高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪及分析方法
【专利摘要】本发明属于材料性能表征【技术领域】，具体涉及一种高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪及分析方法，该分析仪包括高通量自动进样扫描系统、数字信号处理系统与智能分析系统，其中高通量自动进样扫描系统包括样品台(1)、X轴导轨(2)、Y轴导轨(3)和Z轴导轨(4)、数字信号处理系统包括金相显微镜(5)、CCD数字相机(6)、接口(7)、图像处理装置(8)和照明光源(12)。该分析仪通过获取样品大尺度范围内(cm2级)金相组织的海量原始数字信号实现高通量数据采集，通过对海量原始数字信号的统计分析实现各类金相组织的自动鉴别、自动评级和评价，通过原始数字信号与样品表面点对点的精确对应实现在原始位置上金相组织的定位。
【专利说明】高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪及分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料性能表征【技术领域】，具体涉及一种高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪及分析方法。
【背景技术】
[0002]金属材料(钢、铜、铝、镍等合金)的化学成分以及各种成分在合金内部的物理状态和化学状态称为金相组织。材料组织结构直接影响决定其物理力学性能，化学成分、热处理工艺、冷热加工工艺的研宄和改进本质上都是通过改变内部组织结构来提高材料的硬度、韧性、耐磨性等各种性能。
[0003]金相组织分析是材料组织结构分析中常用的表征方法之一，它分为低倍和高倍金相两种表征方法。低倍组织表征指用肉眼或借助10倍以下的放大镜，对金属材料的疏松、裂纹、缩孔、偏析、缺陷等组织进行表征，属于宏观检验。高倍金相组织表征指借助50?1500倍左右的光学显微镜，对金属材料内部的晶粒度、碳化物、夹杂物和组成相等组织结构进行表征，属于微观检验。两种方法都是通过放大镜或显微镜观察来定性地描述金属材料的组织特征，或采用与各种标准图片比较的方法评定金属组织，各有优缺点。宏观检验虽然能够表征材料大范围内明显的偏析、缺陷等组织，但无法表征微小的组织结构；微观检验虽然能够表征某些特定区域的内在属性，但是由于微区视场的局限性(一般观察视场的直径约为2_?100 μ m左右)，在人为选择视场时常常带有主观性、随机性和偶然性，能够观察的视场有限，容易遗漏有缺陷的部位，缺乏对于材料整体的全面的考察，其重现性和精确性不高，而金属材料中的显微组织并非均匀分布，因此任何一个参数的测定都不能只靠人眼在显微镜下测定一个或几个视�。匦虢写罅康耐臣乒ぷ鳎拍鼙Ｖげ饬拷峁目煽啃裕虼嗽谄渫臣粕系拇硇苑矫婊勾嬖谝陕恰４送庹庵执车氖止げ舛ǎ唤鲆恢滦圆睿宜俣嚷ぷ髁看螅匝沸阅艿恼繁碚髟斐捎跋�。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，是得到一种高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪及分析方法，能实现多个样品在大尺度范围内(cm2级)金相组织的海量原始数字信号高通量数据采集功能，通过对海量原始数字信号的数理统计解析实现每个样品中各类金相组织的自动鉴别、自动评级和评价功能，通过原始数字信号与样品表面点对点的精确对应实现样品在原始位置上金相组织的映射定位功能，最终达到样品金相组织的原位统计分布分析表征研宄。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0006]一种高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪，该分析仪包括高通量自动进样扫描系统、数字信号处理系统、智能分析系统，其中，
[0007]高通量自动进样扫描系统包括:样品台1、X轴导轨2、Y轴导轨3和Z轴导轨4，其中，样品台I固定于X轴导轨2上部，X轴导轨2下方依次布置Y轴导轨3和Z轴导轨4，X轴导轨2、Y轴导轨3分别由X、Y轴驱动器10驱动，控制样品台I的自动顺序移动，实现多个样品的顺序自动分析；Ζ轴导轨4由Z轴驱动器11驱动，移动实现移动过程中的自动对焦功能，Z轴的移动由CCD数字相机6产生的信号来控制Z轴驱动器11 ；
