專利名稱：電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電聲脈沖信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，更確切地說(shuō)，這種電聲脈沖采集和處理裝置不僅用于掃描電聲顯微鏡，而且可應(yīng)用于光聲成象、激光超聲探測(cè)以及其他顯微成象設(shè)備中。屬于材料評(píng)價(jià)與表征新技術(shù)領(lǐng)域。
掃描電聲顯微鏡(SEAM)是把現(xiàn)代電子光學(xué)技術(shù)、電聲技術(shù)、壓電傳感技術(shù)、弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)融為一體的多功能綜合性儀器，具有微區(qū)性能研究、內(nèi)部缺陷檢測(cè)和微結(jié)構(gòu)分析的多種功能。在材料科學(xué)和功能器件的研究和制造方面已顯示其獨(dú)特的作用。而電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，是提取電聲信號(hào)的關(guān)鍵裝置，也是整個(gè)電聲顯微鏡系統(tǒng)的核心部件之一。
眾所周知，來(lái)自電聲信號(hào)探測(cè)器的原始電聲信號(hào)，是在電聲成象過(guò)程中把聲能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這種原始的電聲信號(hào)包含有試樣微結(jié)構(gòu)、微區(qū)性能和缺陷信息，但是它是一種非常微弱的脈沖信號(hào)，采集到這種微弱脈沖電聲信號(hào)，不但可以研究材料的亞表面結(jié)構(gòu)，還可以研究試樣在溫度場(chǎng)、電場(chǎng)改變時(shí)的動(dòng)態(tài)行為，這無(wú)論從基礎(chǔ)研究和實(shí)用角度都是非常有意義的。
然而，這種微弱的脈沖電聲信號(hào)的采集，不僅需要裝置有高靈敏度、低噪聲、高增益、頻率跟蹤性高，而且還要能承受大的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍以滿足電聲信號(hào)的采集特性。設(shè)計(jì)和制造達(dá)到這些要求的電聲脈沖信號(hào)采集裝置，已成為掃描電聲顯微鏡能否達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)國(guó)際聯(lián)機(jī)檢索，查閱了1981-1999年的有關(guān)專利和文獻(xiàn)，未見(jiàn)有關(guān)本實(shí)用新型提出的電聲脈沖信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的類似報(bào)導(dǎo)。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，它不僅適用于掃描電聲顯微鏡，成為它的核心部件之一，而且可應(yīng)用于光聲成像、激光超聲探測(cè)以及其他顯微成象設(shè)備中。
本實(shí)用新型提供的電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置主要是由電子束掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)切換系統(tǒng)、脈沖信號(hào)提取系統(tǒng)、增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及相應(yīng)計(jì)算機(jī)控制軟件構(gòu)成(如


圖1所示)，其中(1)電子束掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要用于控制電子束在試樣上的掃描，它由兩路增益被固定的數(shù)／橫轉(zhuǎn)換電路組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示；(2)信息切換系統(tǒng)，用于二次電子信號(hào)、電聲信號(hào)同相分量、電聲信號(hào)正交分量、電聲信號(hào)幅度分量和電聲信號(hào)的相位分量之間的切換，其原理結(jié)構(gòu)如圖3所示；(3)脈沖電聲信號(hào)采集系統(tǒng)，因?yàn)槊}沖電聲信號(hào)是被頻閃頻率所調(diào)制的微弱信號(hào)，所以必須經(jīng)過(guò)鎖定放大處理，才能獲得真正的電聲信號(hào)，本系統(tǒng)完成脈沖信號(hào)的前置放大和鎖定放大處理；(4)增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)，這是本實(shí)用新型的核心部分，它包含了兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn)1)高分辨率的程控放大電路；2)幅度敏感反饋控制計(jì)算機(jī)軟件，這部分結(jié)構(gòu)既可避免在計(jì)算機(jī)信號(hào)采集時(shí)大輸入信號(hào)時(shí)的溢出，又可將小輸入信號(hào)時(shí)的量化噪聲降至最小，這在本裝置脈沖信號(hào)采集過(guò)程是至關(guān)重要的，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示；(5)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成電聲信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并由計(jì)算機(jī)采集做進(jìn)一步的電聲圖像處理，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
本實(shí)用新型提供的電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，實(shí)際使用效果很好，配合可變電場(chǎng)和溫場(chǎng)的多功能電聲信號(hào)探測(cè)器，已取得許多新穎的試驗(yàn)結(jié)果，受到了國(guó)內(nèi)外的高度評(píng)價(jià)。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的特點(diǎn)和進(jìn)步作進(jìn)一步的闡述。
