金相检测的原理及应用

《微弱信号检测与放大》

摘要：微弱信号常常被混杂在大量的噪音中 ,改善信噪比就是对其检测的目的，从而恢复信号的幅度。因为信号具备周期性、相关性,而噪声具有随机性，所以采用相关检测技术时可以把信号中的噪声给排除掉。在微弱信号检测程中，一般是通过一定的传感器将许多非电量的微小变化变换成电信号来进行放大再显示和记录的。由于这些微小变化通过传感器转变成的电信号也十分微弱，可能是VV甚至V或更少。对于这些弱信号的检测时，噪声是其主要干扰，它无处不在。微弱信号检测的目的是利用电子学的、信息论的和物理学的方法分析噪声的原因及其统计规律研究被检测量信号的特点及其相干性利用现代电子技术实现理论方法过程，从而将混杂在背景噪音中的信号检测出来。

关键词：微弱信号；检测；放大；噪声

1前言

测量技术中的一个综合性的技术分支就是微弱信号检测放大，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。这门技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信号，从而探索采用新技术和新方法来提高检测输出信号的信噪比。

微弱信号检测放大目前在理论方面重点研究的内容有：

a.噪声理论和模型及噪声的克服途径；b.应用功率谱方法解决单次信号的捕获；c.少量积累平均，极大改善信噪比的方法；d.快速瞬变的处理；e.对低占空比信号的再现；f.测量时间减少及随机信号的平均；g.改善传感器的噪声特性；h.模拟锁相量化与数字平均技术结合。

2.微弱信号检测放大的原理

微弱信号检测技术就是研究噪声与信号的不同特性，根据噪声与信号的这些特性来拟定检测方法，达到从噪声中检测信号的目的。微弱信号检测放大的关键在于抑制噪声恢复、增强和提取有用信号即提高其信噪改善比 SNIR。根据下式信噪改善比（SNIR）定义

即输出信噪比（S/N）0与输入信噪比（S/N）i之比。（SNIR）越大即表示处理噪声的能力越强，检测的水平越高。

经验交流　

金相检测图像数字化处理系统的建立及其应用　

李建华　（武钢技术中心检测所湖北武汉４３ｏｏ８ｏ）　摘要显微镜光学图像利用数码技术实现“图像信息采集一计算机处理与转存一打印输出”的连　续过程，从而代替了传统的肢片照相和暗室作业。实际应用表明，即便是在放大１　０００倍下拍摄的数码　显微图片，其组织形貌、细节、层次仍很清楚，可以满足一般金相检验对图片的要求，而且提高了金相图　片制作的工作效率，节约了图片制作的成本，便于图片的交流、保存与查阅。　关键词金相检测　图像数字化　系统　Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｇｉ￣Ｐｒｏｅｅｓｓ￣Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｉｍａｇｅ　Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　Ｌｉ　Ｊｉａｎｈｕａ　（ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ　０ｆＷＩＳＣＯＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００８０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉ１１ｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ“Ｉｍａｇｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｕｍｐ—ｐｒｉｎｔ　ｏｕｔ’’ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ａｌｒｅａｄｙ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｉ０ｔ￣ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ　ｔｈａｔ　ｎｅｅｄｓ　ｆｉｌｍ　ａｎｄ　ｄａｒｋ　ｒｏｏｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｐｌａｃｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ印一　ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉＩｌｌａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｇ　ｔａｌ　ｍｉｃｒｏｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ　ｅｖｅｎ　ａｔ　１０００　ｎｍｇｒｆｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｔｉｌｌ　ｃｌｅａｒ　ｃｕｔ　ｉｎ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｄｅｔａｉｌ　ａｎｄ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　｝ｓｅＩ卜　ｔｉａｌｌｙ　ｓａｔｉｓｆｉｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｆｏｒ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ｍｅｔａＵｏｇｒａｐｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｓｔ　ｃｕｔ　ｄｏｗｎ．Ｉｔ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｔｏ　ｅｘｃｈａｎｇｅ，ｓｔｏｒｅ　ａｎｄ　ｒｅｔｒｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｅｘ￣ｌｉｎａｔｉｏｎ　ｉｍｇｅ　ｄｉｇｉｔ￣ｌｉ．ａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　