[0008]数字信号处理系统包括:金相显微镜5、(XD数字相机6、接口 7、图像处理装置8和照明光源12，其中，金相显微镜5和CXD数字相机6通过接口 7连接，两者固定于样品台I的上方，照明光源12固定在金相显微镜5上，图像处理装置8与CXD数字相机6连接；
[0009]智能分析系统9与图像处理装置8连接，对采集的原始数字信号进行数理统计解析并对金相组织自动鉴别和cm2级范围金相原位统计分布分析表征，也通过数字信号输出样品在全视场范围内的金相组织图像。
[0010]所述样品台I包括盛放I?9个样品的样品置放处A?I。
[0011]通过X、Y轴驱动器10控制X轴导轨2、Y轴导轨3从而进一步控制样品台I的自动顺序移动。
[0012]由CXD数字相机6上相邻两个像素的相位差产生的电信号控制Z轴驱动器11从而进一步控制Z轴导轨4以及样品台I。
[0013]所述分析仪可实现金属材料全视场范围的疏松、裂纹、缩孔、偏析、缺陷的原位统计分布表征，金属材料全视场范围内的晶粒度、碳化物、夹杂物以及组成相等各种组织的类型、数量、大小和形状等特性的大尺度原位统计分布分析表征，金相组织最大偏析与最小偏析的空间定位分析，全视场表观致密度的统计解析，组织统计符合度的解析等。
[0014]一种高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪的分析方法，包括如下步骤:
[0015]a)将样品按尺寸要求进行制备加工；
[0016]b)将制备加工后的样品进行粗磨、细磨、抛光、浸蚀；
[0017]c)将抛光浸蚀后的多个金相样品按次序分别置于样品台I中的样品置放处A?I，然后将样品台I置于X轴导轨2上面的平台上，通过CXD数字相机6在计算机上观察金相视�。�
[0018]d)打开照明光源12，调节亮度至全视野光照均匀，视场清晰；
[0019]e)选择金相显微镜5的放大倍数、样品扫描的顺序、步距、手动或自动对焦，使图像清晰；
[0020]f)确定A号样品扫描的起始位置，开始扫描，依次对A?I号样品进行全视场扫描;
[0021]g)扫描结束后自动输出每块样品的全视场金相数字信号，并通过数字信号智能输出全视场金相组织图像；
[0022]h)启动智能分析系统9，导入步骤g中待分析的全视场金相数字信号，通过智能分析系统9对所有样品的全视场金相数字信号进行统计分析，给出每块样品金相组织的点对点的原始状态及变化规律，完成样品在全视场范围内的金相原位统计分布分析表征；
[0023]i)保存或打印分析结果。
[0024]步骤f中，扫描过程中，X轴导轨2按设定步距移动的同时，CXD数字相机6将传送对焦信号给Z轴驱动器11，令其控制Z轴导轨4上下微量移动以实现样品表面自动对焦，对焦成功后CCD数字相机6进行数码照相并传输到智能分析系统9，X轴导轨2继续按设定步距移动，然后对焦、照相、传输，如此往复直到第一个样品的一行全部扫描结束；此后，Y轴导轨3按设定步距移动进行换行，再重复以上扫描步骤，直到第一个样品的整个表面全部扫描采集，图像处理装置8输出该样品全视场金相数字信号，并将数字信号直接转换为全视场金相图像，完成第一个样品的全视场金相组织信号采集与输出；处理数字信号时，X轴导轨2和Y轴导轨3移动至B号样品进行扫描，以此类推完成样品台I上所有样品的扫描和数字信号采集。
[0025]对cm2级材料中金相组织原位数字信号的高通量自动采集，对数字信号的特殊数理统计解析，通过统计分析结果对样品的组织进行智能原位统计分布分析表征。
[0026]本发明的有益效果在于:
[0027]针对现有技术中金相分析仪采取人为选择观察视场时，由主观性、随机性和偶然性造成容易遗漏有缺陷部位视场的问题，本发明提供的分析仪基于金相显微镜、面阵CXD数码相机和高精度三维移动平台对金属材料全表面金相组织进行连续扫描和金相组织数字信号采集，并对全视场原始数字信号进行数理统计解析，给出样品金相组织点对点的实际状态与变化规律，还能对样品某小区域内金相组织与性能进行映射，实现金相原位统计分布分析表征。
[0028]本发明的分析仪能够自动连续获取最多9个样品的全视场范围内金相组织的海量(百万?千万)原始数字信号，而非单一样品中某个视场、多个视场或整个拼接视场的一张或几张金相组织图片，并且每个数字信号都代表着样品对应原始位置上的原始信息。因此，可以对这些数字信号进行特殊的数理统计解析，从而实现更为全面、准确、系统的金相组织表征，能够给出样品金相组织的实际状态与变化规律；并且，数字信号与样品原始位置的点对点一一映射对应关系，可以实现样品某小区域内金相组织与性能的映射表征，从而给出最优性能区域的组织状态并指导生产工艺改进；另外，可通过采集的数字信号智能输出样品的全视场金相组织图像，无需多个图像的无缝拼接，减少图像拼接时产生的误差，提高分析准确度。
