CN109596649A - 一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的方法及装置 - Google Patents

一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的方法及装置，属于材料分析测试与计算机算法设计与分析技术领域。本发明所述方法根据主元素的EDS线扫描数据、微合金元素的熔化热数据，以及环境温度，通过卷积算法，获得主元素的浓度分布与过饱和程度数据。本发明所述装置包括多个分频器、多个输入振荡器、多个1位DAC、一个求和节点、一个输出振荡器、一个低通滤波器、一个异步数字缓存器，以及一个模拟输出缓存器。本发明能够在保留EDS线扫描信号的函数特征的前提下，精确地耦合微合金元素对主元素浓度的影响。

Description

一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的方法 及装置
技术领域
本发明涉及一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的方法及装置，属于材料分析测试与机器学习技术领域。
背景技术
EDS作为一种检测化学成分变化的常见且有效的手段，被广泛应用于分析材料中的元素分布情况。EDS线扫描的相邻扫描点间距低于电子束作用区半径，使得扫描点间信号相互干涉，干扰主元素的EDS线扫描数据，进而影响相关分析测试结果的精确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的方法，具体为：
(1)根据主元素的EDS线扫描原始数据yW％(x)与基于快速傅里叶变换的数据获得基于快速傅里叶变换的未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度γW％(x)；其中，x为扫描点位置，yW％(x)为未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度，yW％,0为基于快速傅里叶变换的扫描振幅，f为基于快速傅里叶变换的扫描频率；
(2)根据微合金元素的熔化热数据ΔfusH、环境温度T、扩散方程φ(χ)＝yW％,0exp(αχ)、yW％,0∝ΔfusH，以及获得微合金元素的卷积因子φ(χ)、微合金元素的卷积因子跨度χ0；
(3)根据卷积算法获得添加微合金元素时的扫描点主元素浓度YW％(x)；同时，根据微合金元素的卷积因子跨度χ0与基于快速傅里叶变换的扫描周期跨度X之间的关系，将基于快速傅里叶变换的未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度γW％(x)与添加微合金元素时的扫描点主元素浓度YW％(x)进行对比，确定耦合微合金元素对主要元素浓度的影响：
①若χ0∈(nX,nX+X+),n∈N，则YW％(x)的值域最小，振幅最大，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差为零，主元素浓度未超过饱和值，无法由浓度高处向浓度低处扩散，相邻扫描点之间的浓度位置不发生偏移，降低成分偏析程度仅通过添加微合金元素挤走主元素途径实现，YW％(x)随γW％(x)同步变化，持续震荡；X为基于快速傅里叶变换的扫描周期跨度，X+为扫描周期增跨度，X-为扫描周期减跨度；
②若χ0∈(nX+X+,(n+1)X),n∈N，则YW％(x)的值域适中，振幅适中，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差高于零，主元素浓度已超过饱和值，由浓度高处向浓度低处扩散，相邻扫描点之间的浓度位置发生偏移，降低成分偏析程度通过添加微合金元素挤走主元素与大量过饱和主元素发生扩散两种途径实现，YW％(x)不随γW％(x)同步变化，YW％(x)的值域先上升到某数值再围绕该数值持续震荡，相位差在上升阶段产生；
③若χ0＝nX,n∈N，则YW％(x)的值域最大，振幅为零，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差不存在，成分偏析不存在，YW％(x)的值域上升到某数值持续。
