CN100575925C - 测量非金属掺杂物的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种非金属掺杂物测量装置，包括：在其上放置着断裂表面(h)朝上的样品(S)的工作台(T)；照明装置(7)，其从多个方向用光(L)照射断裂表面(h)；用来检测断裂表面(h)的图像的图像检测装置；用来将所检测图像处理成连续色调图像的连续色调图像处理装置；和用来通过连续色调图像处理结果与阈值之间的比较将连续色调图像二进制化的二进制化装置。由于从多个方向照射断裂表面(h)，通过检测断裂表面(h)的图像所获得的图像没有由断裂表面(h)上的微小不规则性导致的阴影或光学不规则性。因而，所述图像经过连续色调图像处理和二进制化后，样品(S)中的非金属掺杂物就能被从断裂表面(h)中精确地检测到。

Description

测量非金属掺杂物的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种测量非金属掺杂物的方法和装置，尤其涉及一种例如在铸造车间可以容易地实时测量非金属掺杂物的方法和装置。
背景技术
铝合金含有非金属掺杂物、不必要的金属元素、特殊金属元素的熔析组织等杂质。例如，非金属掺杂物存在于铝合金铸件开始发生裂纹使强度和延长性降低的地方。因而，在铸造工序以前，对熔化铝实施排渣工序或通过用熔剂来除去非金属掺杂物的标准工序。
通常，在观测铝等金属的金属组织时，它的样品被镜面抛光并经受过腐蚀处理，然后用光学显微镜等设备观测。根据这种观测方法，由于样品被镜面抛光，观测表面没有阶梯。然而，采用使样品受到镜面抛光和腐蚀处理的观测方法要求预先进行繁杂的准备工作，并且应当在浇铸工序中浇铸的例如铝等金属的金属组织不能容易和迅速地进行观测。
为了解决这些问题，已经采用一种所谓的K型浇铸方法作为在铸造车间简单、初步地从熔化铝中除去非金属掺杂物和测量熔化金属中非金属掺杂物的残余量的方法。根据所述的K型浇铸方法，一部分熔化铝被提炼和浇铸在具有较小高度的长方体腔体的铸模中。所获得的由板状长方体铸件构成的样品沿着其横向方向被折断。用肉眼或光学显微镜观测所获得的断裂表面来测量非金属掺杂物总数(例如，参见专利文献1)。
专利文献1：日本实用新型公开第52-17449号(第1、2页，图1、2)。
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，采用K型浇铸方法，由于样品的断裂表面不规则，当用光直接照亮时，出现阴影或者光学不规则性，非金属掺杂物的测量容易变得不稳定。此外，因为操作者用肉眼测量，由于个体差异造成的变化，容易缺乏可靠性。
上述问题不仅在非金属掺杂物的测量中而且在例如不必要的金属元素、特殊金属元素的熔析组织等杂质的测量中普遍出现。
解决问题的手段
本发明被做出以解决上述问题，其目的在于使得能够从断裂表面精确地检测样品中的杂质。
为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种非金属掺杂物测量方法，其特征在于包括步骤：以断裂表面朝上的方式在工作台上布置具有断裂表面的样品，从工作台上方的多个方向用光照射断裂表面，检测用光照射的断裂表面的图像，将所检测的图像处理成连续色调(continous tone color)图像，通过将连续色调图像处理结果与阈值之间比较来将连续色调图像二进制化。
根据本发明，还提供了一种非金属掺杂物测量装置，其特征在于包括：工作台，在其上以断裂表面朝上的方式放置着具有断裂表面的样品；照明装置，其布置在工作台上方，用来从多个方向用光照射断裂表面；图像检测装置，用来检测用光照射的断裂表面的图像；连续色调图像处理装置，用来将所检测的图像处理成连续色调图像；和二进制化装置，用来通过连续色调图像处理结果与阈值之间的比较将连续色调图像二进制化。
发明效果
根据本发明，由于用多个方向的光照射样品断裂表面，通过检测断裂表面图像所获得的图像没有了由于在断裂表面上的微小不规则性导致的阴影或光学不规则性。当所述图像经历连续色调图像处理和二进制化时，样品中的非金属掺杂物就能够被从断裂表面精确地检测到。
附图说明
图1A是表示根据本发明实施例的非金属掺杂物测量装置的整体结构的前视图。
