布氏硬度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种布氏硬度测量系统及方法，包括光学扫描单元、图像处理单元、数据处理单元与结果显示单元；光学扫描单元包括光刀投影模块、显微成像模块与图像采集模块，光刀投影模块生成标准线光源；显微成像模块用于对扫描压痕的光刀图像信号实时采集；图像采集模块用于把实时采集的图像信号转化成计算机能够处理的数字图像；图像处理单元用于处理数字图像数据得到压痕的深度及直径；数据处理单元用于对图像处理单元得到的压痕的深度及直径的数据进行验证。本发明专利技术克服了现有测量方法易引入人为误差、工作效率低等问题，本发明专利技术采用布氏硬度测量结果准确、操作简便、工作效率高、人为误差小、可靠性高。

Brinell hardness measurement system and method

The invention relates to a Brinell hardness measurement system and method, including the optical scanning unit and image processing unit, data processing unit and the display unit; the optical scanning unit includes a light module, microscopic imaging module and image acquisition module, the light module into a standard linear light source; microscopic imaging module for the real-time image signal collected by the scanning indentation; image acquisition module for digital image real-time signal acquisition system into the computer can process; the image processing unit for processing the digital image data to obtain the depth and diameter of indentation; data processing unit for indentation of the image processing unit of the depth and diameter of the data validation. The invention overcomes the problems that the existing measuring method is easy to introduce human error and low work efficiency. The Brinell hardness measurement result is accurate, simple and convenient, high efficiency, small human error and high reliability.

【技术实现步骤摘要】
布氏硬度测量系统及方法
本专利技术涉及一种布氏硬度测量系统及方法，尤其涉及一种利用非接触式的光学三维轮廓扫描技术实现对压痕的非接触式扫描，实时测试压痕直径和深度，从而得到布氏硬度的系统及方法。
技术介绍
