超聲掃描顯微檢測系統校準技術

黎安兵+朱永曉

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

關鍵詞：超聲掃描顯微檢測系統；分辨力特性；校準方法

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

1 引言

在電子產品的裝配過程中，塑膠封裝器件在裝配前是否存在內部缺陷是個非常關鍵的問題。在半導體產品中裂紋、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部斷線這些內部缺陷往往會產生可靠性問題導致電子產品的失效。利用超聲波進行電子產品的檢測高頻聲波進入被測物體中以獲取關于物體的信息而不會以壞性的即使沒有找到結論性的證據也不會對進一步的失效分析操作造成負面影響。該系統的應用對提高產品的質量、可靠性起到了重要作用，因此對超聲顯微檢測系統進行可靠的計量測試和綜合校準是至關重要的。

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

2 系統工作原理

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

超聲掃描顯微檢測系統主要由運動系統和水槽、超聲波探頭、超聲發射接收器、電機驅動系統、圖像顯示裝置等設備組成。

3 超聲顯微檢測系統校準方法

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

3.1 超聲換能器的校準

本文采用高頻信號發生器、超聲換能器、頻譜分析儀、示波器等設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，根據超聲換能器脈沖頻率、發射強度、阻抗和增益的設置要求，設置超聲顯微檢測系統的信號發生器的相應參數，采用高頻信號發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，校準過程連續進行3次。取其平均值與標稱值之差為其校準結果。

3.2 組合系統性能的校準

本文通過校準超聲掃描顯微檢測系統的設備增益來實現組合系統性能的校準。

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整量，在檢測系統顯示屏上顯示穩定回波信號，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增益控制器的數值，然后調節標準衰減器衰減量，同時讀出增益控制器衰減量，將實測值與理論值進行比較，實現對超聲掃描顯微檢測系統設備增益的校準。

3.3 空間掃描測量系統校準方法

本文采用激光干涉儀對空間掃描測量系統進行校準，首先使空間掃描測量系統在位移測量范圍輸出位移，利用激光干涉儀進行位移數據采集，對空間掃描測量系統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，根據超聲換能器的特性參數調節好與標準試塊的距離，并確保試塊在顯示區域內，調節超聲掃描顯微檢測系統的參數，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，從而實現系統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校準裝置主要包括信號發生器、頻譜分析儀、示波器、標準衰減器、激光干涉儀和相應的標準試塊。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，以及各儀器設備分辨力引入的不確定度。

5 結束語

本文所研究的校準技術是評價超聲掃描顯微檢測設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研究工作。endprint