图1B是表示反光罩结构的垂直截面图。
图2是表示工作台上的样品、反光罩和CCD照相机的相互关系的图。
图3是表示计算机的配置图。
图4是表示由CPU实现的功能部分的框图。
图5是表示根据本发明实施例的非金属掺杂物测量装置的流程的流程图。
具体实施方式
参照附图，本发明的一个实施例将被详细描述。
如图1A所示，杂质测量装置1具有一个工作台T，其上设置一个样品S(未显示)。工作台T足够大，至少具有一个平坦表面。
根据该实施例，样品S将以铝样品S作为例子。请注意说明书下面的内容，那些仅仅描述为“铝”的样品还包括铝合金。例如，铝样品S是通过在提炼一部分熔化铝之后立即采用例如用于K型浇铸方法的铸模半连续浇铸、浇铸提炼的熔化铝，并将所获得的板状长方体铸造件沿着其横向方向在多个位置断裂并分开而获得。样品S以断裂表面h面朝上的方式放在工作台T的表面。
照明装置7布置在工作台T上方，用多个方向的光照射样品S的断裂表面h。所述照明装置7包括发出光的发光二极管(光源)4和反射来自发光二极管(光源)4的光的反射罩(反射部件)D。
如图1B所示，反射罩D具有大致为半圆形截面的外表面3和与反射罩D形状相似(即，具有大致半圆形的截面)的凹反射表面2，并向下开口。凹反射表面2是以预定曲率弯曲的镜面。凹反射表面2可以有微小不规则性以散射光。
沿着凹反射表面2的内边缘连接着圆环5。大量的发光二极管(LED)4以环形形状成内、外两排布置在圆环5上并向上突出。作为发光二极管4，例如采用那些由氧或氮掺杂Ga-P制成的发出红光或绿光的发光二极管、那些由Ga-As制成的发出红外线的发光二级管，或那些发出蓝光的发光二极管。发光二极管4相当紧凑。因此，发光二极管4能够紧密地连接在反射罩D的凹反射表面2的内边缘上。而且，当发光二极管4发出的高亮度、高方向性的光被凹反射表面2反射时能避免被光源遮蔽。
从上方看是四边形(正方形或长方形)或圆形的开口6在反射罩D的顶点附近形成。如图2所示，CCD照相机(成像装置)10布置在反射罩D的开口6上方。结合CCD照相机10的光学镜片的光入射圆筒12通过开口6指向设置在工作台T表面上的样品S的断裂表面h。
反射罩D连接到通过金属固定装置(未示出)竖立在工作台T上方的支撑柱8上，以便可垂直移动。在反射罩D上方，CCD相机10与同一支撑柱8相连，以便可垂直移动。
如图1A所示，一根从CCD照相机10接出来的电缆K连到个人电脑(运算装置)14。如图3所示，所述电脑14具有图像输入单元(接口)20、中央处理器(CPU)22、存储器(ROM/RAM)24和图像输出单元(接口)26。
图像输入单元20接收从CCD照相机10通过电缆K传送的图像信号。
中央处理器22根据程序来执行如图4所示的连续色调图像处理单元30、二进制化单元32、高亮度区检测单元34、像素数测量单元36和杂质区识别单元38的操作。连续色调图像处理单元30使从图像输入单元20输入的图像经受连续色调图像处理。二进制化单元32通过将连续色调图像处理单元30的处理结果与亮度阈值之间比较使连续色调图像二进制化。高亮度区检测单元34从二进制化单元32处理的图像中检测亮度高于阈值的图像区域。像素数测量单元36测量由高亮度区检测单元34检测的图像区域的像素总量。当像素数测量单元36测量的像素总量大于预定像素数时，杂质区识别单元38将高亮度区检测单元34检测的图像区域识别为非金属掺杂区。当测量的像素数小于预定像素数时，杂质区识别单元38不将检测的图像区域识别为非金属掺杂区。
存储器24储存如亮度阈值、预定像素数等上面描述的数据。因此，在中央处理器22的处理过程中，储存在存储器24中的数据如果需要可连续读出。控制中央处理器22的操作的程序也储存在存储器24中。
如图1A和3所示，中央处理器22的处理结果通过图像输出单元26在监控器16的显示器18上显示，并且如果需要用打印机(未显示)打印。
参照附图5，一种利用杂质测量装置1测量在铝中所含非金属掺杂物的方法将被描述。
如图2所示，被测量的铝样品S以断裂表面h面朝上方式放在工作台T表面的预定位置(步骤S1)。样品S是通过用于K型浇铸方法的铸模浇铸一部分维持在大约700℃的熔化铝并将所获得的板状铸造件断裂而获得的。
