CN102937417A - 一种用于物体表面划痕损伤深度的检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物体表面划痕损伤深度的检测设备，属于测量技术领域。包括照明系统、观测系统、成像系统、机械系统和数据处理系统，其工作过程包括检测设备平稳放置、确定测量方向、对待测量图像进行调整和图像采集与定量分析四个步骤。本发明可定量测量物体表面划痕的深度，可测量0.002mm的微小损伤深度值，采用非接触测量对被测件不会产生二次损伤，测量量值可溯源，检测设备体积小，读数方便，操作简单，所采用的球头支撑螺杆适用于多种形状物体表面，适用于大型部件局部损伤的现场检测。

Description

一种用于物体表面划痕损伤深度的检测设备

技术领域

本发明涉及一种用于物体表面划痕损伤深度的检测设备，属于测量技术领域。

背景技术

目前飞机座舱玻璃表面、航空器蒙皮表面、发动机管路外表面、冷加工板材表面、精铸件表面和动车组主轴表面等各类型物体表面损伤深度值的现场检测是一个亟待解决的技术难题，这些零件表面划痕深度的现场定量检测，是判定零部件受损程度的重要依据。

当前测量损伤深度的类似技术有：翻摹法、测针法和调焦景深法。翻摹法是用硅胶将损伤部位翻成阳模，再用测量设备测量相对高度值。属于间接测量，增加了测量误差，当损伤深度小于0.02mm时，无法确定测量结果。测针法属于接触式测量，当侧头半径大于损伤宽度时，测头顶部接触不到最深位置。并且当测头半径很小时，可能产生新的损伤。调焦景深法时通过分辨不同位置图像清晰度，根据显微镜调焦距离确定损伤深度值。测量结果不能记录保存，现场测量操作困难。

发明内容

本发明的目的是为了解决物体表面损伤深度的现场定量检测问题并且实现测量量值可溯源，提出了一种用于物体表面损伤深度的检测设备。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于物体表面划痕损伤深度的检测设备，包括照明系统、观测系统、成像系统和机械系统，其外部设备为带有划痕损伤的待检测零件；

照明系统由透镜组、狭缝、发光二级管和电源组成，用于为检测设备提供测量用光源，其中电源为发光二级管提供能量使发光二级光产生光源，该光源经投影形成一束平行光，平行光经过狭缝形成狭窄的平行光束并经透镜组的汇聚，以45°方向投射到待检测零件被测表面上形成光切面；

所述照明系统中的电源采用纽扣电池；

观测系统用于观测待检测零件表面损伤的形态并进行读数，观测系统可采用两种方式：目镜观测系统或CCD观测系统；

所述观测系统中的目镜观测系统由显微物镜、目镜和分化板组成，零件被测表面上划痕损伤的谷底和上表面的图像，通过显微物镜在分化板上形成了光切面的放大影像，操作者通过目镜观测该放大影像，并通过分化板上的刻度线读取划痕深度值；

所述观测系统中的CCD观测系统由显微物镜、CCD相机和数据处理系统组成，零件被测表面上划痕的谷底和上表面的图像，通过显微物镜并在显微物镜的焦平面上形成了光切面的放大影像，数据处理系统对该放大影像进行实时采集并保存、显示该放大影像，数据处理系统同时对该放大影像的采集结果进行处理，定量给出划痕损伤深度值；