布氏硬度的试验原理是用一定大小的试验力F(N)(力的单位通常为kgf)，把直径为D(mm)的硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，测量出压痕平均直径d(mm)，根据压痕平均直径d(mm)计算出所需的深度h(mm)，然后按公式(1)计算出布氏硬度HB值；或者根据压痕平均直径d(mm)从布氏硬度表中查出布氏硬度HB值。布氏硬度值HB是试验力除以球形压痕表面积所得的商再乘以0.102即：式中：F-试验力，N；S-压痕面积，mm2；h-压痕深度，mm。在实际试验时，由于压痕深度h测量比较困难，而测量压痕直径d比较方便，因此将上式中的h换算成d的关系。如图1为压痕直径d与深度h的关系图，从图中直角三角形OAB可以看出：将(2)式带入(1)式得：式(3)中只有d是变量，试验时只要测量出压痕直径d，可通过计算或查布氏硬度数值表即可得出布氏硬度HB值。由此可见，布氏硬度压痕的测量是以长度测量间接得到布氏硬度数值。目前较常见的测量方法有以下几种：工具显微镜法：此方法测量压痕非常准确，但测量设备庞大，操作复杂，测量压痕直径值后查表才可得出布氏硬度值，材料的表面质量对压痕直径的选择会产生一定的人为误差，工作效率低，无法实现现场、高速、高效测量。读数显微镜法：此方法测量设备简单，操作便捷，但测量结果会受到被测材料表面质量、现场光源、测试者个人选择直径及个人视角等因素影响，同样也不能直接得出布氏硬度值(需查表求得)，无法实现准确、高速测量。早期数码成像测量方法：可直接读出压痕测量的布氏硬度值，但同样受到被测材料表面质量差异，光源条件、压痕直径选取、成像速度慢，设备体积大等条件限制，无法完全实现准确、高效、高速测量。
技术实现思路
为了克服上述测量方法易引入人为误差、工作效率低、可靠性低等问题，本专利技术提供一种布氏硬度测量系统及采用该系统测量布氏硬度压痕的方法，采用布氏硬度测量系统测量布氏硬度压痕的方法测量结果准确、操作简便、工作效率高、人为误差小、可靠性高。本专利技术的技术方案是提供一种布氏硬度测量系统，其特殊之处在于：包括光学扫描单元、图像处理单元、数据处理单元与结果显示单元；上述光学扫描单元包括光刀投影模块、显微成像模块与图像采集模块，上述光刀投影模块生成标准线光源用于扫描压痕；上述显微成像模块主要用于对扫描压痕的光刀图像信号实时采集；上述图像采集模块主要用于把实时采集的图像信号转化成计算机能够处理的数字图像；上述图像处理单元用于处理数字图像数据得到压痕的深度及直径；上述数据处理单元用于对图像处理单元得到的压痕的深度及直径的数据进行验证；上述结果显示单元用于显示硬度值，同时显示压痕的深度及直径数据。本专利技术还提供一种基于上述布氏硬度测量系统测试布氏硬度的方法，包括以下步骤：一、参数设置设定压痕参数及光刀(标准线光源)参数，所述压痕参数包括压头直径及试验力值；二、压痕瞄准将压痕平面放置于光学扫描单元中光刀投影模块的光刀扫描测量区域；三、光刀扫描成像，重建三维形貌1)启动光学扫描单元中的光刀投影模块，光刀投影模块生成的标准线光源扫描压痕，调整光刀投影模块，确保光刀投影模块的扫描光刀投影即标准线光源能够扫描过压痕；2)启动显微成像模块，显微成像模块实时采集光刀投影模块扫描压痕的整个扫描过程中的压痕扫描图像信号；3)图像采集模块把实时采集的带有压痕表面信息的线光源构成的压痕扫描图像信号转化成数字图像；4)图像处理单元结合光刀参数与压痕的数字图像，重建压痕三维形貌；四、根据压痕深度得到布氏硬度值1)图像处理单元根据压痕三维形貌计算压痕的深度及压痕直径；2)数据处理单元将压痕深度及直径测量值转化为布氏硬度值并通过结果显示单元显示。优选地，上述步骤三中4)具体为：图像处理单元将压痕的数字图像与标准线光源比较，采用光学三角测量原理实现压痕表面信息的计算；根据计算结果，结合计算机图形学完成压痕表面形貌的重建。标准线光源照射压痕时，标准线光源由于扫描压痕表面而发生与标准形态有差别的变化，此时，变化后的线光源带有了压痕的表面信息，而显微成像系统采集的是变化之后带有压痕表面信息的线光源；将标准线光源与变化后的线光源进行对比，采用光学三角测量原理即可实现压痕表面信息的计算；根据计算结果，结合计算机图形学生成点云数据，完成压痕表面形貌的重建；在重建三维图形的基础上采用计算机处理办法，计算压痕直径，深度；优选地，为了提高测量准确度，该方法还包括数据验证过程，具体为：数据处理单元结合压头直径及试验力值，对图像处理单元得到的压痕的深度及直径的数据进行验证。优选地，为了更进一步的保证测量结果的准确性，该方法图像处理单元根据压痕三维形貌可以多次计算压痕的深度及直径后取平均值。压痕深度和直径是在压痕通过光学扫描方法建立的三维形貌基础上进行测量得到的，只要能顺利的建立起压痕的三维形貌即可完成压痕的深度和直径测量。