本发明的另一目的在于提供一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的装置，包括分频器1、输入振荡器2、1位DAC3、求和节点4、输出振荡器5、低通滤波器6、异步数字缓存器7、模拟输出缓存器8。多个分频器1分别与多个输入振荡器2连接，多个输入振荡器2分别与多个1位DAC3连接，1位DAC3均与求和节点4连接，求和节点4与输出振荡器5连接，输出振荡器5分别与低通滤波器6和异步数字缓存器7连接，低通滤波器6与模拟输出缓存器8连接。
进一步的，本发明所述分频器1用于接收EDS线扫描信号，基于快速傅里叶变换算法过滤EDS线扫描信号至相应频率并输出到输入振荡器2；输入振荡器2输出相应频率的尖峰信号到1位DAC3；1位DAC3根据相应频率的尖峰信号与权重信号进行加权脉冲信号输出，权重信号即微合金元素的熔化热数据对应占空比的周期矩形信号，通过型号不低于AT89C52的控制芯片输出并输入到1位DAC3中；求和节点4接收来自多个1位DAC3的加权脉冲信号并进行求和；求和后的加权脉冲信号输入到输出振荡器5，输出振荡器5将求和加权脉冲信号的尖峰信号输入到低通滤波器6，尖峰频率对应于卷积运算的结果；低通滤波器6根据尖峰信号的平均值计算相应模拟信号；所述异步数字缓存器7配置多个反相器，用于输出来自输出振荡器5的尖峰信号；模拟输出缓存器8配置一个运算放大器，用于输出来自低通滤波器6的模拟信号，同时与异步数字缓存器7输出的尖峰信号进行对比。
本发明的有益效果：
(1)本发明所述方法够根据主元素的EDS线扫描原始数据yW％(x)与基于快速傅里叶变换的数据微合金元素的熔化热数据ΔfusH，以及环境温度T，通过卷积算法在保留EDS线扫描信号的函数特征的前提下，精确地耦合微合金元素对主元素浓度的影响。
(2)本发明所述装置能够根据快速傅里叶变换与卷积算法，通过多个分频器、多个输入振荡器、多个1位DAC、一个求和节点、一个输出振荡器、一个低通滤波器、一个异步数字缓存器以及一个模拟输出缓存器，接收EDS线扫描信号，输出相应的尖峰信号与模拟信号，实现基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度的影响。
附图说明
图1耦合微合金元素对主要元素浓度影响的三种基本模式的示意图；
图2耦合微合金元素对主要元素浓度影响的参数场的示意图；
图3添加Co、Ni与未添加微合金元素的WCP/Fe复合材料的界面反应区的W元素分布曲线的示意图；
图4卷积网络的电路布局示意图。
图中：1-分频器、2-输入振荡器、3-1位DAC、4-求和节点、5-输出振荡器、6-低通滤波器、7-异步数字缓存器、8-模拟输出缓存器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本发明实施例所用装置如图4所示，包括分频器1、输入振荡器2、1位DAC3、求和节点4、输出振荡器5、低通滤波器6、异步数字缓存器7、模拟输出缓存器8；多个分频器1分别和多个输入振荡器2连接，多个输入振荡器2分别和多个1位DAC3连接，所有的1位DAC3均与求和节点4连接，求和节点4与输出振荡器5连接，输出振荡器5分别与低通滤波器6、异步数字缓存器7连接，低通滤波器6与模拟输出缓存器8连接；分频器1用于接收EDS线扫描信号，基于快速傅里叶变换算法过滤EDS线扫描信号至相应频率并输出到输入振荡器2；输入振荡器2输出相应频率的尖峰信号到1位DAC3；1位DAC3根据相应频率的尖峰信号与权重信号进行加权脉冲信号输出，权重信号即微合金元素的熔化热数据对应占空比的周期矩形信号，通过型号不低于AT89C52的控制芯片输出并输入到1位DAC3中；求和节点4接收来自多个1位DAC3的加权脉冲信号并进行求和；求和后的加权脉冲信号输入到输出振荡器5，输出振荡器5将求和加权脉冲信号的尖峰信号输入到低通滤波器6，尖峰频率对应于卷积运算的结果；低通滤波器6根据尖峰信号的平均值计算相应模拟信号；所述异步数字缓存器7配置多个反相器，用于输出来自输出振荡器5的尖峰信号；模拟输出缓存器8配置一个运算放大器，用于输出来自低通滤波器6的模拟信号，同时与异步数字缓存器7输出的尖峰信号进行对比。
本实施例方法的说明：
