基于CCD和光栅尺的布氏硬度测量装置

　　0 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。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。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，引入测量误差，而且不同人员之间的作误差也很大，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，即便能够处理，计算误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误差带来的影响。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。

　　1 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。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一起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。