位超聲換能器，獲取標準試塊的反射信號，將增益控制器調(diào)整至所要求的最低值，使標準衰減器有足夠的衰減量覆蓋增益控制器的最大調(diào)整量，在檢測系統(tǒng)顯示屏上顯示穩(wěn)定回波信號，使該信號達到全屏幅度的80%，并記錄超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)增益控制器的數(shù)值，然后調(diào)節(jié)標準衰減器衰減量，同時讀出增益控制器衰減量，將實測值與理論值進行比較，實現(xiàn)對超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)設(shè)備增益的校準。

3.3 空間掃描測量系統(tǒng)校準方法

本文采用激光干涉儀對空間掃描測量系統(tǒng)進行校準，首先使空間掃描測量系統(tǒng)在位移測量范圍輸出位移，利用激光干涉儀進行位移數(shù)據(jù)采集，對空間掃描測量系統(tǒng)三個方向分別進行校準。各點位移測量誤差按下列公式進行計算。

3.4 分辨力特性校準方法

本文采用標準試塊進行分辨力特性的校準，首先在標準試塊的上方定位超聲換能器，根據(jù)超聲換能器的特性參數(shù)調(diào)節(jié)好與標準試塊的距離，并確保試塊在顯示區(qū)域內(nèi)，調(diào)節(jié)超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)的參數(shù)，使標準試塊在屏幕上清晰成像，然后采用直線線性標定方法對掃描圖像進行標定，標定試塊為10mm標準試塊，在X向和Y向兩個方向進行標定，利用系統(tǒng)在圖像上依次選擇不同尺寸的標準試塊進行幾何尺寸測量，通過超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)讀取幾何尺寸，對讀取的一系列幾何尺寸值與標準試塊的標稱尺寸進行比較，從而實現(xiàn)系統(tǒng)幾何尺寸測量性能的校準。

4 不確定度來源分析

本文進行超聲掃描顯微檢測系統(tǒng)校準裝置主要包括信號發(fā)生器、頻譜分析儀、示波器、標準衰減器、激光干涉儀和相應(yīng)的標準試塊。因此其不確定度來源主要包括示波器誤差引入的不確定度，頻譜分析儀誤差引入的不確定度，信號發(fā)生器誤差引入的不確定度，標準衰減器誤差引入的不確定度，激光干涉儀誤差引入的不確定度，標準試塊測量誤差引入的不確定度，以及各儀器設(shè)備分辨力引入的不確定度。

5 結(jié)束語

本文所研究的校準技術(shù)是評價超聲掃描顯微檢測設(shè)備的綜合性能有效方法，目前已運用到超聲掃描顯微檢測設(shè)備的校準，并在實踐中證明了其實用性和可靠性。

參考文獻：

[1]中國國家標準化管理委員會.GB/T 27664.1-2011無損檢測超聲檢測設(shè)備的性能與試驗第1部分：儀器[M].北京：中國標準出版社出版社，2012.

[2]中國國家標準化管理委員會.GB/T 27664.2-2011無損檢測超聲檢測設(shè)備的性能與試驗第2部分：探頭[M].北京：中國標準出版社出版社，2012.

作者簡介：黎安兵（1982-），男，湖南益陽人，工程師，主要從事幾何量計量測試和校準技術(shù)研究工作。endprint