随后，从大量发光二极管4发出的光线L被反射罩D的凹反射表面2反射，如图2中的实线箭头所示。在多个随机方向上被反射的反射光线L作为间接照明照射样品S的断裂表面h(步骤S2)。这时，由于断裂表面h被来自许多任意方向的光线L照射，可以避免由断裂表面h上的微小不规则引起的阴影、光学不规则性、晕影等。
在这种状态下，通过反射罩D的开口6，样品S断裂表面h的图像从光入射圆筒12被CCD照相机10中的电荷耦合设备检测，如图2中的长短交替的点划线箭头所示(步骤S3)。所获得的图像信号通过电缆K从图像输入单元20输送到电脑14的中央处理器22。
中央处理器22首先使断裂表面h的图像经历连续色调图像处理(步骤S4)。具体而言，断裂表面h的图像的每个像素的色调被转换成范围从例如白＝0到黑＝255的8-位亮度值(density value)形式的灰度色标值。
随后，图像经历二进制化(步骤S5)。更具体而言，亮度阈值(阈值)预先从储存器24读出。通过连续色调图像处理获得的各个像素的亮度值与阈值比较，并分成高亮度组和低亮度组。阈值是依据样品S的材料(这些实施例中是铝)的种类预设的数值。
然后，从图像中检测出具有比亮度阈值更高亮度值的图像区域，所检测区域被确定为非金属掺杂物区域(步骤S6)。测量所检测的图像区域的像素数(步骤S7)。
被定义为非金属掺杂物存在于铝样品S中时的最小像素数的预定最小像素数与步骤S7中测到的像素数相比较。如果测到的像素数大于预定的最小像素数(在步骤S8中为“否”)，在步骤S6中检测的图像区域被识别为非金属掺杂物区域(步骤S9)。与此相反，如果测到的像素数小于预定最小像素数(在步骤S8中“是”)，步骤S6的确定被修正，涉及的图像区域不被识别为非金属掺杂物区域(步骤S10)。当整个图像的像素数为240,000时，预定的最小像素数在几十的数量级上。如果需要最小像素数可以从储存器24读出。
这样，根据该实施例，即使一个图像区域曾经由于其亮度值被确定为非金属掺杂物，如果这个图像区域的像素数小于在铝中形成的非金属掺杂物的最小像素数，被看作非金属掺杂物的确定被更正，这个区域不被识别为非金属掺杂物区域。因此，可以可靠地消除光学分析的测定错误。
根据上述过程，作为图像来源的断裂表面h中非金属掺杂物的存在与否、非金属掺杂物的总量可以被精确和快速地测量，并且这种测量方法也能在铸造车间容易地操作。
在步骤S6中，只要从图像中检测出具有比亮度阈值更高亮度值的图像区域即足够。因而，这个区域不必总被确定为非金属掺杂物区域。
上述步骤S1到S10可被顺序和连续地执行以用于样品S的多个断裂表面h。从而，如图1A所示，可以在监控器16的显示器18上测量和监测各个断裂表面h上检测的图像(1-n)的非金属掺杂物的总量和全部图像中的非金属掺杂物的平均值(av)。
如果多个被测量断裂表面h的非金属掺杂物总量和全部非金属掺杂物的平均值落在铝的允许范围内，熔化铝可以被直接浇铸到半连续式浇铸装置(未显示)的铸模中，从而具有必要纯度或合金成分的浇铸材料例如铝板或坯料能够不浪费地可靠获得。
与此相反，如果多个被测量的断裂表面h的非金属掺杂物总量和全部非金属掺杂物的平均值超出了允许范围，熔化铝不进行半连续浇铸，而是被送到已知的铝精炼过程中来除去非金属掺杂物。之后，上面描述的测量方法被再次用于已经被部分提炼的样品。
因此，根据所述使用杂质测量装置1测量铝中的非金属掺杂物的方法，熔化铝能够不浪费地稳定地构成各种类型的浇铸材料，从而起到减少铸造过程成本的作用。
本发明不限制于前面描述的实施例。
样品S不限于铝。由钢、铸铁、铸钢、各种特种钢、不锈钢、钛和钛合金、铜和铜合金、锌和锌合金、镍和镍合金、镁和镁合金、锶和锶合金或者铅和铅合金制成的样品也可以接受测量。
作为测量目标的杂质不限于非金属掺杂物，而是还包括非必要金属元素的晶体、特殊金属元素的熔析组织等。
可选择地，具有多个等距离的凹部的幻灯片夹可以设置在工作台T上。样品S可以断裂表面h朝上的方式分别插入夹子的多个凹部。夹子可以沿着导轨(未显示)手动或自动移动来连续形成各个断裂表面h的图像。
在连续色调图像处理以后执行的二进制化不但可以采用亮度(luminance)阈值，而且也可以采用明度(lightness)阈值或密度(density)阈值。