如图1、2所示，首先，根据主元素的EDS线扫描原始数据yW％(x)与基于快速傅里叶变换的数据获得基于快速傅里叶变换的未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度γW％(x)；然后，根据微合金元素的熔化热数据ΔfusH、环境温度T、扩散方程φ(χ)＝yW％,0exp(αχ)、yW％,0∝ΔfusH，以及获得微合金元素的卷积因子φ(χ)、微合金元素的卷积因子跨度χ0；最后，根据卷积算法获得添加微合金元素时的扫描点主元素浓度YW％(x)；同时，根据微合金元素的卷积因子跨度χ0与基于快速傅里叶变换的扫描周期跨度X之间的关系，将基于快速傅里叶变换的未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度γW％(x)与添加微合金元素时的扫描点主元素浓度YW％(x)进行对比，确定耦合微合金元素对主要元素浓度影响的基本模式与对应的物理化学意义。若χ0∈(nX,nX+X+),n∈N，则YW％(x)的值域最小，振幅最大，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差为零，主元素浓度未超过饱和值，无法由浓度高处向浓度低处扩散，相邻扫描点之间的浓度位置不发生偏移，降低成分偏析程度仅通过添加微合金元素挤走主元素途径实现，YW％(x)随γW％(x)同步变化，持续震荡；若χ0∈(nX+X+,(n+1)X),n∈N，则YW％(x)的值域适中，振幅适中，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差高于零，主元素浓度已超过饱和值，由浓度高处向浓度低处扩散，相邻扫描点之间的浓度位置发生偏移，降低成分偏析程度通过添加微合金元素挤走主元素与大量过饱和主元素发生扩散两种途径实现，YW％(x)不随γW％(x)同步变化，YW％(x)的值域先上升到某数值再围绕该数值持续震荡，相位差在上升阶段产生；若χ0＝nX,n∈N，则YW％(x)的值域最大，振幅为零，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差不存在，成分偏析不存在，YW％(x)的值域上升到某数值持续。其中，x为扫描点位置，yW％(x)为未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度，γW％(x)为基于快速傅里叶变换的未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度，yW％,0为基于快速傅里叶变换的扫描振幅，f为基于快速傅里叶变换的扫描频率，X为基于快速傅里叶变换的扫描周期跨度，X+为扫描周期增跨度，X-为扫描周期减跨度，φ(χ)为微合金元素的卷积因子，χ0为微合金元素的卷积因子跨度，YW％(x)为添加微合金元素时的扫描点主元素浓度。
如图3所示，以WCP/Fe复合材料的界面反应区为例，选择W元素为主元素，添加Co、Ni为微合金元素，2种粉末的熔化热分别为ΔfusHCo＝39.748KJ/mol、ΔfusHNi＝17.47KJ/mol。首先，大量W元素相互扩散进入基体，导致靠近基体处的W元素分布曲线呈陡升状。然后，因与基体与颗粒都保持一定的距离，扩散时与周围环境的浓度差较小，W元素分布曲线总体呈震荡上升状。最后，颗粒与反应区间相互扩散，使得W元素分布曲线略微上扬。根据ΔfusHCo>ΔfusHNi、因yW％,0,Co>yW％,0,Ni对界面反应区W元素分布曲线振幅的增加效果高于χ0,Co<χ0,Ni的降低效果，故添加Co的界面反应区W元素分布曲线的振幅高于添加Ni的。结合χ0,Co<χ0,Ni，因添加Co的与未添加的大部分区域(同步区域：5-40/55-100，同步区域占比：88.89％)呈现同步变化趋势，故添加Co降低成分偏析程度仅通过添加合金元素挤走W元素途径实现；因添加Ni的与未添加的大部分区域(同步区域：15-75/90-100，同步区域占比：73.68％)不呈现同步变化趋势，故添加Ni降低成分偏析程度通过添加合金元素挤走W元素与大量过饱和W元素发生扩散两种途径实现。

Claims (3)

