CN101144766B

CN101144766B - 全自动显微硬度测量系统

Info

Publication number: CN101144766B
Application number: CN2007100477078A
Authority: CN
Inventors: 倪欢; 商慧亮; 李锋
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: CN101144766A

Abstract

本发明属于自动分析测量技术领域，具体为一种全自动显微硬度测量系统。它是一种基于计算机数字图像处理技术的全自动显微硬度测量系统，主要由显微硬度测量仪、CCD摄像头、USB图像采集卡、计算机、打印机、X-Y电动台以及运行在计算机上的专用软件等组成。计算机通过RS-232通讯接口控制显微硬度测量仪的光学变焦、设定加载时间、自动加载和控制X-Y电动台的移动定位，并通过USB接口接收显微硬度测量仪中的压痕图像，采用图像处理技术，自动完成压痕边缘的定位，对角线距离的测量，显微硬度值的计算以及报表的生成和打印。整个显微硬度测量过程真正实现了全自动无人操作，测量效率、测量精度及稳定性大大提高。

Description

全自动显微硬度测量系统

技术领域

本发明属于工业自动控制中的自动分析测量技术领域，具体涉及一种全自动显微硬度测量系统。

背景技术

显微硬度测量系统的主要功能就是测量工件的显微硬度参数，在机械制造、冶金、建材、化工等领域都有着普遍应用。

维氏显微硬度测量仪是目前应用极为广泛的一种硬度测量仪，该测量仪通过试验采用微小载荷并通过显微镜观察压痕计算出试验材料的显微硬度，尤其适用于细小、纤薄的材料样品，以及氮化、渗碳、喷涂表面处理的试件和各种镀层的表面显微硬度测试。维氏显微硬度不受试验力大小的影响，对均质材料、不同载荷测量出的显微硬度值基本相同。因此，显微维氏试验在材料科学研究领域及机械电子工业中零件产品质量测试控制方面有广泛的用途。但是，显微维氏显微硬度测量仪需人工手动操作，目测显微镜内的对角线压痕长度，试验工作效率低，目测误差大，眼睛容易疲劳，且观察测量结果需人工读数和计算，精度低，稳定性差。

维氏显微硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商，压痕被视为具有正方形基面并与压头角度相同的理想形状。

维氏显微硬度值HV＝0.1891*F/d^2。

F：试验力，单位N。

d：两压痕对角线长度d1和d2的算术平均值，单位mm。

现有显微硬度测量系统大多采用人工操作方式，操作过程繁琐、复杂，测量效率低。而且，凭肉眼和主观经验来定位压痕的边缘和对角线，测量的精度、测量结果的稳定性和可重复性不高。

发明内容

本发明目的在于解决现有方案中存在的不足，提供一种高效、精确、全自动的显微硬度测量系统。

为了实现以上目的，本发明采取以下设计方案：一种基于计算机的全自动显微硬度测量系统，如图1所示，系统主要组成部分包括：显微硬度测量仪2、CCD摄像头1、USB图像采集卡4、计算机5、打印机6、X-Y电动台3以及运行在计算机上的专用软件。其中，计算机5通过RS-232通讯接口与显微硬度测量仪2和X-Y电动台3连接，控制显微硬硬度测量计2的光学变焦、设定加载时间和自动加载，控制X-Y电动台3的移动定位；显微硬度测量仪2受X-Y电动台3控制，并与CCD摄像头1连接，CCD摄像头1与图像采集卡4连接，图像采集卡4通过USB接口与计算机5连接，打印机6与计算机5连接。计算机1通过USB接口接收显微硬度测量仪中的图像，采用图像处理技术，自动完成图像的缩放和拖动，压痕边缘的定位，对角线距离的测量，显微硬度值的计算以及报表的生成和打印。

整个显微硬度测量过程真正实现了全自动无人操作，提高了测量的效率，而且测量精度及稳定性大大提高。

所述的显微硬度测量仪2主要由单片机15分别与液晶显示屏14、蜂鸣器10、键盘8、背景灯9、光栅编码器11、载荷编码器12、实时时钟13、存储器16、打压马达17、塔台马达18、目镜马达19、X-Y轴步进马达20、21，串口控制器22连接组成，其构成如图2所示。单片机15通过专用控制芯片驱动液晶显示屏14；蜂鸣器10由三极管驱动；键盘8采用中断方式输入；背景灯9由单片机PWM信号控制，经场效应管驱动；光栅编码器11将实际位移转换成脉冲信号，经过单片机的计数器口进行计数；载荷编码器12直接由单片机端口译码得到载荷大小；实时时钟13与单片机IO口相连，带有备用电池供电，可以在系统掉电时继续运行；存储器16采用电擦除的只读存储器，具有掉电保存功能，可以保证系统参数及测量结果不丢失；打压马达17、目镜马达19和X-Y轴步进电机20、21由步进电机驱动芯片控制；串口控制器22与单片机UART接口相连，完成与计算机系统的信号交互。显微硬度测量仪采用全英文菜单式图形化用户界面，操作简单方便；光学变焦有100倍和400倍两种选择；载荷范围为10g，25g，50g，100g，200g，300g，500g，1000g；保载时间为1-99秒可任意选择；测量显微硬度制式包括HV，HB，HRC，HK；数据存储容量为99个显微硬度值；并且具有测量误差值修正，光路放大倍数修正等功能。此外，本系统的显微硬度测量仪提供了RS-232通讯接口，可以接收并执行计算机发出的控制指令，还为计算机图像采集提供了CCD摄像通道。

