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基于CCD和光栅尺的布氏硬度测量装置研究

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-28        点击量:801

将CCD和光栅尺同时应用于布氏硬度压痕测量,试验证明:系统测量结果基本不受CCD对焦及照明光强变化的影响;测量准确度容易保证,重复性好,自动化程度及效率比较高,同时大大缓解了布氏硬度测量中的视觉疲劳。

基于CCD和光栅尺的布氏硬度测量装置研究

引言

测量布氏硬度由于使用较大的试验力和压头球径,所以,其测试需求量较大,几乎所有的金色制品(飞机起落架、支架、大梁、横梁、尾翼,火箭、舰船发动机,装甲车板、履带、齿轮等原材料及半成品、成品件等)都要进行布氏硬度检测。计量器具广泛应用于生产.科研.领域和人民生活等各方面。每年仅用于量值传递的标准块检测量就达上万块。布氏硬度检测主要应用的测试设备为布氏硬度计,其压痕的测量使用布氏硬度压痕测量系统。

目前我国布氏硬度计的压痕测量系统大多采用传统的工具显微镜和读数显微镜手动操作控制控制。计量人员在显微镜下长时间测量布氏硬度压痕的边缘,很容易造成视觉疲劳,引入测量偏差,而且不同人员之间的作偏差也很大,影响了布氏硬度计量标准传递的准确可靠。采用信号处理方式方法实现压痕的自动处理及计算,不仅将大大提高测量系统的准确度,而且将大幅提升自动化程度,提高效率。

布氏硬度压痕直径跨度范围大、压痕深度浅,因而压痕图像的对比度差,图像质量受光源照明、CCD摄像头的景深和对焦程度影响很大。以往的经验表明:很多时候,肉眼虽可分辨压痕边缘的图像,却无法采用图像处理技术进一步处理,即便可以处理,计算偏差也大多超出预期要求。为解决上述问题,布氏硬度计压痕自动测量系统将压痕图像连同显微镜物镜上的测量线一并实时采集并显示到计算机屏幕上进行观测。压痕的大小由光栅尺的读数得到,而不是通过对CCD图像的处理计算获得,避免以往相关试验中CCD光源强度及聚焦的差异对压痕测量偏差带来的影响。人工完成图像的对焦后,移动工作平台导轨,测量线相对压痕图像移动,由人工识别压痕图像的边缘;压痕的直径、硬度值、均匀度等参数指标依靠采集并处理光栅尺的信号自动获得。试验证明,这种测量方式方法基本不受CCD对焦及照明强度变化等的影响,测量准确度容易保证,重复性好,而且自动化程度也很高。


系统结构组成

硬件结构主要包括:测量显微镜;CCD;精密移动导轨;x,y向光栅读数头;光栅尺及计数器卡。仪器检测用的砝码、质量测量仪器:标准砝码、专用砝码。其工作结构流程框图如图1所示。

显微镜为本系统的主机体,被测压痕放置在精密移动导轨平台上。通过导轨的移动将压痕位于显微镜目镜下方或CCD摄像头视野中心。显微镜目镜和CCD摄像头可切换使用。光栅尺贴合固定在显微镜测量平台机架上,X,Y向光栅读数头分别安装在精密移动导轨上。CCD安装于显微镜目镜之上,将其压痕图像和刻画于显微镜物镜上的测量十字线共同实时采集到计算机屏幕上,随着导轨的移动,测量十字线与压痕边缘的水平相对距离及光栅尺信号发生变化,当目测计算机屏幕中CCD采集图像的十字线与压痕边缘相切时,记录光栅信号,通过信号处理系统自动计算得到压痕直径、硬度值、均匀度等指标参数,并能自动实现相关报表的生成与打印。


测量结果

测量处理App使用Labview进行编制,包括CCD图像的采集、测量数据的采集及运算、原始测量记录的查询与修改、报表及标签的自动生成与打印。程序主界面如图2。

1.光源照明强度对测量结果的影响

CCD对目标与背景的衬比即背景光的亮度有一定的要求,光强太强或太弱直接影响到CCD输出模拟信号峰值电压,计算机采集到的目标图像大小随之发生变化,由此会对测量结果产生显著影响,因此单纯的CCD测量系统中,必须通过调节外部光照强度或调整CCD感光时间的方法使输出模拟电压的峰值保持在一定范围之内。使用本测量装置测量过程中,当外部照明光源光强发生变化时,计算机采集到的CCD图像大小虽然也发生了变化,但布氏压痕的实际大小并不是靠CCD像素计算得到,而是由安装在工作平台上的光栅尺测量获得,所以光强变化对布氏硬度压痕测量结果不会带来影响。

试验中,通过调节外部照明光源的不同档位(1档光照最弱,6档光照最强),分别对硬度块的同一点进行测量。表1和图3分别为编号B1111-1059硬度块在不同光照强度下的测量硬度值和测量图像(限于篇幅,本文只给出一硬度块的测量结果)。

由以上测量结果,在照明光强最弱和最强的两种极端情况下,两者的测量差值在0.3%左右,在JJG150-2005《布氏硬度计》检定规程要求的压痕测量装置允许偏差±0.5%范围之内;以上6次测量结果的差异,很大程度上由人员测量偏差造成。重庆计量校准开展全市计量器具新产品的定型鉴定、型式评价及全性能试验,计量器具的司法鉴定、仲裁检验、科技成果鉴定工作;实际上,在光照强度很弱的情况下,较容易引起视觉疲劳,实际测量中通常将光照强度调节为最强。

2.测量结果的比对

使用本测量系统对不同的试验块进行了测量,并以中航工业长城计量测试技术研究所的布氏硬度测量标准装置测量的硬度值为标准值,两者的部分比对结果如表2所示,两者的相对偏差均在规程规定的范围之内。


结论

基于CCD和光栅尺的布氏硬度测量装置首次将CCD图像采集和光栅尺测量技术相结合,一方面将CCD图像放大采集到计算机屏幕上,测量数据、报表、标签等由计算机进行处理完成,缓解了以往光学显微镜测量中的视觉疲劳和手工数据计算与处理,大大提高了效率;另一方面,布氏硬度压痕直径由光栅尺测量获得,而不是靠CCD像素数据计算得到,从而有效避免了CCD图像自动测量过程中,照明光强的变化对测量准确度所带来的影响,而且对CCD对焦准确度的要求不高。事实证明,该系统有较好的实际应用推广价值。


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