超声扫描显微检测系统校准技术

黎安兵+朱永晓

摘 要：本文设计了一种超声扫描显微检测系统校准方法，该校准方法以超声显微检测系统为校准背景，在介绍了该系统工作原理的基础上，阐述了超声扫描显微检测系统超声换能器、组合系统性能、空间扫描测量系统、分辨力特性等参数的校准方法，并分析了其校准设备不确定度来源。

关键词：超声扫描显微检测系统；分辨力特性；校准方法

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

1 引言

在电子产品的装配过程中，塑胶封装器件在装配前是否存在内部缺陷是个非常关键的问题。在半导体产品中裂纹、分层和气孔等在正常使用过程中会扩涨或局部腐蚀可能会进一步引起内部断线这些内部缺陷往往会产生可靠性问题导致电子产品的失效。利用超声波进行电子产品的检测高频声波进入被测物体中以获取关于物体的信息而不会以坏性的即使没有找到结论性的证据也不会对进一步的失效分析操作造成负面影响。该系统的应用对提高产品的质量、可靠性起到了重要作用，因此对超声显微检测系统进行可靠的计量测试和综合校准是至关重要的。

基于超声扫描显微检测系统工作原理，本文设计一种超声扫描显微检测系统的校准方法，并给出了校准装置的不确定度来源。

2 系统工作原理

超声扫描显微检测系统采用脉冲回波技术工作，由特定的声学组件发射和接受高重复率的短超声脉冲，发射脉冲声波与被测样品发生相互作用后，反射波被接收并转化为视频信号。利用扫描机构在样品上方来回做扫描运动，从而形成一幅声学图像，实现对物料的超声扫描检测。

超声扫描显微检测系统主要由运动系统和水槽、超声波探头、超声发射接收器、电机驱动系统、图像显示装置等设备组成。

3 超声显微检测系统校准方法

本文以超声扫描显微检测系统为研究对象，开展检测系统超声换能器、组合系统性能、空间扫描测量系统及分辨力特性的校准方法等参数校准技术研究，从而整体评价超声扫描显微检测系统的性能。下面对各校准参数进行分别阐述。

3.1 超声换能器的校准

本文采用高频信号发生器、超声换能器、频谱分析仪、示波器等设备进行超声换能器的校准，通过比较标准示值与超声换能器标称示值，完成超声换能器的校准。

校准时，根据超声换能器脉冲频率、发射强度、阻抗和增益的设置要求，设置超声显微检测系统的信号发生器的相应参数，采用高频信号发生器激励被校超声换能器，移动超声换能器找到来自标准试块回波信号的最大幅度，在示波器上找到首次回波并放大，利用频谱分析仪，以闸门监控反射体回波并确定频谱，测得回波振幅下降-6dB的高低频率，根据这些高、低频率fu和f1，按下面公式计算出中心频率f0，校准过程连续进行3次。取其平均值与标称值之差为其校准结果。

3.2 组合系统性能的校准

本文通过校准超声扫描显微检测系统的设备增益来实现组合系统性能的校准。

首先在标准试块上定位超声换能器，获取标准试块的反射信号，将增益控制器调整至所要求的最低值，使标准衰减器有足够的衰减量覆盖增益控制器的最大调整量，在检测系统显示屏上显示稳定回波信号，使该信号达到全屏幅度的80%，并记录超声扫描显微检测系统增益控制器的数值，然后调节标准衰减器衰减量，同时读出增益控制器衰减量，将实测值与理论值进行比较，实现对超声扫描显微检测系统设备增益的校准。

3.3 空间扫描测量系统校准方法

本文采用激光干涉仪对空间扫描测量系统进行校准，首先使空间扫描测量系统在位移测量范围输出位移，利用激光干涉仪进行位移数据采集，对空间扫描测量系统三个方向分别进行校准。各点位移测量误差按下列公式进行计算。

3.4 分辨力特性校准方法

本文采用标准试块进行分辨力特性的校准，首先在标准试块的上方定位超声换能器，根据超声换能器的特性参数调节好与标准试块的距离，并确保试块在显示区域内，调节超声扫描显微检测系统的参数，使标准试块在屏幕上清晰成像，然后采用直线线性标定方法对扫描图像进行标定，标定试块为10mm标准试块，在X向和Y向两个方向进行标定，利用系统在图像上依次选择不同尺寸的標准试块进行几何尺寸测量，通过超声扫描显微检测系统读取几何尺寸，对读取的一系列几何尺寸值与标准试块的标称尺寸进行比较，从而实现系统几何尺寸测量性能的校准。

4 不确定度来源分析

本文进行超声扫描显微检测系统校准装置主要包括信号发生器、频谱分析仪、示波器、标准衰减器、激光干涉仪和相应的标准试块。因此其不确定度来源主要包括示波器误差引入的不确定度，频谱分析仪误差引入的不确定度，信号发生器误差引入的不确定度，标准衰减器误差引入的不确定度，激光干涉仪误差引入的不确定度，标准试块测量误差引入的不确定度，以及各仪器设备分辨力引入的不确定度。

5 结束语

本文所研究的校准技术是评价超声扫描显微检测设备的综合性能有效方法，目前已运用到超声扫描显微检测设备的校准，并在实践中证明了其实用性和可靠性。

参考文献：

[1]中国国家标准化管理委员会.GB/T 27664.1-2011无损检测超声检测设备的性能与试验第1部分：仪器[M].北京：中国标准出版社出版社，2012.

[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T 27664.2-2011无损检测超声检测设备的性能与试验第2部分：探头[M].北京：中国标准出版社出版社，2012.

作者简介：黎安兵（1982-），男，湖南益阳人，工程师，主要从事几何量计量测试和校准技术研究工作。endprint