成像系统用于使被测零件上表面与划痕损伤的谷底形态成像于显微物镜焦平面处；

机械系统由机械主体件、微调机构、手柄和球头支撑螺杆组成；

所述机械系统中的机械主体件，用于连接观测系统和照明系统；

所述机械系统中的微调机构用于调整检测设备相对与待检测零件被测的划痕损伤表面间的距离，使被测图像进入观测视场，微调机构采用微调手轮且微调手轮设置在机械主体件上部；

所述机械系统中的手柄设置在机械主体件侧面，用于现场工作时把持检测设备；

所述机械系统中的球头支撑螺杆设置在机械主体件下方，通过调整球头支撑螺杆的长度，使检测设备平稳放置于被测表面。

本发明是一种用于物体表面划痕损伤深度的检测设备，其工作过程包括检测设备平稳放置、确定测量方向、对待测量图像进行调整和图像采集与定量分析四个步骤，具体为：

1)检测设备平稳放置：根据带检测零件被测划痕损伤表面的实际情况，调整支撑螺杆的长度，使检测设备平稳放置，无晃动，并且使显微物镜下沿离被测表面3mm；

2)确定测量方向：使检测设备的放置方向与划痕方向一致，也即使仪器的观测方向与划痕方向一致；

3)对待测量图像进行调整：调整微调手轮使被测图像进入视场范围并成清晰像；先使明亮光带进入观测视场中部，再移动检测设备，使被测划痕损伤图像进入观测视场，沿划痕方向移动检测设备，可获得划痕不同位置的测量图像，所述明亮光带是狭缝在被测表面所形成的像；

4)图像采集与定量分析，针对观测系统采用的目镜观测系统或CCD观测系统分为两种处理方式：

4.1在采用目镜观测系统时，在确认被测图像后，通过目镜观测被测零件上表面与划痕谷底的间距，对应分化板的刻度数来确定划痕深度值；

4.2在CCD观测系统中，确认被测图像后，由数据处理系统采集该图像并根据划痕谷底形态，选择图像解算和评定模式，给出测量结果并保存测量结果。

有益效果

本发明可定量测量物体表面划痕的深度，可测量0.002mm的微小损伤深度值，采用非接触测量对被测零件不会产生二次损伤，测量量值可溯源，检测设备体积小，读数方便，操作简单，所采用的球头支撑螺杆适用于多种形状物体表面。本发明适用于大型部件局部损伤的现场检测，为飞机座舱玻璃、航空器蒙皮、发动机管路、冷加工板材、精铸件和动车组主轴等部件表面划痕深度的检测提供了一种便携式的现场检测方法。

附图说明

图1为本发明检测设备采用目镜观测系统时的测量原理图；

图2为本发明检测设备工作在目镜观测方式下的实物图；

图2中，1是照明系统，2是目镜观测系统，3是成像系统，4是机械主体件，5是手柄，6是球头支撑螺杆，7是微调手轮；

图3为本发明检测设备工作在目镜观测方式下的测量结果；

图4为本发明检测设备采用CCD观测系统时的测量原理图；

图5为本发明检测设备工作在CCD观测下的实物图；

图5中，1是照明系统，2是CCD观测系统，3是成像系统，4是机械主体件，5是手柄，6是球头支撑螺杆，7是微调手轮，8是数据处理系统；

图6为本发明检测设备工作在CCD观测方式下的测量结果。

具体实施方式

本发明现在已经广泛的应用在国防军工及民用工业的各个领域，成功案例包括，运载火箭对接部件的表面划痕测量、动车及高铁车组的主轴表面划痕测量、军用飞机机身表面划痕测量等。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

该实施例为将本发明的检测设备用于一种军用飞机座舱表面划痕深度检测，工作在目镜观测方式下，其光学测量原理图如图1所示，光源S0置于投影光镜O₀的焦点上，由S₀发出的光，经O₀后得到一束平行光，平行光经过狭缝S，形成一狭窄的平行光束；光束经投射物镜O₁的汇聚，以45°方向投射到零件被测表面上形成光切面；划痕的存在使得零件被测表面上具有微小的峰和谷，波峰在S₁′点产生反射，波谷在S₂′产生反射(其中S₁′点正好是O₁和O₂的共同焦点)，则反射光通过观察物镜O₂后，各自成像在分划板上，S₁′的影像是S₁″，S₂′的影像是S₂″，即在分划板上得到了光切面的放大影像；若S₁″至S₂″之间的距离为N，观察光路系统的放大倍数为V，则S₁′和S₂′两点之间的距离为N/V；而S₁′S₂′即h与波峰、波谷之间的高度N的关系为：

