CN101782527A - 全自动断口图像分析仪 - Google Patents

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一种全自动断口图像分析仪，属于数字图像分析技术领域。包括主体机架、运动控制系统、图像采集系统、载物平台、试样夹持装置、光源照明系统及应用软件。运动控制系统连接在主体机架上，主体机架为承载机构，运动控制系统安装有图像采集系统，运动控制系统在运动过程中带动图像采集系统进行图像采集，载物平台安装在主体机架中部，图像采集系统的下方，由运动控制系统带动做水平移动，试样夹持装置安装在载物平台之上，图像采集系统正下方，光源照明系统安装在机架立柱上方，图像采集系统下方。优点在于，测量精度可提高至误差0.1％以内；实现原始记录和图幅自动存储；由计算机自动计算出纤维断面率，断口侧膨胀率，金属韧脆转变温度曲线从而确定Tk及试样裂纹长度。

Description

全自动断口图像分析仪
技术领域
本发明属于数字图像分析技术领域，特别是提供了一种全自动断口图像分析仪，用于对金属试样断口进行全面系统的测量分析，由计算机自动计算出纤维断面率，断口侧膨胀率，金属韧脆转变温度曲线从而确定Tk以及试样裂纹长度。
背景技术
金属力学性能指标是机械设计，制造，选材，工艺评定及内外贸易订货的主要依据。其中金属材料夏比冲击试验、落锤撕裂(DWTT)试验、无塑性转变(NDT)测量、延性断裂韧度JIC测量、断裂韧度KIC测量等力学性能测试试验中，试样断口形貌的分析测量非常重要。例如按断口形貌评定冷脆温度，近年来得到广泛的应用，因为它反映了裂纹扩展变化特征，而且可以定性评定材料在裂纹扩展过程中吸收能量的能力。实验发现50％FATT与断裂韧度KIc开始急速增加的温度有较好的对应关系。
通常试样冲断后其断面一般呈晶状体，纤维状(含剪切唇)和混合状。随温度的降低，纤维区面积减少，放射区面积增加。根据这种相对面积的变化可以确定材料重要性能指标之一韧脆转变温度Tk。
传统对试样断口的测定方法一般有以下几种：对比法：将试样的断口与试样纤维断面率的图谱比较，估算出纤维断面率。游标卡尺测量法：将断口晶状体区的形状归类矩形，梯形之后用游标卡尺测量相应尺寸之后再查表。放大法：利用显微镜等光学仪器测量。卡片测量法，侧膨胀率的测量有：投影仪法，游标卡尺法。
以上各种测量方法皆为一种估算的间接法，各种方法得到的数据往往偏差很大。同时也受到人为因素的影响，测量时仅仅凭试验员的经验。且劳动强度大，如果做一系列试样的断口分析，其工作量是非常巨大的，且纯粹的手工测量不具备仪器化的特点(原始记录的存储，测量数据的处理等)，所以其测量的真实性往往受到质疑。
开发全自动的断口图像分析仪，自动、高效和准确实现断口纤维断面率，侧膨胀率，韧脆转变曲线以及裂纹长度的测量，非常迫切和重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全自动断口图像分析仪，将数字图像处理技术应用于断口的测量分析，既使测量的数据真实，可靠，又提高了劳动效率，减轻了劳动强度。
本发明包括主体机架，运动控制系统、图像采集系统、摄像头运动系统、载物平台、试样夹持装置、光源照明系统及应用软件。运动控制系统连接在主体机架上，主体机架为承载机构，运动控制系统安装有图像采集系统，运动控制系统在运动过程中带动图像采集系统进行图像采集，载物平台安装在主体机架中部，图像采集系统的下方，由运动控制系统带动做水平移动，试样夹持装置安装在载物平台之上，图像采集系统正下方，光源照明系统安装在机架立柱上方，图像采集系统下方。光源照明系统，可根据外界环境自动调节光亮程度，由光源控制器根据外界试验条件的变化产生智能记忆，调节断口图像达到最佳清晰程度所需要的照明条件。
工作时由运动控制系统调节水平X轴，水平Y轴，将断口图像调至视野内，再调节垂直Z轴达到最佳清晰度。将断口图像采集到计算机内，通过计算处理，判断剪切比面积，测量侧膨胀值，自动绘制韧脆温度转变曲线。
运动控制系统包括X轴水平运动系统、Y轴水平运动系统、Z轴垂直轴运动系统7。Y轴水平运动系统与X轴水平运动系统通过齿条相互连接，完成平面运动，Y轴水平运动系统和X轴水平运动系统均连接至Z轴垂直轴运动系统，采用螺钉固定。Y轴水平运动系统与X轴水平运动系统做水平移动，将试样移动至最佳位置。
摄像头运动系统包括Z轴运动系统、摄像头、摄像头安装架；摄像头与摄像头安装架通过螺钉固定连接，摄像头安装架在运动控制系统的驱动下沿Z轴运动，将焦距调节至最佳。
试样物品放在载物平台之上，载物平台与整体框架通过螺钉固定连接。试样放置其上，缺口向上。
试样夹持装置放置于载物平台系统之上，实现大试样的夹持，防止其偏倒，夹持时转动手柄，将大试样固定。
图像采集系统由CCD摄像头、图像采集卡、上支架构成。摄像头由螺栓固定在上支架上，由摄像头引出的信号线接计算机内的图像采集卡上。
应用软件：完成各种测量指标的自动计算和报告生成。
应用软件包含运动控制器应用软件，图像采集与分析应用软件，数据库管理应用软件。
运动控制器应用软件完成载物台的沿水平运动定位，完成载物台的沿垂直方向运动定位。
