CN1651905A - 钢中非金属夹杂物定量分析方法 - Google Patents

Abstract

一种钢中非金属夹杂物定量分析的方法，属材料物理性质检测技术领域。所提供的钢中非金属夹杂物定量分析方法克服了现有夹杂物分析方法中存在的缺陷。将金相显微镜、自动载物台与摄像机、计算机连接，由摄像机从金相显微镜中采集夹杂物图像送入计算机进行图像处理，实现对夹杂物的识别以及参数测量，将测量结果用定量模型计算或与标准图谱对比分析，给出定量评定结果。步骤为：a.系统进行初始化设定和校准；b.自动扫描采集图像；c.夹杂物自动提取；d.自动图象分析；e.生成报告；f.文件存储、打印。实现了钢中非金属夹杂物金相图象的全自动扫描聚焦采集；大大提高了夹杂物分析的精度和效率；可实现多国标准评定结果的相互转换。

Description

钢中非金属夹杂物定量分析方法

技术领域

本发明涉及一种钢中非金属夹杂物定量分析的方法，属材料物理性质检测技术领域。

背景技术

夹杂物含量是钢洁净度的标志，钢中夹杂物的数量、尺寸、类型、分布显著影响钢的性能。故钢中非金属夹杂物的定量检测对机械、汽车、航空航天等诸多行业用钢有着至关重要的作用。

已经报道的直接检测夹杂物的方法大致有金相法、电解法和光谱分析法三种：光谱分析法是用火花光谱仪来实现的，给出的结果可以提供钢中夹杂物的数量和类型信息，但目前技术还不够成熟，未达到实际应用的程度；电解法是通过电解，使夹杂物与钢分离，然后经过滤提取、称量以及粒度、化学组成分析，给出钢中夹杂物类型、含量和粒度分布信息。电解法所用试样较大，一般几千克到十几千克，分析结果为试样中夹杂物的平均含量。此法操作步骤繁琐，一组试样的分析过程耗时长达20天以上，过滤提取时对显微夹杂不可避免会有遗漏，并且无法给出夹杂物在钢中的分布信息，多用于冶金过程宏观夹杂物的研究。目前检测钢材中的夹杂物国内国际普遍采用的是金相法，它是通过金相显微镜，直接观察抛光的样品表面，对比标准图谱进行夹杂物评定的一种方法。其优点是：可以直观地检测出夹杂物的尺寸、类型和数量等特性，适当的取样可以得到夹杂物在钢材中的分布信息，还可以观察到极细小的夹杂物。金相法的缺点：一是手工操作，劳动强度大、工作效率低。二是长时间观测显微镜，眼睛容易疲劳，也容易导入观测误差。并且分析结果受操作者的学识、经验以及心理状态等因素影响，难以做到真正标准化和定量化。三是金相法借助显微镜在放大到百倍以上观察，单个视场面积小，对分布不均匀的较大夹杂物，测得夹杂物的特性结果在很大程度上有偶然性，在某些应用中会夸大细小夹杂物的危害。

随着计算机技术的发展，开发了夹杂物的图象分析方法。该方法的分析步骤是：采集若干幅夹杂物的金相模拟图象，经数字转换后输入计算机，由计算机进行测量和分析给出夹杂物的评定结果。该方法避免了人为的测量误差。但主要问题是能够一次处理的视场图象数量较少，且无法实现连续无遣漏自动采集视场图象，上述金相法的缺点未能有效克服。同时对夹杂物的定量仅限于按“GB10561-1989钢中非金属含量的测定-标准评级图显微检验法”评定级别，分析结果较单一。

非金属夹杂物在钢中的分布往往是不均匀的，夹杂物对钢性能的影响也表现在夹杂物的数量、尺寸、类型、分布等多个方面，关系错综复杂，当今主要工业国家的评价方法标准也存在较大的区别，试图用对少量视场的测定和一个统一的定义来描述钢中夹杂物的含量，满足夹杂物的冶金材料学研究以及钢材质量评价的需要是困难的和不切实际的。本发明提出了一种可实现自动扫描采集图像、给出基于大量视场统计和多个国家标准测量分析的、采用显微检验法评定钢中非金属夹杂物含量的自动图像分析方法，以满足冶金材料研究和机械、汽车结构用钢检测的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有夹杂物分析方法中存在的缺陷而提供一种钢中非金属夹杂物自动定量分析方法。

