CN102661902A - 一种便携式热塑材料耐热性测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在电气安全标准中用于考核热塑材料耐热性的球压实验压痕测量装置。包括输入输出系统、光电转换系统、远心成像系统、照明系统、样品夹持装置、嵌入式控制及处理系统；所述照明系统位于远心成像系统的入射端与样品夹持装置之间，用于将光线投射到待测样品表面；光电转换系统位于远心成像系统的出射端，用于采集图像；所述的嵌入式控制及处理系统分别与输入输出系统、光电转换系统、照明系统相连。所述照明系统为同轴光照明方式，出射光平行、照度均匀。本发明的有益效果如下：1、便携性好，使用方便。2、测量精度高，操作简单。3、智能化：可自动调节光照亮度，并可针对压痕的形状自动判别。

Description

一种便携式热塑材料耐热性测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种热塑材料耐热性测量装置，更具体地说，涉及一种在电气安全标准中用于考核热塑材料耐热性的球压实验压痕测量装置。

背景技术

热塑材料的耐热性是电工电子产品安全检测项目之一，考察热塑材料耐热性的常规方法是对该材料进行球压实验，并根据测得的压痕尺寸判断产品的耐热性是否合格，压痕测量的准确与否直接影响产品的合格性检测。标准IEC60695-10-2：2003要求，压痕横跨最大尺寸d不超过2.0mm则表示产品耐热指标合格。测量压痕直径的传统方法主要有三种：投影法、切割法及显微镜测量法。压痕尺寸小，切割法很难在不破坏样品的情况下清晰地得到压痕的剖面。而投影或者显微镜测量法，又存在步骤繁琐、压痕位置无法精确识别，检测人员主观影响大等问题。长期以来，球压试验中，压痕测量结果的准确性和客观性一直是困扰质检人员的最大问题。传统的测量方法，测量结果精度低，重复性差，尤其是处于临界状态的压痕，材料耐热性的合格与否更是难以判断。

中国专利CN102169070公布了一种热塑材料耐热性测量系统，设有光源、光学信息变换装置、CCD摄像机、图像采集卡、样品台、输入设备、计算机和输出设备；光源发出的光线直接照射在放置于样品台上的压痕样品上，压痕样品的反射光线通过光学信息变换装置聚焦至CCD摄像机上，CCD摄像机的数字信号输出端接图像采集卡，图像采集卡与计算机连接，输入设备和输出设备分别与计算机的输入输出端口连接。

该专利所述系统在测量过程中对压痕的形貌进行了光学信息变换，而没有给出系统的标定方法，系统不易标定，且对各镜片装配精度要求高，并且系统采用计算机作为控制器和处理器，成本高，体积大，使用不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种便携式、小型化、集成一体的全自动热塑材料耐热性测量装置，及基于该装置的测量方法，该装置测量精度高，操作简单，且易于标定。