所述的CCD摄像头采集显微硬度测量仪CCD光学摄像通道中的图像，以模拟信号的方式传送给USB图像采集卡。

所述的USB图像采集卡将CCD摄像头采集的图像数字化为计算机能够识别的数字信号，经过USB接口传送给计算机。

所述的全自动显微硬度测量系统专用程序，向显微硬度测量仪及X-Y电动台发送指令，指令内容主要包括：光学变焦、光学亮度的调节、加载时间的设定、X-Y电动台的移动定位；接收采集的图像，采用数字图像处理技术，自动定位压痕边缘、测量对角线距离、计算显微硬度值、生成报表。

所述的打印机与计算机相连，可随时打印计算机生成的显微硬度值报表。

所述的X-Y电动台接收计算机发送的控制指令，自动移动到指定位置，实现定点打压和压痕定位。

所述的专用计算机软件流程图如图4所示，既可以全自动测量显微硬度值，也可以手动执行测量显微硬度值的各个步骤。在专用软件开始运行时，系统首先进行初始化和参数查询，在全自动测量显微硬度值的过程中，系统将依次自动完成光学调光调焦、X-Y轴定位、加载并按设定时间保载，自动采集摄像头中的图像，识别压痕图像边缘，测量压痕对角线长度，计算被测件显微硬度值并生成相应的报表。用户也可以根据需要，手动执行显微硬度值测量的各个步骤，包括光学调光、光学调焦、X-Y轴定位、加载，采集图像，边缘识别，测量对角线长度，计算被测件显微硬度值、生成报表以及退出系统。

系统专用计算机软件界面如图3所示，主要由图像采集界面、报表生成界面、显微硬度测量仪控制界面、X-Y电动台控制界面、参数设置界面组成。

积极效果

本发明是一种基于计算机的全自动显微硬度测量系统，采用计算机软件控制，操作简单方便，只要熟悉计算机的基本操作，就能够完成显微硬度值测量的整个过程。

本发明实现了一键完成整个显微硬度测量过程，把一系列本来要求人工操作的步骤，由计算机进行控制，简化了显微硬度测量的过程，克服了凭肉眼和主观经验进行参数测量带来的误差。从根本上来说，本发明大大提高了显微硬度测量的效率、提高了测量结果的精度、稳定性和可重复性。

附图说明

图1：全自动显微硬度测量系统结构示意图。

图2：显微硬度测量仪结构示意图。

图3：计算机专用软件界面示意图。

图4：计算机专用软件流程示意图。

图中标号：1为CCD摄像头，2为显微硬度测量仪，3为X-Y电动台，4为图像采集卡，5为计算机，6为打印机；7为电源，8为键盘，9为背景灯光，10为蜂鸣器，11为光栅编码器，12为载荷编码器，13为实时时钟，14为液晶显示，15为单片机，16为存储器，17为打压马达，18为塔台马达，19为目镜马达，20为X轴马达，21为Y轴马达，22为串口控制器；23为图像采集界面，24为报表设置及生成界面，25为显微硬度测量仪控制界面，26为X-Y电动台控制界面，27为参数设置界面。

具体实施方式

全自动显微硬度测量系统主要由显微硬度测量仪、CCD摄像头、USB图像采集卡、计算机、打印机、X-Y电动台以及专用计算机专用软件组成，如图1所示。

1、硬件部分

显微硬度测量仪采用华邦的W78E365单片机作为核心控制部分，塔台马达和打压马达都使用ULN2004驱动芯片，存储芯片使用I2C接口的AT24C16，实时时钟芯片采用DS1302，RS-232接口采用MAX232芯片，数据总线缓冲芯片主要采用三态锁存器74HC573，光栅编码器输出的正交信号采用D触发器CD4013进行正反转脉冲信号分离，液晶显示器采用分辨率为128*64的LCD，型号为HG1286402C-YF62L。W78E365驱动塔台马达在不同的物镜(10倍、40倍)和压头间切换，控制打压马达的加载和去载，并按设定时间保载，以PWM(脉冲宽度调制)方式控制压痕背景灯光的亮度；采用全英文菜单式图形化界面，操作过程简单方便；使用AT24C16存储测量得到的对角线距离和相应的显微硬度值以及常用的性能参数；通过MAX232芯片实现与计算机的信号交互。本测量仪既可以采用手动操作，人工目测的方法来测量工件的显微硬度值，也可以将显微图像传送给CCD摄像通道，由计算机自动测量显微硬度值。

