本发明涉及一种基于显微照相矩阵的跨尺度全自动夹杂物快速分析仪器及方法。该分析仪器包括显微照相矩阵系统、高精密三维数控工作台、计算工作群以及控制和数据处理系统；待测样品为大尺寸金属构件，显微照相矩阵系统可上下移动地固定在高精密三维数控工作台的Z轴上，计算工作群通过控制和数据处理系统控制高精密三维数控工作台的位移，逐步移动待测样品的位置，使得显微照相矩阵系统遍历所有待测样品的待测表面，实现对待测样品的全尺度显微照相，进行夹杂物搜索、面积计算、定位、形貌分级放大以及统计分布分析。本发明将显微照相矩阵和高速运算相结合，样品扫描尺寸大、精度高、速度快，显著提高大尺度样品夹杂物分析效率。
1.一种基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：该分析仪器包括显微照相矩阵系统(1)、高精密三维数控工作台(2)、计算工作群以及控制和数据处理系统；待测样品(10)为大尺寸金属构件，其中：该高精密三维数控工作台(2)包括在水平X轴和Y轴方向精密移动用于固定待测样品(10)的水平样品台(8)和垂直于X轴Y轴平面的Z轴(9)；
所述显微照相矩阵系统(1)能够上下移动地固定在高精密三维数控工作台(2)的Z轴(9)上，位于水平样品台(8)上的待测样品(10)的上方；显微照相矩阵系统(1)包括多个阵列布置的显微照相单元；
每个显微照相单元均包括上下依次布置的显微相机(6)和大视场显微镜(7)；
所述计算工作群包括一台服务器(3)、网络交换器(4)和多台工作站(5)；所述服务器(3)与高精密三维数控工作台(2)连接，服务器(3)通过网络交换器(4)分别与多台工作站(5)连接，每台工作站(5)均与显微照相矩阵系统(1)中的多个显微照相单元连接；
计算工作群通过控制和数据处理系统控制高精密三维数控工作台(2)的工作，逐步移动待测样品(10)的位置，使得显微照相矩阵系统(1)遍历所有待测样品(10)的待测表面，并由工作站(5)完成所对应的显微照相单元采集图像的拼接，再由服务器(3)将各工作站(5)的拼接图像拼接成一张完整的待测样品(10)的金相图像，实现对待测样品(10)的全尺度显微照相，进行夹杂物搜索、面积计算、定位、形貌分级放大以及统计分布分析；
所述分析仪器能够对1000mm×500mm的大尺度金属构件进行夹杂物快速分析，分析时间小于1小时；
2.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：显微照相矩阵系统(1)遍历待测样品(10)的待测表面的过程中，显微照相矩阵系统(1)中的各显微照相单元所拍摄的待测样品(10)的待测表面的图像不重叠。
3.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：待测样品(10)固定在水平样品台(8)上，且待测样品(10)的待测表面平行于水平面。
4.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：所述显微照相矩阵系统(1)通过矩阵固定架能够上下移动地固接在高精密三维数控工作台(2)的Z轴(9)上，其中：每个显微照相单元的系统光轴垂直于待测样品(10)的待测表面。
5.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：所述高精密三维数控工作台(2)的位移精度为微米级。
6.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：显微照相单元的数量依据待测样品(10)的大小设定；工作站(5)的数量依据显微照相单元的数量设定。
7.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：所述计算工作群采用图形处理器GPU。
8.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：所述显微相机(6)采用CMOS传感器C接口CMOS相机，具备同轴照明光源。
9.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：1台工作站(5)与8个显微照相单元连接；48个所述显微照相单元阵列为12×4矩阵。