本发明的技术方案如下：

一种便携式热塑材料耐热性测量装置，包括输入输出系统、光电转换系统、远心成像系统、照明系统、样品夹持装置、嵌入式控制及处理系统；

所述照明系统位于远心成像系统的入射端与样品夹持装置之间，用于将光线投射到待测样品表面；

光电转换系统位于远心成像系统的出射端，用于采集图像；

所述的嵌入式控制及处理系统分别与输入输出系统、光电转换系统、照明系统相连。

所述照明系统为同轴光照明方式，出射光平行、照度均匀。

作为优选，嵌入式控制及处理系统通过检测光电转换系统中图像传感器表面的平均光照情况，进而调节照明系统的亮度。

作为优选，所述远心成像系统为物像双远心成像系统。

作为优选，所述嵌入式控制及处理系统采用ARM+DSP的双核结构。

作为优选，所述嵌入式控制及处理系统包括图像采集模块、ARM中枢控制模块、DSP算法执行模块；

所述的图像采集模块与ARM中枢控制模块双向互连，并与DSP算法执行模块相连，光电转换系统与图像采集模块相连；

所述的ARM中枢控制模块还分别与DSP算法执行模块、输入输出系统双向互连。

一种热塑材料耐热性测量方法，基于上述任一顶的便携式热塑材料耐热性测量装置，步骤如下：

1）对待测样品进行球压实验，在待测样品表面形成压痕；

2）照明系统在压痕表面产生平行均匀光照，反射光进入远心成像系统；

3）嵌入式控制及处理系统根据光电转换系统中图像传感器的表面光照情况，自动调节照明系统的光照强度；

4）反射光从远心成像系统射出，并成像在光电转换系统的图像传感器上；

5）嵌入式控制及处理系统采集压痕图像，并对压痕图像进行处理，计算出压痕直径，给出材料耐热性的测量结果；

6）嵌入式控制及处理系统将测量结果传送至输入输出系统。

作为优选，嵌入式控制及处理系统包括图像采集模块、ARM中枢控制模块、DSP算法执行模块；

步骤5）具体为：

5.1）图像采集模块将采集所得的数字图像送入DSP算法执行模块后，DSP算法执行模块对首先其进行降噪及增强处理；

5.2）再进行压痕的模式识别，判断压痕形成过程中是否载荷偏压、压痕边缘部分是否凸起还是光滑过渡，并且对载荷偏压及边缘凸起情况进行校正；

5.3）然后对球压接触面进行识别，区分出压痕过渡区、真实压痕区及无形变区域；

5.4）最后在识别出的真实压痕区中提取压痕边缘，根据所得边缘计算出压痕直径，并给出材料耐热性的测量结果。

本发明的有益效果如下：

1、便携性好，使用方便。装置采用嵌入式的控制及处理系统，体积小，集成度高，且内置电源系统，无需外界供电，便可完成整个测量过程，使用方便。

2、测量精度高，操作简单。本装置的精度可达亚像素级，较传统测量方法（投影法、切割法及显微镜测量法）精度高。且成像系统使用物像双远心光路，景深大，将压痕样品用夹紧装置夹紧后，无需调焦便可进行测量，不会因为对焦不准而造成测量误差，且远心光路还具有景深范围内成像倍率保持不变的特性，使得仪器易于标定。

3、智能化：可自动调节光照亮度，并可针对压痕的形状自动判别：是否载荷偏压、压痕边缘部分是凸起还是光滑过渡，针对不同的情况，选择相应算法自动进行测量，得到测量结果。

附图说明

图1是本发明实施例1的装置结构示意图；

图2是本发明实施例嵌入式控制及处理系统的硬件结构示意图；

图3是本发明实施例工作时的工作流程示意图；

图4是本发明实施例中压痕图像处理及计算的算法流程框图；

图5是本发明实施例2的装置结构示意图；

图中：1是输入输出系统，2是光电转换系统，3是远心成像系统，4是照明系统，5是样品夹持装置，6是嵌入式控制及处理系统，7是装置手持把柄，8是装置外壳，9是电源系统，10是图像采集模块，11是ARM中枢控制模块，12是DSP算法执行模块，13是键盘，14是显示屏。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，所述的装置设有：输入输出系统1、光电转换系统2、远心成像系统3、照明系统4、样品夹持装置5、嵌入式控制及处理系统6、装置手持把柄7、装置外壳8、电源系统9。所述的嵌入式控制及处理系统6分别与输入输出系统1、光电转换系统2、照明系统4相连。电源系统9与嵌入式控制及处理系统6、照明系统4相连。

其中，输入输出系统1为触摸液晶屏，触摸液晶屏将输入输出功能合二为一，光电转换系统2为CCD工业相机，远心成像系统3为物像双远心成像光路，照明系统4为同轴光照明，电源系统9为输出电压等于12V的大容量蓄电池。

所述照明系统4位于远心成像系统3下方，在压痕表面产生均匀光照，远心成像系统3收集反射光线并成像在光电转换系统2的图像传感器上，嵌入式控制及处理系统6根据光电转换系统2中图像传感器所感应的平均光照情况，自动调节照明系统4的光照强度，采集压痕图像，并对压痕图像进行处理，找出压痕的真实位置，计算出压痕直径，给出材料耐热性的测量结果，最后将结果传送至输出系统。

所述照明系统4采用同轴照明方式，其出射光平行、照度均匀且亮度可自动调节，根据压痕的不同部分（压痕过渡区、真实压痕区及无形变区域）对同轴光照的反射情况的不同，可准确判断出真实压痕的位置，进而进行压痕尺寸的测量。

所述远心成像系统3采用的是物像双远心光路，它具有大景深，且景深范围内成像倍率不变的特点。由于真实压痕所在平面不易用肉眼准确判定，使用物像双远心成像光路使得装置易于标定。