上式中，V为观察光路系统的放大倍数；为工作原理的放大倍数。

本实施例中设备的具体结构如图2所示，包括照明系统1、目镜观测系统2、成像系统3和机械系统；照明系统中的电源采用纽扣电池供电，光源采用发光二极管，实现低耗电、高照明，其用于为检测设备提供测量用光源和测量基线；目镜观测系统2用于观测被测图像，并通过分化板刻线直接读取划痕深度值；机械系统由机械主体件4、微调机构7、手柄5和球头支撑螺杆6组成；机械系统中的微调机构7用于调整测量设备相对被测表面间的距离，使被测图像进入视场，微调手轮7设置在机械主体件4上部；机械系统中的手柄5设置在机械主体件4侧面，用于现场测量时把持测量仪器；机械系统中的球头支撑螺杆6设置在机械主体件4下方，通过调整球头支撑螺杆6的长度，使仪器平稳放置于被测表面；照明系统1、目镜观测系统2和成像系统3通过机械主体件4实现部件连接，完成装置的安装。

测量结果如图3所示，图中纵向刻度表示深度值，最小刻线间隔为0.01mm，短长线间刻线间隔为0.05mm，长线间刻线间隔为0.1mm。中间长刻线为视场中间位置，其上下纵向分别有刻线50个小间隔，10个短长间隔，5个长线间隔，整个视场的深度测量范围是1mm。横向刻度表示宽度值，最小刻线间隔为0.1mm。整个视场的宽度测量范围是2mm。

实施例2

该实施例为降本发明的检测设备用于一种军用飞机蒙皮表面划痕深度检测，工作在在CCD观测方式下，其光学原理图如图4所示，光源S₀置于投影光镜O₀的焦点上，由S₀发出的光，经O₀后得到一束平行光，平行光经过狭缝S，形成一狭窄的平行光束；光束经投射物镜O₁的汇聚，以45°方向投射到零件被测表面上形成光切面；划痕的存在使得零件被测表面上具有微小的峰和谷，波峰在S₁′点产生反射，波谷在S₂′产生反射(其中S₁′点正好是O₁和O₂的共同焦点)，则反射光通过观察物镜O₂后，各自成像在分划板上，S₁′的影像是S₁″，S₂′的影像是S₂″，即在分划板上得到了光切面的放大影像；若S₁″至S₂″之间的距离为N，观察光路系统的放大倍数为V，则S₁′和S₂′两点之间的距离为N/V；而S₁′S₂′即h与波峰、波谷之间的高度N的关系为：

式中，V为观察光路系统的放大倍数；

为工作原理的放大倍数。

通过数据处理系统对测量图像进行实时采集和处理，显示和保存被测划痕图像，经测量软件处理，定量给出划痕深度值。

本实施例中设备的具体结构如图5所示，包括照明系统1、CCD观测系统2、成像系统3和机械系统；照明系统中的电源采用纽扣电池供电，光源采用发光二极管，实现低耗电、高照明，其用于为检测设备提供测量用光源和测量基线；CCD观测系统2是由CCD相机和数据处理系统8组成，通过数据处理系统对测量图像进行实时采集和处理，显示和保存被测划痕图像，经测量软件处理，定量给出划痕深度值；机械系统由机械主体件4、微调机构7、手柄5和球头支撑螺杆6组成；机械系统中的微调机构7用于调整测量设备相对被测表面间的距离，使被测图像进入视场，微调手轮7设置在机械主体件4上部；机械系统中的手柄5设置在机械主体件4侧面，用于现场测量时把持测量仪器；机械系统中的球头支撑螺杆6设置在机械主体件4下方，通过调整球头支撑螺杆6的长度，使仪器平稳放置于被测表面；照明系统1、目镜观测系统2和成像系统3通过机械主体件4实现部件连接，完成装置的安装。

