基于数字图像处理的布氏硬度压痕直径测量方法

    1　方法及原理

    布式硬度试验法通过布氏硬度计,以一定试验力将合金钢球形压头压在试样上并保持一定时间,然后去掉试验力,测得试样上的圆形压痕直径,可计算出布氏硬度值。布氏硬度的定义和计算方法如公式(1)所示,其原理如图1所示。

式中: HB为布氏硬度值, N/mm²;P为试验负荷, N;D为钢球直径, mm;d为压痕直径, mm;h为压痕高度, mm。

    根据图1所采用的测量压痕直径的方法计算材料的布氏硬度,由于试验载荷力和钢球直径已知,布氏硬度值的计算主要取决于压痕直径的测量。传统布氏硬度试验压 痕直径测量方法是肉眼读数,不仅容易引起视觉疲劳,造成测量误差,而且存在人为误差且效率低。采用基于图像处理的方法,利用工业CCD相机获取压痕图像并 自动测量压痕,实现对压痕直径的精确测量,可以实现非接触、智能化、自动化测量,而且测量结果不受人为因素影响。

    2　系统组成

    对于硬度压痕,通过Z向测量来自动识别焦面(物面)位置,直接用视觉检测和图像处理技术来实现测量。得到压痕图像后,经过图像处理获取整个压痕圆的边缘 线,然后根据最小二乘法拟合压痕圆直径。图2为压痕图像测量系统框图;图3左边是压痕测量系统示意图,右图为压痕测量系统实物。

    3　图像分析和处理

    由于压痕非常小,测量精度要求精确到微米级,因此必须经过光学镜头过行光学放大,再投影到CCD靶面上; CCD图像采集系统采集压痕图像后,通过图像处理方法对得到的图像进行处理,剔除无关部分和噪声点,并对图像进行阈值化,检测边缘,对边缘数据进行最小二 乘拟合得到较为精确的直径数据。图像处理流程如图4所示[1-3]。

    图5为图像处理过程[3, 4]。在获取压痕图像以后,第一步对图像预处理,读取原始图像(如图5 (a)),对图像进行裁剪(选择感兴趣区域) (图5 (b)),背景检测,去黑色背景光斑,预处理后进行阈值化(如图5 (c) ~ (e));第二步图像边缘检测,用canny算子对图像进行边缘提取,提取的边缘如图5 (f)所示,将边缘合成到原始图像如图5 (g);第三步图像边缘拟合,设提取的被测压痕的边缘为(x_i, y_i) (i=1,2,…, n),则压痕的半径R和中心(a, b)的计算公式为(2)至(4),最后作出结果图,画出圆心坐标以及拟合圆半径R(直径D=2R),并显示最后的结果,拟合的边缘如图5 (h)所示。

    4　软件设计和试验研究

    4 ·1　软件设计

    测量系统的图像处理软件采用VB和MATLAB混合编程。MicrosftVisualBasic在编程可视化、开发友好界面方面,显得十分方便,而 MATLAB提供很多数学库可以实现科学技术计算。充分利用MATLAB强大的运算及显示功能和VB开发界面友好的特点,将二者有机结合,可以开发出复杂 的、界面友好的人机交互处理软件。同时,能大大加快软件开发的进度,缩短源代码,提高代码质量及软件的稳定性。这种混合编程实现了VB的可视化界面与 MATLAB强大的数值分析能力的结合[1, 5]。测量软件如图6所示。