所述嵌入式控制及处理系统6为ARM+DSP的双核结构，并且采用模块化设计，从功能上可分为以下5个子模块：

①总控制模块：ARM作为主控芯片，完成整个装置的管理控制任务及协调各模块之间的工作；

②人机交互模块：ARM上运行有操作系统，与输入输出装置连接，用于输出测量结果与监控测量过程，以及完成人机交互功能；

③图像采集模块：采用视频解码芯片及CPLD完成压痕图像的采集；

④压痕直径测量模块：DSP作为从芯片，完成算法处理，包括压痕图像处理、压痕直径测量及材料耐热性判别；

⑤光源亮度自动调整模块：DSP通过计算光电转换系统中图像传感器所感应的光照强度，自动调整光源亮度，直至满足压痕测量的光照要求。

如图2所示，所述嵌入式控制及处理系统从硬件组成上可以分成3个模块：图像采集模块10，ARM中枢控制模块11、DSP算法执行模块12。嵌入式控制及处理系统6采用ARM+DSP的双核结构，且在嵌入式控制及处理系统6上运行有Linux操作系统。

所述的图像采集模块10与ARM中枢控制模块11双向互连，并与DSP算法执行模块12相连，光电转换系统2与图像采集模块10相连；所述的ARM中枢控制模块11还分别与DSP算法执行模块12、输入输出系统1双向互连。

基于本发明所述的装置的测量方法，步骤如下：

1）对待测样品进行球压实验，在待测样品表面形成压痕；

2）照明系统4在压痕表面产生均匀光照，反射光进入远心成像系统3；

3）嵌入式控制及处理系统6根据光电转换系统2中图像传感器的光照情况，自动调节照明系统4的光照强度；

4）反射光从远心成像系统3射出，并成像在光电转换系统2的图像传感器上；

5）嵌入式控制及处理系统6采集压痕图像，并对压痕图像进行处理，计算出压痕直径，给出材料耐热性的测量结果；

6）嵌入式控制及处理系统6将测量结果传送至输入输出系统1。

具体地，如图3所示，进行压痕测量时，首先启动装置，装置进行一系列初始化工作，包括启动Linux系统，点亮光源，装载压痕测量软件。接着将样品放入样品夹持装置5，并夹持好，点击液晶触摸屏上软件的测量按钮，进行测量。装置先自动调节同轴光源的光照亮度，由于不同的检测样品，其材质及表面颜色不同，对光照的反射能力不同，根据CCD工业相机中CCD图像传感器的光照情况，系统自动调节同轴光源的光照亮度直至满足成像要求。同轴光源将照度均匀，亮度合适的平行出射光投射到样品表面，样品表面上的压痕过渡区、真实压痕区及非形变区域对入射的平行光具有不同的反射特性，物像双远心成像系统3收集样品表面的反射光，成像于CCD工业相机上，兼顾装置测量速度与精度的要求，所选用CCD工业相机的CCD图像传感器的分辨率为1024*768像素，成像面积为1/3英寸，且相机为模拟信号输出。CCD工业相机将入射的光信号转换为电信号，送入嵌入式控制与处理系统6。传入嵌入式控制与处理系统6的PLA制式的视频信号，先由图像采集模块10采集1帧图像并存储于高速SRAM中，图像采集模块10主要由飞利浦的视频解码芯片SAA7111与CPLD构成，SAA7111将PLA制式的模拟视频信号转换为数字图像信号，CPLD主要负责行同步及场同步的信号控制。图像采集完成后，将一帧图像送入DSP算法执行模块12进行处理，在DSP算法执行模块12内进行压痕图像的处理及压痕直径的计算，给出材料耐热性的测量结果，最后，将处理后所得图像及结果送入ARM中枢控制模块11，并传送至触摸液晶屏上显示。

在DSP算法执行模块12内所执行的算法流程如图4所示：图像采集模块10将采集所得的数字图像送入DSP算法执行模块12后，DSP算法执行模块12首先对其进行降噪及增强处理，随后进行压痕的模式识别，判断压痕形成过程中是否载荷偏压、压痕边缘部分是否凸起还是光滑过渡，并且对载荷偏压及边缘凸起情况进行校正。其后对球压接触面识别，区分出压痕过渡区、真实压痕区及无形变区域，接着在识别出的真实压痕区中提取压痕边缘，根据所得边缘计算出压痕直径，并给出材料耐热性的测量结果。