测量结果如图6所示，在图像中最高选择特征点，所求的深度值即为该点与基线的深度差值。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种用于物体表面划痕损伤深度的检测设备，其外部设备为带有划痕损伤的待检测零件，其特征在于，包括照明系统、观测系统、成像系统和机械系统；

照明系统由透镜组、狭缝、发光二级管和电源组成，用于为检测设备提供测量用光源，其中电源为发光二级管提供能量使发光二级光产生光源，该光源经投影形成一束平行光，平行光经过狭缝形成狭窄的平行光束并经透镜组的汇聚，以45°方向投射到待检测零件被测表面上形成光切面；

观测系统用于观测待检测零件表面损伤的形态并进行读数，观测系统可采用两种方式：目镜观测系统或CCD观测系统；

所述观测系统中的目镜观测系统由显微物镜、目镜和分化板组成，零件被测表面上划痕损伤的谷底和上表面的图像，通过显微物镜在分化板上形成了光切面的放大影像，操作者通过目镜观测该放大影像，并通过分化板上的刻度线读取划痕深度值；

所述观测系统中的CCD观测系统由显微物镜、CCD相机和数据处理系统组成，零件被测表面上划痕的谷底和上表面的图像，通过显微物镜并在显微物镜的焦平面上形成了光切面的放大影像，数据处理系统对该放大影像进行实时采集并保存、显示该放大影像，数据处理系统同时对该放大影像的采集结果进行处理，定量给出划痕损伤深度值；

成像系统用于使被测零件上表面与划痕损伤的谷底形态成像于显微物镜焦平面处；

机械系统由机械主体件、微调机构、手柄和球头支撑螺杆组成；

所述机械系统中的机械主体件，用于连接观测系统和照明系统；

所述机械系统中的微调机构用于调整检测设备相对与待检测零件被测的划痕损伤表面间的距离，使被测图像进入观测视场，微调机构采用微调手轮且微调手轮设置在机械主体件上部；

所述机械系统中的手柄设置在机械主体件侧面，用于现场工作时把持检测设备；

所述机械系统中的球头支撑螺杆设置在机械主体件下方，通过调整球头支撑螺杆的长度，使检测设备平稳放置于被测表面。

2.根据权利要求1所述的一种用于物体表面划痕损伤深度的检测设备，其特征在于，所述照明系统中的电源采用纽扣电池供电。

3.根据权利要求1所述的一种用于物体表面损伤深度的检测设备，其特征在于，其工作过程包括检测设备平稳放置、确定测量方向、对待测量图像进行调整和图像采集与定量分析四个步骤，具体为：

1)检测设备平稳放置：根据带检测零件被测划痕损伤表面的实际情况，调整支撑螺杆的长度，使检测设备平稳放置，无晃动，并且使显微物镜下沿离被测表面3mm；

2)确定测量方向：使检测设备的放置方向与划痕方向一致，也即使仪器的观测方向与划痕方向一致；

3)对待测量图像进行调整：调整微调手轮使被测图像进入视场范围并成清晰像；先使明亮光带进入观测视场中部，再移动检测设备，使被测划痕损伤图像进入观测视场，沿划痕方向移动检测设备，可获得划痕不同位置的测量图像，所述明亮光带是狭缝在被测表面所形成的像；

4)图像采集与定量分析，针对观测系统采用的目镜观测系统或CCD观测系统分为两种处理方式：

4.1在采用目镜观测系统时，在确认被测图像后，通过目镜观测被测零件上表面与划痕谷底的间距，对应分化板的刻度数来确定划痕深度值；

4.2在CCD观测系统中，确认被测图像后，由数据处理系统采集该图像并根据划痕谷底形态，选择图像解算和评定模式，给出测量结果并保存测量结果。

Images