USB图像采集卡采用PHILIPS最新芯片，该图像采集卡支持一路AV及一路S端子视频输入，单通道USB 2.0高速接口输出，可捕捉高品质动态及静态画面。

计算机的操作系统为Windows XP，可以运行全自动显微硬度测量系统专用软件。另外，计算机配有激光打印机，供报表打印使用。

X-Y电动台由显微硬度测量仪的单片机W78E365控制，X轴和Y轴步进电机都由ULN2004驱动，精确控制电动台的横向和纵向移动定位。另外，电动台具有限位功能，当移动距离达到限定值时，步进电机停止转动，并发出报警音。

2、软件部分

全自动显微硬度测量系统专用软件通过RS-232接口发送控制和接收指令，不仅可以控制显微硬度测量仪的状态和动作，而且可以控制X-Y电动台的横向纵向移动，对压痕位置进行定位。

本专用软件实现了一键完成整个显微硬度测量过程，包括光学调光、光学调焦、自动定位、自动加载、图像采集、边缘定位、对角线测距、显微硬度值计算、报表生成等步骤。同时，各个测量步骤相互独立，用户可以根据自己的需要，任意执行各个步骤。

本专用软件可以对数字化了的显微图像进行处理，处理步骤包括：图像捕获，图像缩放，图像拖动，边缘定位，对角线测距，计算硬度值，生成报表等。本软件通过USB接口采集捕获显微图像，经过图像缩放及拖动等操作使压痕的大小和位置适合屏幕。然后采用数字图像处理技术对压痕的边缘进行定位，并测出压痕对角线的距离。根据显微硬度值的计算公式，由压痕对角线的距离计算出工件的显微硬度值，并且根据需要转换成各种硬度制式的值。最后，将所有或部分测得的显微硬度值生成所需的报表，由打印机打印输出。

Claims

1.一种全自动显微硬度测量系统，其特征在于系统组成部分包括：显微硬度测量仪(2)、CCD摄像头(1)、USB图像采集卡(4)、计算机(5)、打印机(6)、X-Y电动台(3)以及运行在计算机上的专用软件；其中，计算机(5)通过RS-232通讯接口与显微硬度测量仪(2)和X-Y电动台(3)连接，控制显微硬度测量仪(2)的光学变焦、设定加载时间和自动加载，控制X-Y电动台(3)的移动定位；显微硬度测量仪(2)受X-Y电动台(3)控制，并与CCD摄像头(1)连接，CCD摄像头(1)与图像采集卡(4)连接，图像采集卡(4)通过USB接口与计算机(5)连接，打印机(6)与计算机(5)连接；计算机(5)通过USB接口接收显微硬度测量仪中的图像，采用图像处理技术，自动完成图像的缩放和拖动，压痕边缘的定位，对角线距离的测量，显微硬度值的计算以及报表的生成和打印；其中：

显微硬度测量仪(2)由单片机(15)与液晶显示屏(14)、蜂鸣器(10)、键盘(8)、背景灯(9)、光栅编码器(11)、载荷编码器(12)、实时时钟(13)、存储器(16)、打压马达(17)、塔台马达(18)、目镜马达(19)、X-Y轴步进马达(20、21)和串口控制器(22)连接组成，为计算机(5)控制提供RS-232通讯接口和CCD图像采集通道；单片机(15)通过专用控制芯片驱动液晶显示屏(14)；蜂鸣器(10)由三极管驱动；键盘(8)采用中断方式输入；背景灯(9)由单片机PWM信号控制，经场效应管驱动；光栅编码器(11)将实际位移转换成脉冲信号，经过单片机的计数器口进行计数；载荷编码器(12)直接由单片机端口译码得到载荷大小；实时时钟(13)与单片机IO口相连，带有备用电池供电；存储器(16)采用电擦除的只读存储器，具有掉电保存功能；打压马达(17)、目镜马达(19)和X-Y轴步进电机(20、21)由步进电机驱动芯片控制；串口控制器(22)与单片机UART接口相连，完成与计算机系统的信号交互。

2.根据权利要求1所述的全自动显微硬度测量系统，其特征在于所述专用计算机软件界面由图像采集界面、报表生成界面、显微硬度测量仪控制界面、X-Y电动台控制界面和参数设置界面组成。