10.根据权利要求1所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，其特征在于：所述分析仪器能够检测的待测样品(10)的最大可分析尺寸长×宽为1000mm×500mm，最小可分析尺寸长×宽为2mm×2mm。
11.一种使用如权利要求1-10之一所述的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器的方法，其特征在于：该方法的待测样品(10)为大尺寸金属构件，包括如下步骤：
1)将待测样品(10)固定在能够在水平X轴和Y轴方向精密移动的高精密三维数控工作台(2)的水平样品台(8)上；
2)将显微照相矩阵系统(1)能够上下移动地固定在高精密三维数控工作台(2)的Z轴(9)上，显微照相矩阵系统(1)包括多个阵列布置的显微照相单元；
3)配置计算机工作群如下：一台服务器(3)与高精密三维数控工作台(2)连接，服务器(3)通过网络交换器(4)分别与多台工作站(5)连接，每台工作站(5)均与显微照相矩阵系统(1)中的多个显微照相单元连接；
4)计算工作群通过控制和数据处理系统控制高精密三维数控工作台(2)工作，逐步移动待测样品(10)的位置，使得显微照相矩阵系统(1)遍历所有待测样品(10)的待测表面，并由工作站(5)完成所对应的显微照相单元采集图像的拼接，再由服务器(3)将各工作站(5)的拼接图像拼接成一张完整的待测样品(10)的金相图像，实现对待测样品(10)的全尺度显微照相，进行夹杂物搜索、面积计算、定位、形貌分级放大以及统计分布分析；
该方法能够对1000mm×500mm的大尺度金属构件进行夹杂物快速分析，分析时间小于1小时。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：在步骤1)中，待测样品(10)的待测表面平行于水平面。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：在步骤4)中，显微照相矩阵系统(1)遍历待测样品(10)的待测表面的过程中，显微照相矩阵系统(1)中的各显微照相单元所拍摄的待测样品(10)的待测表面的图像不重叠。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：在步骤4)中，计算工作群中的服务器(3)发出开始拍照命令，控制高精密三维数控工作台(2)的水平样品台(8)移动到初始位置，各工作站(5)控制对应的显微相机单元拍照，采集图像，计算图像中夹杂物的位置、形态参数；
然后，服务器(3)再发出移动指令，高精密三维数控工作台(2)的水平样品台(8)移动到下一个位置，各工作站(5)控制对应的显微相机单元继续拍照，采集图像，计算图像中夹杂物的位置、形态参数；
服务器(3)再次发出移动指令，高精密三维数控工作台(2)的水平样品台(8)继续移动，直至显微照相矩阵系统(1)遍历所有待测样品(10)的待测表面；
待测样品(10)的待测表面的全部图像采集完毕后，各工作站(5)拼接对应的显微照相单元所采集的图像，拼接完毕后各工作站(5)上传图像至服务器(3)，同时将各个工作站(5)负责的不同扫描区域内的夹杂物位置、形态、大小等信息传送至服务器(3)，服务器(3)再将各工作站(5)的图像拼接成一张完整的大尺度金属构件金相图像；然后进行整体的数据处理、夹杂分析，得到具有全尺寸的夹杂物位置、形态、大小和统计分析的电子金相图像。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：该方法能够检测的待测样品(10)的最大可分析尺寸长×宽为1000mm×500mm，最小可分析尺寸长×宽为2mm×2mm。
基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器及方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料表面高通量显微表征技术领域，特别涉及一种基于显微照相矩阵的跨尺度全自动夹杂物快速分析仪器及方法。
背景技术