运动控制器应用软件在三菱FX2N-16MR的可编程控制器内，由图像采集系统识别出样品的位置，再由运动控制器应用软件计算出将要运动的距离，发出脉冲串，驱动伺服电机运转，使摄像机镜头移动，精确定位。应用软件采用梯形图语言，接受用户下发的各种指令，计算出物体的测量距离，焦距，并将计算结果以通信形式上传至用户，同时转化为执行命令下发至伺服电机，形成闭环控制模式。
图像采集与分析软件采集试样的图像，将图像以位图格式存储在计算机内，采用边缘提取法，轮廓识别法将试样图像与背景图像分离，采用孤立点去除法去掉孤立存在的点，采用二值法图像检测识别晶状区。
数据库管理软件将图像以位图的格式存储，同时将原始试验数据存入数据库系统中，数据库中存有用户的历史图像，用户还可以根据不同的材料，不同的钢种进行分类存储不同图谱，之后可与典型图谱进行比较，分析。数据库具有查询，浏览，删除，打印输出的功能。
本发明全自动断口图像分析仪利用了先进的数字图像分析与处理技术，将断口的测量分析从原始的手工操作，提升到仪器化高精密的测量仪，使得对Tk的评定公认可信。
由于采用计算机数据库系统，可方便地将一组试样的晶状区面积提取出来绘制韧脆转变曲线，从而分析断口的形状特征与材料的某种关系。
本发明还可以用于延性断裂韧度JIC、断裂韧度KIC试样试样的裂纹长度的测。
本发明可自动测量金属材料夏比冲击试验、落锤撕裂(DWTT)试验、无塑性转变(NDT)测量、延性断裂韧度JIC测量、断裂韧度KIC测量等的试样裂纹长度、断口的纤维断面率，侧膨胀率，可自动绘制韧脆转变曲线，方便地找到Tk值。
全自动断口图像分析仪的原理：通过CCD摄像头，将试样的形貌特征采集到计算机，由相应软件进行数据的分析与处理，同时将试样的照片显示到屏幕，可由操作者进行分析比较，原始记录存于计算机中，相关测量数据打印输出，也可打印形貌照片。
附图说明
图1为本发明全自动断口图像分析仪的整体结构示意图。其中，上支座1、摄像头2、载物台3、Y方向平台4、下底座5、X方向平台6、垂直导轨7。试样夹持装置8，上光源9，夹持手柄10，下光源11，上光源亮度调节旋钮12。
与现有技术对比法，游标卡尺法和放大法相比，本发明具有如下优点：
表1：本发明的测量性能与传统方法的比较
  精度误差   历史复现   测量周期   劳动强度
  对比法   20％   无   长   大
  游标卡尺   15％   无   长   大
  放大法   10％   无   较长   大
  本发明   0.1％   图幅存储   短   非常小
本发明测量精度可提高至误差0.1％以内；实现原始记录和图幅自动存储；由计算机自动计算出纤维断面率，断口侧膨胀率，金属韧脆转变温度曲线从而确定Tk以及试样裂纹长度等；测量时间和劳动强度显著减小。可广泛应用于核电，冶金、航空、机械、石化等行业。
具体实施方式
图1是全自动图像分析仪系统结构图。
本发明包括主体机架、运动控制系统、图像采集系统、摄像头运动系统、载物平台、试样夹持装置、光源照明系统及应用软件。运动控制系统连接在主体机架上，主体机架为承载机构，运动控制系统安装有图像采集系统，运动控制系统在运动过程中带动图像采集系统进行图像采集，载物平台安装在主体机架中部，图像采集系统的下方，由运动控制系统带动做水平移动，试样夹持装置安装在载物平台之上，图像采集系统正下方，光源照明系统安装在机架立柱上方，图像采集系统下方。光源照明系统，可根据外界环境自动调节光亮程度，由光源控制器根据外界试验条件的变化产生智能记忆，调节断口图像达到最佳清晰程度所需要的照明条件。
工作时由运动控制系统调节水平X轴，水平Y轴，将断口图像调至视野内，再调节垂直Z轴达到最佳清晰度。将断口图像采集到计算机内，通过计算处理，判断剪切比面积，测量侧膨胀值，自动绘制韧脆温度转变曲线。
运动控制系统包括X轴水平运动系统6、Y轴水平运动系统4、Z轴垂直轴运动系统7。Y轴水平运动系统4与X轴水平运动系统6通过齿条相互连接，完成平面运动，Y轴水平运动系统4和X轴水平运动系统6均连接至Z轴垂直轴运动系统7，采用螺钉固定。Y轴水平运动系统4与X轴水平运动系统6做水平移动，将试样移动至最佳位置。
摄像头运动系统包括Z轴运动系统7、摄像头2、摄像头安装架1；摄像头2与摄像头安装架1通过螺钉固定连接，摄像头安装架1在运动控制系统的驱动下沿Z轴7运动，将焦距调节至最佳。
试样物品放在载物平台之上，载物平台与整体框架通过螺钉固定连接。试样放置其上，缺口向上。
试样夹持装置8放置于载物平台系统3之上，实现大试样的夹持，防止其偏倒，夹持时转动手柄10，将大试样固定。
图像采集系统由CCD摄像头2、图像采集卡、上支架1构成。摄像头2由螺栓固定在上支架1上，由摄像头2引出的信号线接计算机内的图像采集卡上。
按照前述的方式完成系统组装。
用本发明所述全自动断口图像分析仪对金属材料夏比冲击试验、落锤撕裂(DWTT)试验、无塑性转变(NDT)测量、延性断裂韧度JIC测量、断裂韧度KIC测量等试验的试样进行测量时，分析步骤如下：
1)将试样放置在试样夹持装置上，转动手柄将试样夹紧。
2)控制水平X轴定位将图像呈现于屏幕X方向中心位置。
3)控制水平Y轴定位将图像呈现于屏幕Y方向中心位置。
4)控制垂直Y轴定位将图像调节好焦距。
5)控制上下光源，调节好亮度。
6)启动图像采集，将断口图像捕捉，图像采集至计算机。
7)测量侧膨胀值。
8)测量断面纤维率。
9)根据测量数据绘制温度转变曲线。
10)测量材料裂纹长度。