1金相实验的原理和方法 一 实验目的: 金属材料的使用通常遵循着“成分—组织—性能”的相互关系。金相即金相学，就是研究金属或合金内部结构的科学。不仅如此，它还研究当外界条件或内在因素改变时，对金属或合金内部结构的影响。所谓内在因素主要指金属或合金的化学成分。 所谓外部条件就是指温度、加工变形、铸造情况等。 二 试验设备： 1. 金相试样切割机 2. 砂轮机 3. 镶嵌机 4. 预磨机 5. 抛光机 6. 腐蚀液 7. 金相显微镜 8. 摄影系统及电脑 三 试验原理： 金相试验是将欲检验之试片表面经言磨抛光（或化学抛光、电化学抛光）至一定的要求光滑后，以特定的腐蚀液于以腐蚀，利用各相或同一相中方向不同对腐蚀程度的不同而能表现出各相之特征，并利用显微镜放大倍率观察判断之。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 2四 试验方法： 1.试片之准备： 为使试片能合乎观察的要求必须以如下之步骤处理之。 (1)取样(SAMPLING): 取样必须考虑其整体或研究的主题的代表性，如材料属方向性者则应依各方面皆取样观察：如品管检查则可随机取样如破坏原因分析可取性质较差的材料以凸显破坏原因以利观察等等。 (2)切割(SECTIONING): 如材料硬度低则可直接用锯子予以切割，如硬度较高则可使用砂轮切割，但必须慎选砂轮，且切割时须冷却以避免因切割过程所产生的热对材料组织的影响。 (3)粗磨(COARSE GRINDING): 用砂轮机去除试片的毛边，并用较粗的砂纸(#80左右)或沙袋机磨平且可除去可能因切割所产生的变态层。 (4)嵌模(MOUNTING): 嵌模之目的为使试片握持方便或保持试片边缘之完整，如不考虑这两种因素，则此步骤可省略 嵌模的方法有两种，即热嵌模(Hot Molding)及冷嵌模(Cold Molding)。热嵌模亦称为加压嵌模(Compression Molding)，方法为将试片表面朝下置于金属磨中(一般内径为111/4及11/2等三种)再填以适量之树脂，如酚树脂(如电木粉、Bakelite)，预热至60~80℃后即加压至4,200PSI左右之压力，并继续加热至130~140℃，持热PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 3数分钟后，即可移去热源，并可取出试片，如系使用热塑性塑料(Thermoplastics)则应俟温度降至50℃以下才可取出。 冷嵌模法则将试片面朝下粘在胶纸带上，再将试片置入任一直径(3~5cm)，高约3~4cm之玻璃管或金属管之内，管壁需涂上一层薄的凡士林，以利脱膜，在将树脂及硬化剂倒入管内，俟硬化后及可取出。 (5)磨制(POLISHING): 在预磨机上放置水砂纸，在流动的水流中以粗砂纸先磨，逐次磨至1,000mesh左右，即完成此一步骤磨制时应改变磨的方向，以去除嵌入金属基地的砂粒。 (6)抛光(LAPPING): 经以上磨样后的试片必须以清水洗净附着于表面的砂粒，方可至于抛光机上抛光，否则砂粒将污染抛光用的绒布。抛光用的磨料通常有氧化铝（Al2O3），氧化铬（Cr2O3）和金刚石制剂。由于氧化铬会造成呼吸器官之病变，因此，目前已较少被采用。试片经抛光至镜面无刮痕则完成此一步骤。 (7)腐蚀(ETCHING): 经抛光后的试片再以清水洗净，并速予吹干，注意从最后一次抛光后的试片不可以手触摸，否则会因油脂而污染试片，清水冲刷时可使用棉花轻轻拂试试片表面。 各种金属及合金观察所需的腐蚀液资料，可在许多书籍和发表论文中找到，而在参考数据的Ref 1及2有完整数据，附表所列者为一般常用的腐蚀液。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 4腐蚀所需的时间并无一定的标准，通常宜采用试片进入腐蚀液后，不断的取出观察其腐蚀程度， 一旦镜面变色为毛玻璃之色调或回火Martensite系列变色为灰黑色，则应立即以清水冲洗之，然后以强热风吹去试片之水滴和吹干，即可做金相观察。 2. 显微镜观察： 金相显微镜是利用光之照射在金属经反射后加以观察的方法与生物显微镜的穿透式不同，其放大被率为目镜（Eye Piece）与物镜（Objective）之乘积，如目镜的放大倍率为10X，物镜为50X，则放大被率为500X，使用显微镜时必须先以较小的放大倍率观察，因其焦距较长，才不致使物镜较易处碰到试片，俟找到较小倍率的焦距后，再选择观察的较大倍率观察之。 3. 金相组织观察 ⑴.奥氏体 －碳与合金元素溶解在γ-Fe中的固溶体，仍保持γ-Fe的面心立方晶格。晶界比较直，呈规则多边形；淬火钢中残余奥氏体分布在马氏体间的空隙处 ⑵.铁素体－碳与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体。亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。 ⑶.渗碳体－碳与铁形成的一种化合物。在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状。过共析钢冷却时沿acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 5状，共析渗碳体呈片状。铁碳合金冷却到ar1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。 ⑷.珠光体－铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。 珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。