也可以将亮度等高于或低于阈值的图像区域确定为铝合金等的熔析部分或非必要金属元素的晶体。
反射罩D的开口6的位置不是限制于反射罩D的顶点附近，开口6可以在反射罩D的任意位置形成。在这种情况下，CCD照相机10被布置在通过开口6可以看见样品S的断裂表面h的位置处。因此，CCD照相机10的位置不是限制于开口6的上方，而是有时CCD照相机10可以被布置在开口6的斜上方。
图1A所示杂质测量装置1的工作台T、反射罩D、CCD照相机10等的位置是相对的。只要样品S可以在被夹子或固定架支撑时被布置在工作台T上，工作台T、反射罩D、CCD照相机10等可以被设置为任意倾角。
作为图像检测装置，包括数码相机例如摄影机在内的其它CCD(电荷耦合设备)照相机也能使用。
电脑14和监控器16不必布置在工作台T上而是可以布置在其它位置。
运算装置不限于电脑14。控制设备例如表现类似功能的控制器可以被用作运算装置。
根据本发明的杂质测量方法和装置在不偏离本发明精神的范围内可以进行适当变化。
工业实用性
如上所述，根据本发明的杂质测量方法和装置对测量金属等中含有的非金属掺杂物、非必要金属元素晶体、特殊金属元素的熔析组织等是有效的。

Claims (10)

1、一种非金属掺杂物测量方法，其特征在于包括步骤：
以断裂表面朝上的方式在工作台上布置具有在断裂表面上有微小不规则的由铝合金形成的样品；
从多个方向用来自光源装置的光的间接照明照射断裂表面，该间接照明是通过被具有大致半圆形截面的凹反射表面反射的；
检测用光照射的断裂表面的图像；
将所检测的图像处理成连续色调图像；和
通过将连续色调图像处理结果与阈值之间相比较来将连续色调图像二进制化。
2、根据权利要求1的非金属掺杂物测量方法，其特征在于进一步包括步骤：
从二进制化的图像中检测具有比阈值高的亮度的图像区域；和
测量被检测的图像区域的像素数。
3、根据权利要求2的非金属掺杂物测量方法，其特征在于进一步包括步骤：
当测量的像素数大于预定像素数时，将检测的图像区域识别为非金属掺杂区域；和
当测量的像素数小于预定像素数时，避免将检测的图像区域识别为非金属掺杂区域。
4、根据权利要求1的非金属掺杂物测量方法，其特征在于：
检测图像的步骤包括用CCD照相机检测断裂表面的图像的步骤。
5、一种非金属掺杂物测量装置，其特征在于包括：
工作台，在其上以断裂表面朝上的方式放置着具有断裂表面的由铝合金形成的样品；
照明装置，其布置在工作台上方，用于从多个方向用光照射断裂表面，其中，所述照明装置包括反射部件和光源装置，所述反射部件放置在所述工作台的上方并且包括反射罩，所述反射罩具有大致半圆形的截面和朝下的凹反射表面，所述光源装置包括沿着所述反射罩的所述凹反射表面的内边缘面朝上地布置的多个光源；
图像检测装置，用来检测用来自光源装置的光的间接照明照射的断裂表面的图像，该间接照明是通过被具有大致半圆形截面的凹反射表面反射的以从多个方向用光照射断裂表面；
连续色调图像处理装置，用来将所检测的图像处理成连续色调图像；和
二进制化装置，其通过将连续色调图像处理结果与阈值之间相比较来将连续色调图像二进制化。
6、根据权利要求5的非金属掺杂物测量装置，其特征在于：
所述光源包括发光二极管。
7、根据权利要求5的非金属掺杂物测量装置，其特征在于：
所述反射罩在其顶点附近具有开口，和
所述图像检测装置布置在开口上方。
8、根据权利要求5的非金属掺杂物测量装置，其特征在于进一步包括：
高亮度区检测装置，用于从被所述二进制化装置二进制化的图像中检测具有比阈值高的亮度的图像区域；和
像素数测量装置，用于测量所述高亮度区检测装置所检测的图像区域的像素数。
9、根据权利要求8的非金属掺杂物测量装置，其特征在于进一步包括：
非金属掺杂物区域识别装置，当所述像素数测量装置所测量的像素数大于预定像素数时，所述非金属掺杂物区域识别装置将所述高亮度区检测装置所检测的图像区域识别为非金属掺杂物区域，以及当所测量的像素数小于预定像素数时，所述非金属掺杂物区域识别装置避免将所检测的图像区域识别为非金属掺杂物区域。
10、根据权利要求5的非金属掺杂物测量装置，其特征在于：
所述图像检测装置包括CCD照相机。
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