圖1是電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置的總結(jié)構(gòu)圖。
圖2是
圖1中的電子束掃描系統(tǒng)11的具體原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是
圖1中的信號(hào)切換系統(tǒng)5的具體原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是
圖1中增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)8的具體原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是
圖1中計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1．頻閃系統(tǒng)；2．方波發(fā)生器；3．被測(cè)試樣；4．脈沖信號(hào)提取系統(tǒng)；5．信號(hào)切換系統(tǒng)；6．計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；7．放大率調(diào)整器；8．增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)；9．鏡筒；10．雙屏顯示器；11．電子束掃描系統(tǒng)；12．放大器；13．顯示器驅(qū)動(dòng)電路；14．計(jì)算機(jī)總線。
112．地址；113．輸入數(shù)據(jù)；114．輸入輸出口地址詳編器；115．?dāng)?shù)據(jù)緩沖器；116．X路鎖存器；117．Y路鎖存器；118．參考電流；119．12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；1110．X通道；1111．Y通道。
52．接口芯片；53．光電隔離；54．電源；56．繼電器；57．電子束掃描發(fā)生器；58．?dāng)?shù)字掃描發(fā)生器；510．行掃描控制電壓；511．幀掃描控制電壓；512．掃描電鏡顯示器；14．計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)；61．電聲信號(hào)同相分量；62．電聲信號(hào)正交分量；63．電聲信號(hào)幅度分量；64．電聲信號(hào)相位分量；65．二次電子信號(hào)；66．模擬開(kāi)關(guān)；67．采樣保持電路；68．?dāng)?shù)模變換電路；81．輸入電聲信號(hào)；82．程控切換電路；83．增益電阻；84．放大器；85．放大電阻；86．輸出電聲信號(hào)；87．計(jì)算機(jī)程控信號(hào)。
圖3中，K為繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，K1～K6驅(qū)動(dòng)電路觸點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)與K相同的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)。
如
圖1所示，方波發(fā)生器2提供脈沖信號(hào)給脈沖信號(hào)提取系統(tǒng)4作為參考信號(hào)，同時(shí)提供頻閃系統(tǒng)1作為鏡筒9內(nèi)電子束的偏置激勵(lì)信號(hào)。試樣3作為被測(cè)對(duì)象，并配有溫場(chǎng)和電場(chǎng)可變的裝置(該裝置已另案申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)?0216648．8)。電子束掃描系統(tǒng)11提供顯示器驅(qū)動(dòng)電路13用作雙屏顯示器10的顯示，電子束掃描系統(tǒng)11產(chǎn)生的兩維信號(hào)經(jīng)放大率調(diào)整器7后作為鏡筒9電子束掃描驅(qū)動(dòng)。來(lái)自放大器12的各類信號(hào)由信號(hào)切換系統(tǒng)5在計(jì)算機(jī)總線14控制下送到增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)8作增益調(diào)整后送至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路6，數(shù)模轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)總線14采集。
如圖2所示，電子束掃描系統(tǒng)11是由兩路增益被固定的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路組成，具體地說(shuō)，它是通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖器115，輸入輸出口地址采編器114，將輸入數(shù)據(jù)和地址，經(jīng)X、Y兩路鎖存器，分別經(jīng)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路118、119，而轉(zhuǎn)變成X、Y兩通道，一方面提供顯示器驅(qū)動(dòng)電路13作為雙屏顯示器顯示；另一方面經(jīng)放大率調(diào)整器7后作為鏡筒9電子束掃描驅(qū)動(dòng)。
信號(hào)切換系統(tǒng)5將來(lái)自放大器12的各類信號(hào)，經(jīng)接口芯片52，光電隔離53，通過(guò)電子束掃描發(fā)生器57，數(shù)字掃描發(fā)生器58，及行掃描和幀掃描電壓控制，進(jìn)行切換后而與掃描電鏡顯示器連接而進(jìn)入計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)。
圖4所示的增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)，它是由高分辨率的程控放大電路和幅度敏感反饋控制的計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成。具體地說(shuō)它通過(guò)程控切換電路82、增益電阻83、放大器84和放大電阻85構(gòu)成，可將輸入電聲信號(hào)81增益為輸出電聲信號(hào)86，由計(jì)算機(jī)總線14采集。