[0029]其中:
[0030]I)本发明的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪耦合了三维移动/定位样品台，可以实现多个样品自动、连续、高通量送样和全视场金相组织数字信号采集。
[0031]2)本发明的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪利用了 CCD相机像素的相位差对焦原理和Z轴高精度移动平台相结合，实现连续扫描中同步自动对焦的功能。
[0032]3)本发明的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪开发了金相组织原始数字信号采集与数理统计解析技术，实现样品的全视场金相组织原位统计分布分析表征，避免了人为选择视场时容易出现的主观性、随机性和偶然性的问题，使金相组织的表征更为全面、准确。
[0033]4)本发明的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪开发了数字全视场金相组织的智能分析系统，实现金相组织的数理统计解析、自动鉴别、自动评级和大尺度金相组织原位统计分布分析表征，使金相组织的表征更为全面、简单、快捷、准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本发明的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪结构示意图。
[0035]图2为图1中分析仪的样品台结构示意图。
[0036]图3为采用本发明的分析仪所采集到的样品全视场范围内金相组织原始数字信号。
[0037]图4为采用传统金相分析仪对样品进行人为主观挑选的分析视场的金相组织图像。
[0038]图5为采用传统金相分析仪得到的带有遗漏视场的金相组织图像。
[0039]图6为采用采用本发明的分析仪得到的金相组织图像。
[0040]附图标记
[0041]I 样品台2 X轴导轨
[0042]3 Y轴导轨4 Z轴导轨
[0043]5 金相显微镜6 CCD数字相机
[0044]7 接口8图像处理装置
[0045]9 智能分析系统10 X、Y轴驱动器
[0046]11 Z轴驱动器12 照明光源
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0048]如图1所示，本发明的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪包括高通量自动进样扫描系统、数字信号处理系统、智能分析系统。
[0049]高通量自动进样扫描系统用于多样品连续自动的送入数字金相表征系统并在分析过程中完成对样品在三个方向(x-y-z)上的运动，包括样品台1、X轴导轨2、Y轴导轨3和Z轴导轨4，其中，样品台I包括盛放I?9个样品的样品置放处A?I，样品台I固定于X轴导轨2上部，X轴导轨2下方依次布置Y轴导轨3和Z轴导轨4，X轴导轨2、Y轴导轨3分别与X、Y轴驱动器10电连接，Z轴导轨4与Z轴驱动器11电连接，通过X、Y轴驱动器10控制X轴导轨2和Y轴导轨3从而进一步控制样品台I的自动顺序移动，实现每个样品的精确定位和连续送样，通过Χ、γ轴移动实现每个样品表面的移动扫描和精确定位；ζ轴驱动器11与CCD数字相机6电连接，Z轴的移动由CCD数字相机6上相邻两个像素的相位差产生的电信号控制Z轴驱动器11从而进一步控制Z轴导轨4以及样品台1，实现移动过程中的高精度自动对焦功能。
[0050]数字信号处理系统用于对采集的金相组织数字信号进行处理，包括金相显微镜5、C⑶数字相机6、接口 7、图像处理装置8和照明光源12。其中，金相显微镜5和CXD数字相机6通过接口 7连接，两者固定于样品台I的上方，照明光源12固定在金相显微镜5上对样品表面进行补光以便采集清晰的图谱，图像处理装置8与CCD数字相机6电连接，将CCD数字相机6采集的金相数字信号进行处理和输出，从而输出全视场金相数字信号和一张高分辨率全视场金相组织图谱。
[0051]智能分析系统9用于对全视场金相数字信号进行原位统计分布分析表征，智能分析系统9与图像处理装置8电连接，主要是将图像处理装置8采集的全视场金相组织数字信号进行数理统计解析，实现金相组织的自动鉴别和大尺度金相原位统计分布分析表征。
