CN110018153B - 大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，属于材料表面表征技术领域，包括：高精度数控工作台系统、显微照相矩阵系统、GPU工作站群组、激光光谱仪、网络交换机与终端服务器；采用显微照相矩阵系统和GPU工作站群组，控制高精度数控工作台系统，对样品表面进行多群组显微拍照及图像数据处理，实现材料表面微观组织结构和夹杂物的识别、定位；采用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析技术，对标定夹杂物进行制导分析，实现对夹杂物组成的表征。本发明提出的全自动跨尺度金相激光光谱原位分析系统创新性地将金相显微技术与LIBS分析技术结合，解决了跨尺度材料表面全域微观组织结构和夹杂物的识别、定位及组成的关键问题。

Description

大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统

技术领域

本发明涉及材料表面表征技术领域，尤其涉及一种大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统。

背景技术

航空高温合金涡轮盘、核电管道、高铁车轮等大尺度金属构件是重大工程关键核心部件。米级大尺度金属构件微观组织结构中晶界偏析与夹杂物是航空、高铁、核电等行业关键部件失效的重要因素。

目前国内外通常采用金相显微镜或扫描电镜/能谱(SEM/EDS)方法，结合复杂的样品前处理(切割)来分别获取大尺度样品表面夹杂物信息，但该方法有以下缺点：一、测试样品尺寸受限，通常为十几平方毫米，无法获得大尺寸样品表面全域微观组织结构和夹杂物的准确信息；二、金相显微镜无法提供夹杂物的组成信息；三、扫描电镜SEM分析速度慢，操作复杂需专门的操作人员；四、激发腔室需要抽真空，并且需要将样品全部置于激发腔室内，因此，需要激发腔室具有较大的体积。针对以上缺点，本发明提供一种大尺度样品全域成分及夹杂物的全自动扫查定位和定量分析系统，实现对厘米级到米级的跨尺度样品表面全域微观组织结构和夹杂物识别、定位及组成的全自动表征。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，至少能够解决以下技术问题之一：(1)现有激发腔室需要抽真空，激发腔室体积大；(2)无法实现对米级大尺寸样品表面全域微观组织结构和夹杂物的准确分析；(3)金相分析等传统手段分析效率低。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，包括数控工作台系统、显微照相矩阵系统和激光光谱分析系统；

激光光谱分析系统包括激光光源单元、激发腔室、激光聚焦单元、微区成像单元、分光单元和CCD信号采集单元；

激发腔室的顶部通过保护窗片密封，侧面设有用于充入保护气的入气孔；CCD信号采集单元包括CCD探测器，CCD探测器用于将检测到的连续光谱信号转化为电信号；CCD信号采集单元置于分光单元内，用于将电信号进行存储和累加；激光聚焦单元用于将激光聚焦于待测样品表面；微区成像单元采集样品表面形貌信息，实时监测样品表面剥蚀状况；分光单元用于将受激发样品表面发出的光进行色散以变为连续单色光；大尺度是指从厘米级到米级。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，显微照相矩阵系统包括至少一组显微照相单元，显微照相单元包括相机、显微镜头和LED照明。

进一步，激光聚焦单元包括准直镜、光阑和聚焦镜；聚焦镜包括多组不同焦距的聚焦镜。

进一步，大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统还包括GPU工作站群组、网络交换机和终端服务器；