可以多次建立压痕三维形貌获取每一次建立的形貌压痕深度和直径，(使得压痕平面旋转一个角度再次进行建立压痕三维形貌获取每一次建立的形貌压痕深度和直径，旋转多个角度即可得到压痕的多次三维形貌获，得到多次压痕深度和直径)每次得到的压痕深度和直径都需要进行相互验证，验证通过公式(2)进行，剔除由于误操作引入的异常值，对有效值求平均值，再通过平均值的方式实现高精度结果。本专利技术的压痕三维形貌重建原理：压痕三维形貌重建应用了较为新兴的技术即三维轮廓测量技术。该技术的基本原理是通过光学三角法的原理，结合光刀投影、显微成像和数字图像处理算法实现微小三维轮廓的重建。本专利技术光刀扫描测量原理如图3所示：投影仪(标准线光源投影系统1)生成一束投影光刀(标准线光源)，并投射至被测物体表面，由于被测物体的高度变化，结构光会从到变化，通过显微光学系统2的显微成像镜头在摄像机焦平面3上的成像也会从移动到，通过图像处理算法实现像面图像特征的识别，从而实现被测物体高度的重建，配合被测物体的运动扫描，即可获得整个被测物体的三维形貌重建，其高度△的重建如式公式4所示。式中d0为摄像机光学中心至参考平面M之间的距离；d1为摄像机光学中心至标准线光源中心之间的距离；δ为标准线光源经物体表面反射后的成像大小；θ为摄像机光轴与线光源光轴之间夹角；Δ为物体高度即就是压痕深度；实现压痕的三维重建，可以在重建环境下，采用计算机辅助手段(CAD技术)实现测量，完成对压痕的直径、深度测量。本专利技术的有益效果是：1、通过非接触式的光学三维轮廓测量技术实现对压痕的非接触式扫描，而且能实时的对压痕直径、深度完成测试，避免对压痕的多次测量，提高测量效率；2、可以通过实时更换显微成像模块中的显微光学系统提高重建精度及测量灵敏度，从而提高测量精度；3、能更加确切和明了的反应压痕特点，尤其是深度和口径(直径)信息；4、将深度和直径两者相互验证(两者可以通过硬制合金球的直径相互可以推导)，保证测量结果的准确性；如有异常因素影响，三维面型得到的深度和直径两者不能相互验证，可以自动剔除无效测量；5、完全解放了人力投入，压痕本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种布氏硬度测量系统，其特征在于：包括光学扫描单元、图像处理单元、数据处理单元与结果显示单元；所述光学扫描单元包括光刀投影模块、显微成像模块与图像采集模块，所述光刀投影模块生成标准线光源用于扫描压痕；所述显微成像模块主要用于对扫描压痕的光刀图像信号实时采集；所述图像采集模块主要用于把实时采集的图像信号转化成计算机能够处理的数字图像；所述图像处理单元用于处理数字图像数据得到压痕的深度及直径；所述数据处理单元用于对图像处理单元得到的压痕的深度及直径的数据进行验证，并用于根据压痕的深度及直径计算布氏硬度值；所述结果显示单元用于显示布氏硬度值，同时显示压痕的深度及直径数据。

【技术特征摘要】
1.一种布氏硬度测量系统，其特征在于：包括光学扫描单元、图像处理单元、数据处理单元与结果显示单元；所述光学扫描单元包括光刀投影模块、显微成像模块与图像采集模块，所述光刀投影模块生成标准线光源用于扫描压痕；所述显微成像模块主要用于对扫描压痕的光刀图像信号实时采集；所述图像采集模块主要用于把实时采集的图像信号转化成计算机能够处理的数字图像；所述图像处理单元用于处理数字图像数据得到压痕的深度及直径；所述数据处理单元用于对图像处理单元得到的压痕的深度及直径的数据进行验证，并用于根据压痕的深度及直径计算布氏硬度值；所述结果显示单元用于显示布氏硬度值，同时显示压痕的深度及直径数据。2.一种基于权利要求1所述的布氏硬度测量系统测试布氏硬度的方法，其特征在于：包括以下步骤：一、参数设置设定压痕参数及光刀参数，所述压痕参数包括压头直径及试验力值；二、压痕瞄准将压痕平面放置于光学扫描单元中光刀投影模块的光刀扫描测量区域；三、光刀扫描成像，重建三维形貌1)启动光学扫描单元中的光刀投影模块，光刀投影模块生成的标准线光源扫描压痕，调整光刀投影模块，确保光刀投影模块的扫描光刀投...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑显锋，郑颖，
申请(专利权)人：郑显锋，郑颖，
类型：发明
国别省市：陕西,61