計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是由模擬開(kāi)關(guān)66，采樣保持電路67以及數(shù)模變換電路68構(gòu)成，可將增益后的電聲信號(hào)同相分量、正交分量以及幅度分量數(shù)模轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)總線14采集。
權(quán)利要求1．電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，其特征在于(1)主要由電子束掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(11)、信號(hào)切換系統(tǒng)(5)、脈沖信號(hào)提取系統(tǒng)(4)、增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)(8)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(6)及相應(yīng)計(jì)算機(jī)控制軟件構(gòu)成；(2)方波發(fā)生器(2)提供脈沖信號(hào)給脈沖信號(hào)提取系統(tǒng)(4)作為參考信號(hào)，同時(shí)提供頻閃系統(tǒng)(1)作為鏡筒(9)內(nèi)電子束的偏置激勵(lì)信號(hào)；電子束掃描系統(tǒng)(11)提供顯示器驅(qū)動(dòng)電路(13)用作雙屏顯示器(10)的顯示；電子束掃描系統(tǒng)(11)產(chǎn)生的兩維信號(hào)經(jīng)放大率調(diào)整器(7)后作為鏡筒(9)電子束掃描驅(qū)動(dòng)；來(lái)自放大器(12)的各類信號(hào)由信號(hào)切換系統(tǒng)(5)在計(jì)算機(jī)總線(14)控制下送到增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)(8)作增益調(diào)整后送至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(6)，數(shù)模轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)總線(14)采集。
2．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，其特征在于所述的電子束掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(11)它是由兩路增益被固定的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路組成。
3．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，其特征在于所述的信號(hào)切換系統(tǒng)(5)經(jīng)接口芯片(52)、光電隔離(53)，通過(guò)電子束掃描發(fā)生器(57)、幀掃描發(fā)生器(58)，控制行掃描電壓和幀掃描電壓進(jìn)行切換。
4．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，其特征在于所述的增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)(8)由高分辨率的程控放大電路和幅度敏感反饋控制計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成。
5．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，其特征在于所述的增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)由程控切換電路(82)、增益電阻(83)、放大器(84)、放大電阻(85)構(gòu)成，可將輸入電聲信號(hào)(81)增益為輸出電聲信號(hào)(86)，由計(jì)算機(jī)總線(14)采集。
6．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)模轉(zhuǎn)換電路它由模擬開(kāi)關(guān)(66)采樣保持電路(67)以及數(shù)模變換電路(68)構(gòu)成，可將增益后的電聲信號(hào)同相分量、正交分量以及幅度分量數(shù)模轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)總線(14)采集。
7．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置，其特征在于不僅用于掃描電聲顯微鏡，而且可應(yīng)用于光聲成象、激光超聲探測(cè)以及其他顯微成象設(shè)備中。
專利摘要電聲脈沖信號(hào)采集和處理裝置,屬于材料評(píng)價(jià)與表征技術(shù)領(lǐng)域。它主要由電子束掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)11、信號(hào)切換系統(tǒng)5、脈沖信號(hào)提取系統(tǒng)4、增益自適應(yīng)系統(tǒng)8、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6以及相應(yīng)計(jì)算機(jī)控制軟件構(gòu)成。本實(shí)用新型不僅適用于電聲掃描顯微鏡,成為它的核心部件之一,而且可應(yīng)用于光聲成象、激光超聲探測(cè)。實(shí)際使用效果良好,配合可變電場(chǎng)和溫場(chǎng)的多功能電聲信號(hào)探測(cè)器,取得了許多新穎試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)陶瓷材料,金屬和半導(dǎo)體材料的制備和應(yīng)用提供了非常有價(jià)值的信息。
文檔編號(hào)H01J37/28GK2426212SQ0021776
公開(kāi)日2001年4月4日 申請(qǐng)日期2000年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者殷慶端, 楊陽(yáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所