GPU工作站群组用于对显微照相矩阵系统进行数据采集、图像处理及显示，完成待测样品表面局部区微观组织结构和夹杂物的识别、定位及形貌和尺寸测量；

网络交换机用于实现终端服务器与数控工作台系统、显微照相矩阵系统、GPU工作站群组和激光光谱分析系统之间的数据传输与网络通信；

终端服务器用于实现对待测样品扫描图像的拼接、夹杂物信息统计和汇总。

进一步，数控工作台系统包括数控工作台及其控制系统，用于对待测样品进行定位与移动。

进一步，GPU工作站群组包括至少一个GPU工作站，GPU工作站接收显微照相单元的数据。

进一步，GPU工作站收集显微照相单元的单视场信息时间小于等于2秒。

进一步，GPU工作站群组进行全样品夹杂物信息搜索、定位、表征的时间小于等于1小时。

进一步，终端服务器包括数据处理系统，数据处理系统通过网络交换机完成与GPU工作站群组、激光光谱分析系统之间的数据交互。

进一步，终端服务器还包括软件控制系统，软件控制系统通过网络交换机实现对数控工作台系统的控制。

本发明有益效果如下：

(1)本发明将显微照相矩阵技术与激光光谱分析技术结合，有效解决了跨尺度材料表面全域微观组织结构和夹杂物的识别、定位及组成的关键问题。

(2)本发明的激发腔室顶端通过保护窗片密封，侧面设有用于充入保护气的入气孔，使得激发腔室无需抽真空，就可以达到或超过真空状态下的激发效果。通过该入气孔向激发腔室内充入惰性保护气体，使得腔室内在样品激发时能避免紫外波段元素光谱被空气吸收，达到检测短波元素的目的。

(3)现有技术中在对样品表面进行分析时，需要将样品全部置于激发腔室内，因此，需要激发腔室具有较大的体积，并且所能分析的样品尺寸仅能达到厘米级，而本发明的分析系统在对样品表面进行分析时，不需要将样品置于激发腔室内，而是将样品表面待测区域置于激发腔室下方，所能分析的样品尺寸能达到米级，实现了从厘米级到米级的跨尺度样品表面的表征。

(4)由于不需要将样品置于激发腔室内，所以，本发明的激发腔室体积小，可方便地与显微照相矩阵组成统一整机，便于控制及整机设计。

(5)本发明聚焦单元中的聚焦镜包括多组不同焦距的聚焦镜，可进行不同光斑尺寸之间的切换，应用范围更广。

(6)本发明的采集系统为CCD采集，与现有的PMT采集方式相比，可实现全谱范围内的连续采集，有效提高了检测的自动化水平及分析可靠性，大幅降低分析成本，缩短分析时间。

(7)本发明的激光光谱分析系统采用空间光耦合，可有效提高入射光耦合效率，从而提高由光谱信号转化为电信号的转换效率。

(8)本发明的CCD信号采集单元分辨率高，元素响应快。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一种大尺度样品全域成分及夹杂物的全自动扫查定位和定量分析系统结构示意图。

附图标记：

1-高精度数控工作台系统；2-显微照相矩阵系统；3-GPU工作站群组；4-激光光谱仪；5-网络交换机；6-终端服务器；7-待测样品。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种大尺度样品全域成分及夹杂物的全自动扫查定位和定量分析系统，如图1所示，包括高精度数控工作台系统1、显微照相矩阵系统2、GPU工作站群组3、激光光谱仪4、网络交换机5与终端服务器6。

实施时，采用显微照相矩阵系统2和GPU工作站群组3，控制高精度数控工作台系统1，对待测样品7表面进行多群组显微拍照、并通过图像处理算法实现表面微观组织结构和夹杂物的识别、定位、形貌及尺寸测量，同时可完成对厘米级到米级的跨尺度样品表面全域夹杂物信息统计，利用夹杂物统计信息反馈，采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对标定夹杂物进行制导分析，通过光谱信号解析及建立的夹杂算法模型，实现对夹杂物组成的表征。

与现有技术相比，(1)本实施例提供的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统采用高精度数控工作台系统1与显微照相矩阵系统2结合，可实现大尺度样品表面微观组织结构和夹杂物的快速识别、定位；(2)高精度数控工作台系统1和激光光谱分析系统结合，可实现大尺度样品表面夹杂物及元素成分及分布分析表征；(3)高精度数控工作台系统、显微照相矩阵系统及激光光谱分析系统三者协同，有效地克服了金相分析等传统手段无法分析大尺寸样品且分析效率低等缺点，则可实现大尺度样品表面微观组织结构和夹杂物的快速识别、定位及组成；(4)该分析系统对样品导电性无特殊要求，即对金属样品或非金属样品均可进行检测分析，提高了样品的适应性。

高精度数控工作台系统、显微照相矩阵系统及激光光谱分析系统三位一体的分析系统，实现对厘米级到米级的跨尺度样品全域微观组织结构和夹杂物识别、定位、及组成的全自动表征。