[0002] 重大工程关键核心部件通常为大尺度金属构件。大尺度金属构件夹杂物是航空、高铁等行业关键部件失效的重要因素。目前，国内外没有直接快速测量大尺度金属构件夹杂物的自动化检测手段。采用常规的光学显微镜金相方法只能检测10mm×10mm以内大小的金属构件表面夹杂物，需要把大尺度样品切割成适合普通金相分析大小的样品，加工费时费力、效率低且部分表面的参数可能因为切割处理失真。因此，普通金相显微技术只能处理小尺寸样品，无法得到跨尺度样品的夹杂物等金相信息。
发明内容
[0003] 针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于显微照相矩阵的跨尺度全自动夹杂物快速分析仪器及方法。
[0004] 为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
[0005] 本发明提供一种基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，该分析仪器包括显微照相矩阵系统1、高精密三维数控工作台2、计算工作群以及控制和数据处理系统；待测样品10为大尺寸金属构件，其中：
[0006] 该高精密三维数控工作台2包括在水平X轴和Y轴方向精密移动用于固定待测样品10的水平样品台8和垂直于X轴Y轴平面的Z轴9。
[0007] 所述显微照相矩阵系统1能够上下移动地固定在高精密三维数控工作台2的Z轴9上，位于水平样品台8上的待测样品10的上方；显微照相矩阵系统1包括多个阵列布置的显微照相单元。
[0008] 所述计算工作群包括一台服务器3、网络交换器4和多台工作站5；所述服务器3与高精密三维数控工作台2连接，服务器3通过网络交换器4分别与多台工作站5连接，每台工作站5均与显微照相矩阵系统1中的多个显微照相单元连接。
[0009] 计算工作群通过控制和数据处理系统控制高精密三维数控工作台2的工作，逐步移动待测样品10的位置，使得显微照相矩阵系统1遍历所有待测样品10的待测表面，并由工作站5完成所对应的显微照相单元采集图像的拼接，再由服务器3将各工作站5的拼接图像拼接成一张完整的待测样品10的金相图像，实现对待测样品10的全尺度显微照相，进行夹杂物搜索、面积计算、定位、形貌分级放大以及统计分布分析。
[0010] 该分析仪器对样品的分析尺度为从毫米级至米级。
[0011] 显微照相矩阵系统1遍历待测样品10的待测表面的过程中，显微照相矩阵系统1中的各显微照相单元所拍摄的待测样品10的待测表面的图像不重叠。
[0012] 待测样品10固定在水平样品台8上，且待测样品10的待测表面平行于水平面。
[0013] 所述显微照相矩阵系统1通过矩阵固定架能够上下移动地固接在高精密三维数控工作台2的Z轴9上，其中：每个显微照相单元的系统光轴垂直于待测样品10的待测表面，每个显微照相单元均包括上下依次布置的显微相机6和大视场显微镜7。
[0014] 所述高精密三维数控工作台2的位移精度为微米级。
[0015] 显微照相单元的数量依据待测样品10的大小设定；工作站5的数量依据显微照相单元的数量设定。
[0016] 所述计算工作群采用图形处理器GPU。
[0017] 所述显微相机6采用CMOS传感器C接口CMOS相机，具备同轴照明光源。
[0018] 1台工作站5与8个显微照相单元连接；48个所述显微照相单元阵列为12×4矩阵。
[0019] 所述分析仪器能够检测的待测样品10的最大可分析尺寸长×宽为1000mm×500mm，最小可分析尺寸长×宽为2mm×2mm。
[0020] 所述分析仪器能够对1000mm×500mm的大尺度金属构件进行夹杂物快速分析，分析时间小于1小时。
[0021] 所述分析仪器的夹杂物识别精度为1微米。
[0022] 本发明提供一种使用基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器的方法，该方法的待测样品10为大尺寸金属构件，包括如下步骤：
[0023] 1)将待测样品10固定在能够在水平X轴和Y轴方向精密移动的高精密三维数控工作台2的水平样品台8上；
[0024] 2)将显微照相矩阵系统1能够上下移动地固定在高精密三维数控工作台2的Z轴9上，显微照相矩阵系统1包括多个阵列布置的显微照相单元；