在a1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。 ⑸.上贝氏体－过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间。过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，其典型形态是一束大致平行位向差为6~8od铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。转变时先在晶界处形成上贝氏体，往晶内长大，不穿晶。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 6⑹.下贝氏体－同上，但渗碳体在铁素体针内。过冷奥氏体在350℃~ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高，针叶比低碳低合金钢细。 ⑺.粒状贝氏体－大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛的复相组织。过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，可能全部保留成为残余奥氏体；也可能部分或全部分解为铁素体和渗碳体的混合物（珠光体或贝氏体）；最可能部分转变为马氏体，部分保留下来而形成两相混合物，称为m-a组织。 ⑻.无碳化物贝氏体－板条状铁素体单相组成的组织，也称为铁素体贝氏体。形成温度在贝氏体转变温度区的最上部。板条铁素体之间为富碳奥氏体，富碳奥氏体在随后的冷却过程中也有类似上面的转变。无碳化物贝氏体一般出现在低碳钢中，在硅、铝含量高的钢中也容易形成。 ⑼.马氏体－碳在a-Fe中的过饱和固溶体。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 7板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多相互平行的板条组成一个板条束，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5个）。 片状马氏体（针状马氏体）：常见于高、中碳钢及高ni的fe-ni合金中，针叶中有一条缝线将马氏体分为两半，由于方位不同可呈针状或块状，针与针呈120o角排列，高碳马氏体的针叶晶界清楚，细针状马氏体呈布纹状，称为隐晶马氏体。 ⑽.回火马氏体－马氏体分解得到极细的过渡型碳化物与过饱和（含碳较低）的a-相混合组织 它由马氏体在150~250℃时回火形成。 这种组织极易受腐蚀，光学显微镜下呈暗黑色针状组织（保持淬火马氏体位向），与下贝氏体很相似，只有在高倍电子显微镜下才能看到极细小的碳化物质点。 ⑾.回火屈氏体－碳化物和a-相的混合物。 它由马氏体在350~500℃时中温回火形成。其组织特征是铁素体基体内分布着极细小的粒状碳化物，针状形态已逐渐消失，但仍隐约可见，碳化物在光学显微镜下不能分辨，仅观察到暗黑的组织，在电镜下才能清晰分辨两相，可看出碳化物颗粒已明显长大。 ⑿.回火索氏体－ 以铁素体为基体，基体上分布着均匀碳化物颗粒。 它由马氏体在500~650℃时高温回火形成。其组织特征是由等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织，马氏体片的痕迹已消失，渗碳体的外形已较清晰，但在光镜下也难分辨，在电镜下可看到的渗碳体颗粒较大。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 8⒀.莱氏体－ 奥氏体与渗碳体的共晶混合物。呈树枝状的奥氏体分布在渗碳体的基体上。 ⒁.粒状珠光体－由铁素体和粒状碳化物组成。 它是经球化退火或马氏体在650℃~a1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。 ⒂.魏氏组织－ 如果奥氏体晶粒比较粗大，冷却速度又比较适宜，先共析相有可能呈针状（片状）形态与片状珠光体混合存在，称为魏氏组织 。亚共析钢中魏氏组织的铁素体的形态有片状、羽毛状或三角形，粗大铁素体呈平行或三角形分布。它出现在奥氏体晶界，同时向晶内生长。过共析钢中魏氏组织渗碳体的形态有针状或杆状，它出现在奥氏体晶粒的内部。 五.问题与讨论 （1）原材料组织和脱碳层 图一、35K热轧组织 720X PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 9（2）球化组织及脱碳层 图二、35K拉拔后球化组织 表面脱碳 150X 图二、35K拉拔后球化组织4级 150X PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 10（3）低碳合金钢渗碳淬回火组织 图三、20CrMnTi渗碳淬回火组织 150X （4）10.9级产品调质组织 图四、保持马氏体位向关系的回火索氏体 720X PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 11 图五、10.9级螺栓螺纹脱碳 150X （5） 弹性垫圈组织 图五、淬火不当造成开裂 720X PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 12（6） Cr12MoV模具组织 图六、炉子跑温，模具过烧 150X PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建