高精度数控工作台系统由数控工作台及其控制系统组成，可实现待测样品在X轴、Y轴、Z轴方向连续移动，移动范围达米级尺寸，移动精度可达微米级，承重可达1000Kg，有效地满足了大尺寸样品高精度的移动需求；数控工作台由PMC控制，时间响应快，控制精度高，可靠性好，可进行在线修改，灵活性高，方便维护升级。

显微照相矩阵系统2与激光光谱仪4经刚性转接件固定于高精度数控工作台系统Z轴台面，并由高精度数控工作台控制系统对Z轴升降进行自动控制；

GPU工作站群组、网络交换机、终端服务器统一安装于机柜内，便于电气连接及后期维护；

显微照相矩阵系统2由多组(可拓展)显微照相单元组成，每个显微照相单元由高速显微镜和LED照明组成；对待测样品7表面进行放大、照相，并通过USB通讯将数据传输给GPU工作站群组；

GPU工作站群组以GPU为核心，由多个GPU工作站及相应软件控制系统组成；每个GPU工作站接收8个显微照相单元数据，利用GPU超强的图形数据矩阵并行运算能力来对显微照相单元传输数据进行采集、图像拼接及显示，实现对待测样品表面局部区域夹杂物的识别、定位及尺寸测量；

单个GPU工作站收集显微照相矩阵系统的单视场信息时间不大于两秒；

GPU工作站群组进行米级样品夹杂物信息识别、定位的时间不大于一小时；

激光光谱仪由激光光源、激发腔室、激光聚焦系统、微区成像系统、分光系统及高速CCD信号采集系统、数据处理系统组成；

激光光源、激光聚焦系统、微区成像系统通过螺丝固定在同一光学调整平台上，分光系统通过三角转接件固定在光学调整平台上，激发腔室保护窗片顶端密封，并充入保护气体固定在分光系统的入口前端，高速CCD信号采集系统安装于分光系统内；

激光光源系统为超短脉冲式固体激光器，通过螺丝固定在光学调整平台上；

激光聚焦系统将激光聚焦于待测样品表面，主要由准直镜(组)、光阑、聚焦镜(组)等构成；

微区成像系统由高速CCD摄像头采集样品表面形貌信息并将数据经网络交换机传送给终端服务器，CCD摄像头与激光光源系统固定在同一光学调整平台上；

分光系统将受激发样品表面发出的光进行色散变为连续单色光，由CCD探测器将检测到的连续光谱信号转化为电信号，经高速CCD信号采集系统进行存储、累加等操作，处理后的数据经网络交换机传输给最终端服务器；

终端服务器由数据处理系统与软件控制系统组成，采用CPU+GPU协同计算模型，提高整个系统多线程数据协同处理和高度图像并行数值计算能力；

数据处理系统通过网络交换机完成与GPU工作站群组、激光光谱仪之间的数据交互，实现对待测样品扫描图像的拼接、夹杂物信息汇总、统计；

软件控制系统通过网络交换机对高精度数控工作台系统的全自动控制，同时控制整个系统的运行；

本实施例的激光光谱仪无单独扫描平台，样品扫描由高精度数控工作台系统完成，且扫描区域为m²，明显大于现有技术中的mm²。

本实施例的分析系统具体工作过程如下：

系统通电后，由终端服务器下发样品激发腔室充气指令，激发腔室内充入高纯氩气，并由减压阀与流量计调节流量大小；

显微照相矩阵系统由12*4个显微照相组成，单个显微照相单元视场为6mm*4mm，负责完成样品表面120mm*80mm区域照相；

显微照相矩阵系统得电后，单个显微照相单元对样品表面6mm*4mm局部区域进行照相，将该照相数据传输给对应GPU工作站，GPU工作站对图像进行数据处理拼接，完成单视场内局部区域采集；

单视场内局部区域采集完成后，由终端服务器对数控工作台系统发送运动控制指令，数控工作台根据指令运动到指定位置，重复以上样品表面6mm*4mm局部区域照相及数据处理拼接过程，直至完成单视场120mm*80mm区域图像采集及数据处理拼接；