[0052]本发明的高通量数字全视场金相原位统计表征的分析方法，包括如下步骤:
[0053]a)将样品按尺寸要求进行制备加工；
[0054]b)将制备加工后的样品进行粗磨、细磨、抛光、浸蚀；
[0055]c)将抛光浸蚀后的多个金相样品按次序分别置于样品台I中的样品置放处A?I，然后将样品台I置于X轴导轨2上面的平台上，通过CXD数字相机6在计算机上观察金相视�。�
[0056]d)打开照明光源12，调节亮度至全视野光照均匀，视场清晰；
[0057]e)选择金相显微镜5的放大倍数、样品扫描的顺序、步距、手动或自动对焦，使图像清晰；
[0058]f)确定A号样品扫描的起始位置，开始扫描，依次对A?I号样品进行全视场扫描，扫描过程中，X轴导轨2按设定步距移动的同时，CCD数字相机6将传送对焦信号给Z轴驱动器11，令其控制Z轴导轨4上下微量移动以实现样品表面自动对焦，对焦成功后CCD数字相机6进行数码照相并传输到智能分析系统9，X轴导轨2继续按设定步距移动，然后对焦、照相、传输，如此往复直到第一个样品的一行全部扫描结束；此后，Y轴导轨3按设定步距移动进行换行，再重复以上扫描步骤，直到第一个样品的整个表面全部扫描采集，图像处理装置8输出该样品全视场金相数字信号，并将数字信号直接转换为全视场金相图像，完成第一个样品的全视场金相组织信号采集与输出；处理数字信号时，X轴导轨2和Y轴导轨3移动至B号样品进行扫描，以此类推完成样品台I上所有样品的扫描和数字信号采集；
[0059]g)扫描结束后自动输出每块样品的全视场金相数字信号，并通过数字信号智能输出全视场金相组织图像；
[0060]h)启动智能分析系统9，导入步骤g中待分析的全视场金相数字信号，通过智能分析系统9对所有样品的全视场金相数字信号进行统计分析，给出每块样品金相组织的点对点的原始状态及变化规律，完成样品在全视场范围内的金相原位统计分布分析表征；
[0061]i)保存或打印分析结果。
[0062]如图3所示，为扫描一块样品所采集到的全视场范围内金相组织原始数字信号，阵列中每一个数字都是与样品原始位置一一精确对应。
[0063]如图4所示，为传统金相分析仪对一块样品进行人为主观挑选的分析视场，其视场的代表性具有非常大的局限性。
[0064]如图5所示，为使用传统金相分析方法没有被挑选的视�。此怕┑氖映。得鞔撤治龇椒ú⒉荒苋娴谋碚餮返慕鹣嘧橹�。
[0065]如图6所示，为由采集的原始数字信号输出的全视场金相组织图像，无需多个图像进行无缝拼接，减少图像拼接时产生的误差。
[0066]本发明的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪具备如下功能:多个样品连续自动进样的高通量表征；样品全视场连续扫描和金相组织数字信号采集；材料连续扫描过程中同步自动对焦功能；全视场金相组织在样品表面上精确坐标(x，y)定位的原位表征；金相数字信号直接转换成全视场金相组织图像；材料全视场范围的疏松、裂纹、缩孔、偏析、缺陷的原位统计分布分析表征；材料全视场范围内的晶粒度、碳化物、夹杂物以及组成相等各种组织的类型、数量、大小和形状等特性的大尺度原位统计分布分析表征；组织最大偏析与最小偏析的空间定位分析；全视场表观致密度的统计解析；组织统计符合度的解析等。
[0067]该分析仪可以实现材料中大尺度范围内(cm2级)，各种金相组织的自动鉴别、自动评级和原位统计分布分析表征；同时，通过特殊的样品台可以实现I?9个样品金相组织的高通量自动表征，并且能够将图像中的金相组织在样品表面上精确定位，从而实现原位统计分布分析映射表征。
【权利要求】
1.一种高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪，其特征在于: 该分析仪包括高通量自动进样扫描系统、数字信号处理系统、智能分析系统，其中， 高通量自动进样扫描系统包括:样品台(l)、x轴导轨(2)、γ轴导轨(3)和Z轴导轨(4)，其中，样品台(I)固定于X轴导轨(2)上部，X轴导轨(2)下方依次布置Y轴导轨(3)和Z轴导轨(4)，X轴导轨(2)、Υ轴导轨(3)分别由X、Y轴驱动器(10)驱动，控制样品台(I)的自动顺序移动，实现多个样品的顺序自动分析；Z轴导轨(4)由Z轴驱动器(11)驱动，移动实现移动过程中的自动对焦功能，Z轴的移动由CCD数字相机(6)产生的信号来控制Z轴驱动器(11); 数字信号处理系统包括:金相显微镜(5)、CCD数字相机￠)、接口(7)、图像处理装置(8)和照明光源(12)，其中，金相显微镜(5)和CCD数字相机(6)通过接口(7)连接，两者固定于样品台⑴的上方，照明光源(12)固定在金相显微镜(5)上，图像处理装置⑶与CXD数字相机(6)连接； 智能分析系统(9)与图像处理装置(8)连接，对采集的原始数字信号进行数理统计解析并对金相组织自动鉴别和cm2级范围金相原位统计分布分析表征，也通过数字信号输出样品在全视场范围内的金相组织图像。