[0025] 3)配置计算机工作群如下：一台服务器3与高精密三维数控工作台2连接，服务器3通过网络交换器4分别与多台工作站5连接，每台工作站5均与显微照相矩阵系统1中的多个显微照相单元连接；
[0026] 4)计算工作群通过控制和数据处理系统控制高精密三维数控工作台2工作，逐步移动待测样品10的位置，使得显微照相矩阵系统1遍历所有待测样品10的待测表面，并由工作站5完成所对应的显微照相单元采集图像的拼接，再由服务器3将各工作站5的拼接图像拼接成一张完整的待测样品10的金相图像，实现对待测样品10的全尺度显微照相，进行夹杂物搜索、面积计算、定位、形貌分级放大以及统计分布分析；
[0027] 该分析方法的对样品的分析尺度为从毫米级至米级。
[0028] 在步骤1)中，待测样品10的待测表面平行于水平面。
[0029] 在步骤4)中，显微照相矩阵系统1遍历待测样品10的待测表面的过程中，显微照相矩阵系统1中的各显微照相单元所拍摄的待测样品10的待测表面的图像不重叠。
[0030] 在步骤4)中，计算工作群中的服务器3发出开始拍照命令，控制高精密三维数控工作台2的水平样品台8移动到初始位置，各工作站5控制对应的显微相机单元拍照，采集图像，计算图像中夹杂物的位置、形态参数；
[0031] 然后，服务器3再发出移动指令，高精密三维数控工作台2的水平样品台8移动到下一个位置，各工作站5控制对应的显微相机单元继续拍照，采集图像，计算图像中夹杂物的位置、形态参数；
[0032] 服务器3再次发出移动指令，高精密三维数控工作台2的水平样品台8继续移动，直至显微照相矩阵系统1遍历所有待测样品10的待测表面；
[0033] 待测样品10的待测表面的全部图像采集完毕后，各工作站5拼接对应的显微照相单元所采集的图像，拼接完毕后各工作站5上传图像至服务器3，同时将各个工作站5负责的不同扫描区域内的夹杂物位置、形态、大小等信息传送至服务器3，服务器3再将各工作站5的图像拼接成一张完整的大尺度金属构件金相图像；然后进行整体的数据处理、夹杂分析，得到具有全尺寸的夹杂物位置、形态、大小和统计分析的电子金相图像。
[0034] 该方法能够检测的待测样品10的最大可分析尺寸长×宽为1000mm×500mm，最小可分析尺寸长×宽为2mm×2mm。
[0035] 该方法能够对1000mm×500mm的大尺度金属构件进行夹杂物快速分析，分析时间小于1小时。
[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0037] 本发明通过显微相机矩阵、高精密数控工作台与高速计算相结合，实现对1000mm×500mm大尺度金属构件样品表面全自动进行夹杂物快速分析，样品扫描尺寸大、精度高(最小可分析1微米尺寸夹杂物。夹杂物识别精度为1微米)、速度快(最大样品分析时间小于1小时)等优点，显著提高大尺度样品夹杂物分析效率。
[0038] 与传统金相分析技术手段相比，本发明大大提高了分析样品的尺寸，提高了分析效率，实现了大尺度金属构件表面夹杂分布分析的自动化表征功能，且人工干预减少，避免了分析过程中切割引起的部分表征缺失问题，提高了分析的准确度，全面、快速的分析且准确定位；与现有分析技术相比：通过组建计算控制局域网(由一台服务器和多台工作站)，每台工作站最多可与8个显微照相单元相连，6台工作站最大可实现最多对48个显微照相单元组成的矩阵进行控制；服务器与高精密数控工作台连接，并通过网络交换器与工作站连接，实现对样品的全尺度显微照相，最大可以扫描1000mm(长)×500mm(宽)样品，快速进行夹杂物搜索、面积计算、定位、形貌分级放大以及统计分布分析；有利于快速判断夹杂物分布情况，特别是大尺度金属构件机械加工与检测一体化的应用场合。
附图说明
[0039] 图1为本发明的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析系统的结构示意图；
[0040] 图2为显微照相单元的结构示意图。
[0041] 其中的附图标记为：
[0042] 1 显微照相矩阵系统
[0043] 2 高精密三维数控工作台
[0044] 3 服务器
[0045] 4 网络交换器
[0046] 5 工作站
[0047] 6 显微相机