12*4个显微照相矩阵单元重复以上单个纤维照相单元工作过程，最终由GPU工作站群组将图像数据传输至最终服务器；

终端服务器数据处理系统对GPU传输的图像数据进行拼接、处理及显示，完成对米级大尺寸样品表面全域扫描及样品表面夹杂物识别、位置定位、尺寸测量；

终端服务器根据图像中夹杂物的位置信息，结合应用分析需求，发送运动控制指令，数控工作台接收指令后将该对应位置移动至激光光谱仪激光聚焦焦点位置；

激光光谱仪由终端服务器控制，对该分析位置进行激发，经分光系统分光、CCD采集系统采集后将数据传输至终端服务器，最终服务器对该数据进行夹杂物信息汇总、统计。

本发明的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统采用显微照相矩阵系统和GPU工作站群组，通过控制高精度数控工作台，完成样品表面多群组显微拍照并通过图形处理算法实现夹杂物的识别、定位、形貌及尺寸测量，结合激光诱导击穿光谱技术对夹杂物制导分析，实现了跨尺度样品表面全域微观组织结构和夹杂物尺寸和组成的全自动表征，有效提高了检测的自动化水平及分析可靠性，大大减少了分析的成本和时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，其特征在于，包括数控工作台系统、显微照相矩阵系统和激光光谱分析系统；

所述激光光谱分析系统包括激光光源单元、激发腔室、激光聚焦单元、微区成像单元、分光单元和CCD信号采集单元；

所述激发腔室的顶部通过保护窗片密封，侧面设有用于充入保护气的入气孔；

所述CCD信号采集单元包括CCD探测器，所述CCD探测器用于将检测到的连续光谱信号转化为电信号；所述CCD信号采集单元置于所述分光单元内，用于将电信号进行存储和累加；

所述激光聚焦单元用于将激光聚焦于待测样品表面；

所述微区成像单元采集样品表面形貌信息，实时监测样品表面剥蚀状况；

所述分光单元用于将受激发样品表面发出的光进行色散以变为连续单色光；

所述大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统还包括高精度数控工作台系统、GPU工作站群组、网络交换机和终端服务器；

所述GPU工作站群组包括至少一个GPU工作站；

所述高精度数控工作台系统包括数控工作台及高精度数控工作台控制系统；

所述显微照相矩阵系统与所述激光光谱分析系统固定于所述高精度数控工作台系统Z轴台面，并由所述高精度数控工作台控制系统对Z轴升降进行自动控制；

所述终端服务器包括数据处理系统，所述数据处理系统通过所述网络交换机完成与所述GPU工作站群组、所述激光光谱分析系统之间的数据交互；

所述终端服务器还包括软件控制系统，所述软件控制系统通过所述网络交换机实现对所述数控工作台系统的控制。

2.根据权利要求1所述的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，其特征在于，所述显微照相矩阵系统包括至少一组显微照相单元，所述显微照相单元包括相机、显微镜头和LED照明。

3.根据权利要求1所述的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，其特征在于，所述激光聚焦单元包括准直镜、光阑和聚焦镜；所述聚焦镜包括多组不同焦距的聚焦镜。

4.根据权利要求1所述的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，其特征在于，所述GPU工作站群组用于对显微照相矩阵系统进行数据采集、图像处理及显示，完成待测样品表面局部区微观组织结构和夹杂物的识别、定位及形貌和尺寸测量；

所述网络交换机用于实现所述终端服务器与数控工作台系统、显微照相矩阵系统、GPU工作站群组和激光光谱分析系统之间的数据传输与网络通信；

所述终端服务器用于实现对待测样品扫描图像的拼接、夹杂物信息统计和汇总。

5.根据权利要求1所述的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，其特征在于，所述数控工作台系统包括数控工作台及其控制系统，用于对待测样品进行定位与移动。

6.根据权利要求2所述的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，其特征在于，所述GPU工作站接收所述显微照相单元的数据。

7.根据权利要求6所述的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，其特征在于，所述GPU工作站收集所述显微照相单元的单视场信息时间小于等于2秒。

8.根据权利要求4所述的大尺度样品全域成分全自动扫查定位和定量分析系统，其特征在于，所述GPU工作站群组进行全样品夹杂物信息搜索、定位、表征的时间小于等于1小时。

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