2.如权利要求1所述的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪，其特征在于: 所述样品台⑴包括盛放I?9个样品的样品置放处㈧?⑴。
3.如权利要求1所述的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪，其特征在于: 通过X、Y轴驱动器(10)控制X轴导轨(2)、Y轴导轨(3)从而进一步控制样品台(I)的自动顺序移动。
4.如权利要求1所述的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪，其特征在于: 由CCD数字相机(6)上相邻两个像素的相位差产生的电信号控制Z轴驱动器(11)从而进一步控制Z轴导轨(4)以及样品台(I)。
5.如权利要求1所述的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪，其特征在于: 所述分析仪可实现金属材料全视场范围的疏松、裂纹、缩孔、偏析、缺陷的原位统计分布表征，金属材料全视场范围内的晶粒度、碳化物、夹杂物以及组成相等各种组织的类型、数量、大小和形状等特性的大尺度原位统计分布分析表征，金相组织最大偏析与最小偏析的空间定位分析，全视场表观致密度的统计解析，组织统计符合度的解析等。
6.一种如权利要求1所述的高通量数字全视场金相原位统计表征分析仪的分析方法，其特征在于: 包括如下步骤: a)将样品按尺寸要求进行制备加工； b)将制备加工后的样品进行粗磨、细磨、抛光、浸蚀； c)将抛光浸蚀后的多个金相样品按次序分别置于样品台(I)中的样品置放处(A)?(I)，然后将样品台(I)置于X轴导轨(2)上面的平台上，通过CCD数字相机(6)在计算机上观察金相视�。� d)打开照明光源(12)，调节亮度至全视野光照均匀，视场清晰； e)选择金相显微镜(5)的放大倍数、样品扫描的顺序、步距、手动或自动对焦，使图像清晰； f)确定A号样品扫描的起始位置，开始扫描，依次对A?I号样品进行全视场扫描； g)扫描结束后自动输出每块样品的全视场金相数字信号，并通过数字信号智能输出全视场金相组织图像； h)启动智能分析系统(9)，导入步骤g中待分析的全视场金相数字信号，通过智能分析系统(9)对所有样品的全视场金相数字信号进行统计分析，给出每块样品金相组织的点对点的原始状态及变化规律，完成样品在全视场范围内的金相原位统计分布分析表征； i)保存或打印分析结果。
7.如权利要求6所述的高通量数字全视场金相原位统计表征的分析方法，其特征在于: 步骤f中，扫描过程中，X轴导轨(2)按设定步距移动的同时，C⑶数字相机(6)将传送对焦信号给Z轴驱动器(11)，令其控制Z轴导轨(4)上下微量移动以实现样品表面自动对焦，对焦成功后CCD数字相机(6)进行数码照相并传输到智能分析系统(9)，X轴导轨(2)继续按设定步距移动，然后对焦、照相、传输，如此往复直到第一个样品的一行全部扫描结束；此后，Y轴导轨(3)按设定步距移动进行换行，再重复以上扫描步骤，直到第一个样品的整个表面全部扫描采集，图像处理装置(8)输出该样品全视场金相数字信号，并将数字信号直接转换为全视场金相图像，完成第一个样品的全视场金相组织信号采集与输出；处理数字信号时，X轴导轨(2)和Y轴导轨(3)移动至B号样品进行扫描，以此类推完成样品台(I)上所有样品的扫描和数字信号采集。
8.如权利要求6所述的高通量数字全视场金相原位统计表征的分析方法，其特征在于: 对cm2级材料中金相组织原位数字信号的高通量自动采集，对数字信号的特殊数理统计解析，通过统计分析结果对样品的组织进行智能原位统计分布分析表征。
【文档编号】G01N21/84GK104483317SQ201410852381
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】王海舟, 贾云海, 赵雷, 李冬玲, 钟振前 申请人:钢研纳克检测技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