实施例2

如图5所示，本发明所述的装置设有输入输出系统1、光电转换系统2、远心成像系统3、照明系统4、样品夹持装置5、嵌入式控制及处理系统6、装置手持把柄7、装置外壳8、电源系统9。与实施例1的不同之处包括以下4个部分：输入输出系统1，光电转换系统2，嵌入式控制及处理系统6，电源系统9。

在本实施例中，输入输出系统1由键盘13及显示屏14组成。由键盘13进行输入操作，显示屏14负责输出压痕处理结果及监控整个压痕处理过程。光电转换系统2为CMOS工业相机，兼顾处理速度及精度要求，所选用的CMOS工业相机的CMOS图像传感器分辨率为1024*768。在嵌入式控制及处理系统6中运行有μC/OS-II操作系统，亦可运行除μC/OS-II及Linux之外的其它嵌入式操作系统。除了所运行的操作系统不同之外，嵌入式控制及处理系统6的其他部分与实施例1相同。电源系统9采用多节干电池或者纽扣电池串联供电，电池置于电池盒中。

其余部分与实施例1相同。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种便携式热塑材料耐热性测量装置，其特征在于，包括输入输出系统（1）、光电转换系统（2）、远心成像系统（3）、照明系统（4）、样品夹持装置（5）、嵌入式控制及处理系统（6）；

所述照明系统（4）位于远心成像系统（3）的入射端与样品夹持装置（5）之间，用于将光线投射到待测样品表面；

光电转换系统（2）位于远心成像系统（3）的出射端，用于采集图像；

所述的嵌入式控制及处理系统（6）分别与输入输出系统（1）、光电转换系统（2）、照明系统（4）相连。

2.根据权利要求1所述的便携式热塑材料耐热性测量装置，其特征在于，所述照明系统（4）为同轴光照明方式，出射光平行、照度均匀。

3.根据权利要求2所述的便携式热塑材料耐热性测量装置，其特征在于，嵌入式控制及处理系统（6）通过检测光电转换系统（2）中图像传感器表面的平均光照情况，进而调节照明系统（4）的亮度。

4.根据权利要求1所述的便携式热塑材料耐热性测量装置，其特征在于，所述远心成像系统（3）为物像双远心成像系统。

5.根据权利要求1所述的便携式热塑材料耐热性测量装置，其特征在于，所述嵌入式控制及处理系统（6）采用ARM+DSP的双核结构。

6.根据权利要求5所述的便携式热塑材料耐热性测量装置，其特征在于，所述嵌入式控制及处理系统（6）包括图像采集模块（10）、ARM中枢控制模块（11）、DSP算法执行模块（12）；

所述的图像采集模块（10）与ARM中枢控制模块（11）双向互连，并与DSP算法执行模块（12）相连，光电转换系统（2）与图像采集模块（10）相连；

所述的ARM中枢控制模块（11）还分别与DSP算法执行模块（12）、输入输出系统（1）双向互连。

7.一种热塑材料耐热性测量方法，其特征在于，基于权利要求1至6中任一顶所述的便携式热塑材料耐热性测量装置，步骤如下：

1）对待测样品进行球压实验，在待测样品表面形成压痕；

2）照明系统（4）在压痕表面产生均匀光照，反射光进入远心成像系统（3）；

3）嵌入式控制及处理系统（6）根据光电转换系统（2）中图像传感器的光照情况，自动调节照明系统（4）的光照强度；

4）反射光从远心成像系统（3）射出，并成像在光电转换系统（2）的图像传感器上；

5）嵌入式控制及处理系统（6）采集压痕图像，并对压痕图像进行处理，计算出压痕直径，给出材料耐热性的测量结果；

6）嵌入式控制及处理系统（6）将测量结果传送至输入输出系统（1）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，嵌入式控制及处理系统（6）包括图像采集模块（10）、ARM中枢控制模块（11）、DSP算法执行模块（12）；

步骤5）具体为：

5.1）图像采集模块（10）将采集所得的数字图像送入DSP算法执行模块（12）后，DSP算法执行模块（12）对首先其进行降噪及增强处理；

5.2）再进行压痕的模式识别，判断压痕形成过程中是否载荷偏压、压痕边缘部分是否凸起还是光滑过渡，并且对载荷偏压及边缘凸起情况进行校正；

5.3）然后对球压接触面进行识别，区分出压痕过渡区、真实压痕区及无形变区域；

5.4）最后在识别出的真实压痕区中提取压痕边缘，根据所得边缘计算出压痕直径，并给出材料耐热性的测量结果。

Images