1.一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的方法，其特征在于：
(1)根据主元素的EDS线扫描原始数据yW％(x)与基于快速傅里叶变换的数据k∈N*，获得基于快速傅里叶变换的未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度γW％(x)；其中，x为扫描点位置，yW％(x)为未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度，yW％,0为基于快速傅里叶变换的扫描振幅，f为基于快速傅里叶变换的扫描频率；
(2)根据微合金元素的熔化热数据ΔfusH、环境温度T、扩散方程φ(χ)＝yW％,0exp(αχ)、yW％,0∝ΔfusH，以及获得微合金元素的卷积因子φ(χ)、微合金元素的卷积因子跨度χ0；
(3)根据卷积算法获得添加微合金元素时的扫描点主元素浓度YW％(x)；同时，根据微合金元素的卷积因子跨度χ0与基于快速傅里叶变换的扫描周期跨度X之间的关系，将基于快速傅里叶变换的未添加微合金元素时的扫描点主元素浓度γW％(x)与添加微合金元素时的扫描点主元素浓度YW％(x)进行对比，确定耦合微合金元素对主要元素浓度的影响：
①若χ0∈(nX,nX+X+),n∈N，则YW％(x)的值域最小，振幅最大，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差为零，主元素浓度未超过饱和值，无法由浓度高处向浓度低处扩散，相邻扫描点之间的浓度位置不发生偏移，降低成分偏析程度仅通过添加微合金元素挤走主元素途径实现，YW％(x)随γW％(x)同步变化，持续震荡；X为基于快速傅里叶变换的扫描周期跨度，X+为扫描周期增跨度，X-为扫描周期减跨度；
②若χ0∈(nX+X+,(n+1)X),n∈N，则YW％(x)的值域适中，振幅适中，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差高于零，主元素浓度已超过饱和值，由浓度高处向浓度低处扩散，相邻扫描点之间的浓度位置发生偏移，降低成分偏析程度通过添加微合金元素挤走主元素与大量过饱和主元素发生扩散两种途径实现，YW％(x)不随γW％(x)同步变化，YW％(x)的值域先上升到某数值再围绕该数值持续震荡，相位差在上升阶段产生；
③若χ0＝nX,n∈N，则YW％(x)的值域最大，振幅为零，γW％(x)与YW％(x)之间的相位差不存在，成分偏析不存在，YW％(x)的值域上升到某数值持续。
2.一种基于卷积网络耦合微合金元素对主元素浓度影响的装置，其特征在于：包括分频器(1)、输入振荡器(2)、1位DAC(3)、求和节点(4)、输出振荡器(5)、低通滤波器(6)、异步数字缓存器(7)、模拟输出缓存器(8)；多个分频器(1)分别与多个输入振荡器(2)连接，多个输入振荡器(2)分别与多个1位DAC(3)连接，1位DAC(3)均与求和节点(4)连接，求和节点(4)与输出振荡器(5)连接，输出振荡器(5)分别与低通滤波器(6)和异步数字缓存器(7)连接，低通滤波器(6)与模拟输出缓存器(8)连接。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于：分频器(1)用于接收EDS线扫描信号，基于快速傅里叶变换算法过滤EDS线扫描信号至相应频率并输出到输入振荡器(2)，输入振荡器(2)输出相应频率的尖峰信号到1位DAC(3)，1位DAC(3)根据相应尖峰信号与权重信号进行加权脉冲信号输出，求和节点(4)接收来自多个1位DAC(3)的加权脉冲信号并进行求和；求和后的加权脉冲信号输入到输出振荡器(5)，输出振荡器(5)将求和加权脉冲信号的尖峰信号输入到低通滤波器(6)，尖峰频率对应于卷积运算的结果，低通滤波器(6)根据尖峰信号的平均值计算相应模拟信号，所述异步数字缓存器(7)配置多个反相器，用于输出来自输出振荡器(5)的尖峰信号；模拟输出缓存器(8)配置一个运算放大器，用于输出来自低通滤波器(6)的模拟信号，同时与异步数字缓存器(7)输出的尖峰信号进行对比。
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