Claims (6)

1.一种全自动断口图像分析仪，包括主体机架、运动控制系统、图像采集系统、摄像头运动系统、载物平台、试样夹持装置、光源照明系统及应用软件；其特征在于，运动控制系统连接在主体机架上，主体机架为承载机构，运动控制系统安装有图像采集系统，运动控制系统在运动过程中带动图像采集系统进行图像采集，载物平台安装在主体机架中部，图像采集系统的下方，由运动控制系统带动做水平移动，试样夹持装置安装在载物平台之上，图像采集系统正下方，光源照明系统安装在机架立柱上方，图像采集系统下方；
工作时由运动控制系统调节水平X轴，水平Y轴，将断口图像调至视野内，再调节垂直Z轴达到最佳清晰度；将断口图像采集到计算机内，通过计算处理，判断剪切比面积，测量侧膨胀值，自动绘制韧脆温度转变曲线。
2.按照权利要求1所述的分析仪，其特征在于，运动控制系统包括X轴水平运动系统(6)、Y轴水平运动系统(4)、Z轴垂直轴运动系统(7)；Y轴水平运动系统(4)与X轴水平运动系统(6)通过齿条相互连接，完成平面运动，Y轴水平运动系统(4)和X轴水平运动系统(6)均连接至Z轴垂直轴运动系统(7)，采用螺钉固定；Y轴水平运动系统(4)与X轴水平运动系统(6)做水平移动。
3.按照权利要求1所述的分析仪，其特征在于，摄像头运动系统包括Z轴运动系统(7)、摄像头(2)、摄像头安装架(1)；摄像头(2)与摄像头安装架(1)通过螺钉固定连接，摄像头安装架(1)在运动控制系统的驱动下沿Z轴(7)运动。
4.按照权利要求1所述的分析仪，其特征在于，载物平台系统(3)，是将承载试样物品，与整体框架通过螺钉固定连接；物品放置其上，缺口向上。
5.按照权利要求1所述的分析仪，其特征在于，试样夹持装置(8)放置于载物平台系统(3)之上，实现大试样的夹持，防止其偏倒，夹持时转动手柄(10)，将大试样固定。
6.按照权利要求1所述的分析仪，其特征在于，图像采集系统由CCD摄像头(2)、图像采集卡、上支架1构成；摄像头(2)由螺栓固定在上支架(1)上，由摄像头(2)引出的信号线接计算机内的图像采集卡上。
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