负压无损检测的原理及应用

摘要：介绍了负压平衡法的检测原理及应用。

关键词：负压平衡法 无损检测

1.气体压力检测手段的特性

无损检测是设备常规检测的重要方法，利用气体压力检测容器的密封性主要有两种方法：正压法和负压法。

正压法的原理是利用气动系统将外界气体充入密封包装内，通过观察包装内部压力变化来确定包装的密封性。根据正压法原理制作的正压密封检测仪具有方便、直接的优点，但是气动系统存在着结露的问题，根据发生位置的不同，结露现象分内部结露和外部结露。

负压法的原理是将包装筒放置在密闭容器内，然后迅速抽真空，在抽真空时包装筒达不到完全泄露，停止抽真空动作后包装筒会继续泄露，从停止抽真空动作后的压力表变化来反映包装筒的泄露情况。

负压法与正压法相比，负压法具有以下优点：

1.破坏性小。不破坏弹药密封包装，保持了包装的完整性；

2.干扰性弱。避免了包装内部水汽凝结，减少了检测过程对包装内部环境的影响；

3.适应性强。对环境的适应性提高，可以不受环境条件的制约。

负压法具有方法简便、可靠性高、对产品密封包装没有损害的优点。

2.负压平衡法检测理论依据

负压平衡法检测方法的检测原理如下：

负压平衡检测方法是将被测包装筒装在密闭容器中。其结构示意图如下

检测的密闭容器包括平衡室、检测室、平衡阀。

理想气体状态方程的表现形式为：

………………………………(1)

式中P为气体压力；为气体体积；为气体的摩尔质量；为摩尔气体恒量,

=82.05atmml/mol；为绝对温度。对上式进行全微分，可得：

…………… （2）

在定容、等温条件下：，因此

…………………………………..(3)

由（3）式可以看出，密闭容器中压力的变化，完全取决于气体质量的变化（气体质量的变化间接反映了容器内气体分子数量的变化）。密闭容器抽真空后压力值下降，其实质是容器内的气体分子数目减少。度量密闭容器的泄露程度，应衡量泄露的气体质量，而泄露的气体质量能以度量系统压力的方法计算出来。