[0048] 7 大视场显微镜
[0049] 8 水平样品台
[0050] 9 Z轴
[0051] 10 待测样品
具体实施方式
[0052] 下面结合附图和一个实施例对本发明进行进一步说明。
[0053] 如图1所示，本发明的基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器，包括：显微照相矩阵系统1、高精密三维数控工作台2、计算工作群以及控制和数据处理系统。
[0054] 通过PLC精密控制和丝杠传动的所述高精密三维数控工作台2包括在水平X轴和Y轴方向精密移动用于固定待测样品10的水平样品台8和垂直于X轴Y轴平面的的Z轴9。所述高精密三维数控工作台2的位移精度为微米级。
[0055] 待测样品10固定在水平样品台8上，且待测样品的待测表面平行于水平面。所述待测样品10为大尺寸金属构件，分析仪器能够检测的待测样品10的最大可分析尺寸长×宽为1000mm×500mm，最小可分析尺寸长×宽为2mm×2mm。
[0056] 所述显微照相矩阵系统1通过矩阵固定架可上下移动地固接在Z轴9上，位于水平样品台8上的待测样品10的正上方。显微照相矩阵系统1包括多个阵列布置的显微照相单元，每个显微照相单元的系统光轴垂直于待测样品10的待测表面。其中，如图2所示，每个显微照相单元均包括上下依次布置的显微相机6和大视场显微镜7。
[0057] 所述显微相机6采用CMOS传感器C接口CMOS相机，具备同轴照明光源。
[0058] 所述计算工作群包括服务器3、网络交换器4和多台工作站5。所述服务器3与高精密三维数控工作台2连接，服务器3通过网络交换器4分别与多台工作站5连接，每台工作站5均与显微照相矩阵系统1中的多个显微照相单元连接。计算工作群通过控制和数据处理系统控制高精密三维数控工作台2工作(或位移)，控制和监控显微照相矩阵系统1的显微照相单元，其中包括对显微相机6的开启、关闭、连接状况、参数设置、实时图像显示、校准、异常状态监测及控制，实现对待测样品的全尺度显微照相，进行夹杂物搜索、面积计算、定位、形貌分级放大以及统计分布分析。
[0059] 所述计算工作群采用图形处理器GPU。
[0060] 优选地，1台工作站5与8个显微照相单元连接。可依据显微照相单元的数量调整工作站5的数量。48个所述显微照相单元阵列为12×4矩阵。可依据待测样品10的大小调整显微照相单元的数量。
[0061] 所述基于显微照相矩阵的跨尺度全自动夹杂物快速分析仪器能够对1000mm×500mm的大尺度金属构件样品进行夹杂物快速分析，分析时间小于1小时。
[0062] 本发明的工作过程如下：
[0063] 待测样品10固定在高精密数控工作台2的水平样品台8上，且待测样品10的待测表面平行于水平面。
[0064] 服务器3通过控制和数据处理系统发出校准命令，依次通过工作站5对其连接的显微照相单元进行角度、位置坐标校准；工作站5开始自测程序，检测分析仪器状态，通过高精密数控工作台2的Z轴9调整大视场显微镜7焦距到最佳位置。
[0065] 服务器3发出开始拍照命令，控制高精密三维数控工作台2的水平样品台8移动到初始位置，各工作站5控制对应的显微相机单元拍照，记录图像，计算图像中夹杂物的位置、形态等参数；
[0066] 然后，服务器3再发出移动指令，高精密三维数控工作台2的水平样品台8移动到下一个位置，各工作站5控制对应的显微相机单元继续拍照，采集图像，计算图像中夹杂物的位置、形态参数；
[0067] 服务器3再次发出移动指令，高精密三维数控工作台2的水平样品台8继续移动，直至显微照相矩阵系统1遍历所有待测样品10的待测表面；
[0068] 待测样品10的待测表面的全部图像采集完毕，各工作站5开始拼接对应的显微照相单元所采集的图像，拼接完毕后各工作站5上传图像至服务器3，同时将各工作站5负责的不同扫描区域内的夹杂物位置、形态、大小等信息传送至服务器3，服务器3再将各工作站5的图像拼接成一张完整的大尺度金属构件金相图像；然后进行整体的数据处理、夹杂分析。
[0069] 以上所述为本发明的具体实施例，但不能据此理解为本发明仅限于此，对于熟悉本领域的技术人员来说，在不背离本发明精神和实质的情况下所做出的改变和变形均属于本发明权利要求保护的范围。