解决上述技术问题的方案是：

本发明的基本原理是将光学图象数字化，利用计算手段得到更复杂、更精确的分析结果。它把定量金相分析与自动控制、图象处理技术融合到一起，形成自动图象分析技术。

一种钢中非金属夹杂物定量分析方法，它将金相显微镜、自动载物台与摄像机、计算机连接，由摄像机从金相显微镜中采集夹杂物图像送入计算机进行图像处理，实现对夹杂物的识别以及参数测量，将测量结果用定量模型计算或与标准图谱对比分析，给出定量评定结果，其过程按以下步骤进行：

a.系统进行初始化设定和校准：包括初始化参数的设定、系统标尺及放大倍数的设定以及自动载物台的测试；

b.自动扫描采集图像：由计算机控制载物台在X-Y轴方向上按预设条件扫描样品表面，连续无遗漏地自动依次扫描视场，并按逻辑顺序控制显微镜在Z轴方向上的移动，实现自动聚焦，采集视场图像；

c.夹杂物自动提取：对采集的图象进行亮度、色度、饱和度以及对比度的漏节和消除图象阴影的均光校正，然后采用灰度阈值分割法和聚类技术，根据对象边界的空间及亮度的连续性获得物体分类，进行各种结构状态钢中夹杂物的自动识别；

d.自动图象分析：调取计算机中存储的数字化标准图谱和面积百分含量、当量面密度等定量模型，分析分割图象的定量参数，给出长、宽、面积、个数的测量结果，依据测量结果进行统计计算，给出定量评定结果；

e.生成报告：根据用户要求生成基于各国标准的评定报告，或不同的定量结果，也可将原始测量结果转到EXCEL下处理；

f.文件存储、打印。采集的图像组以*.fov格式存储，单个图像也可以用*.bmp文件格式存储，两种格式的文件在操作界面可以任意导入和导出，生成的报告则以word或excel格式保存。

上述钢中非金属夹杂物定量分析方法，所述系统初始化参数为索引个数、索引容量、摄像头类型和载物台类型；所述系统标尺及放大倍数的设定为标定数字图象每象素的真实大小；所述自动载物台的测试为，载物台的行走是否与摄像头采集芯片阵列平行，并计算载物台步进电机步数与采集图象的象素间比例关系，求得等效步数，把等效步数填入三轴自动采集的设置对话框中，完成系统设定校准。

上述钢中非金属夹杂物定量分析方法，所述计算载物台步进精度以及平行误差采用图像匹配技术进行校准，回程误差通过冗余行走来消除。

上述钢中非金属夹杂物定量分析方法，所述图象采集可采用扩展图象采集，所述扩展图象采集采用自动载物台控制，进行自动聚焦、景深扩展采集、或扩展视野的图象拼接采集，以及自动行走的扫描采集。

本发明具有以下优点：

1.实现了钢中非金属夹杂物金相图象的全自动扫描聚焦集采集，提供了大面积扫描样品的可能；

2.通过自动测量直接给出各种结构状态钢材的钢中夹杂物的面积百分含量、当量面密度、尺寸分布等洁净度评定指标，大大提高了夹杂物分析的精度和效率；

3.采用多国标准集成化设计，解决了钢中非金属夹杂物各国标准评定结果无可比性的技术难题，实现了钢中非金属夹杂物多国标准评定结果的相互转换。

附图说明

图1是本发明的操作流程图；

图2是本发明所用装置的电原理框图；

图3是本发明所用装置组成简图；

图4是本发明所用装置的电原理图。

具体实施方式

本发明所用装置包括计算机1、电机控制器2、显微镜自动载物台3、数字摄像头4等部件、显微镜5、显微镜调焦接口8、(调焦)步进电机9、X轴步进电机10、Y轴步进电机11。

具体实施方式

本发明采取了如下技术内容：

1.使用图像缝合和多视场(可多于60个)统计技术；

2.为确保连续采集图象要使用自动载物台，并通过软件控制自动载物台行走；

3.在软件中直接给出不同定义的夹杂物含量定量结果，同时提供丰富的夹杂物参数统计数据；

4.软件中包含多国夹杂物评定标准，各国标准评定结果可以相互转换。

本发明采用的定量分析步骤分为：系统进行初始化设定和校准、自动扫描、图象采集、夹杂物提取、图象分析、生成报告和文件存储，下面分别说明。

系统进行初始化设定和校准：包括初始化参数的设定、系统标尺及放大倍数的设定以及自动载物台的测试。系统初始化参数是在图象分析仪开始运行前要初始化的参数，包括索引个数、索引容量、摄像头类型和载物台类型。系统标尺的作用是标定数字图象每象素的真实大小，用于图象的定量测量。自动载物台测试的作用是测试载物台的行走是否与摄像头采集芯片的阵列平行，并计算载物台步进电机步数与采集图象的象素的比例关系，得到等效步数，把等效步数填入到三轴自动采集的设置对话框中，以上工作完毕后，系统设定校准完成。

上述方案中多视场扫描和自动聚焦是核心部分，它要求对整个检验面进行不遗漏、不重叠的自动扫描，并能对每一视场自动聚焦获取清晰的金相图象。

这就要求本发明的装置必须达到：

①对齐。显微镜的摄像头接口必须保持安置其上的传感器与显微镜的光轴垂直，传感器的边缘必须与自动载物台的行进方向平行，或通过精密调谐用软件校正。

解决的方法是：对齐中的传感器与显微镜光轴垂直的要求需要由硬件的精度来保证，而平行性要求可以通过调节接口角度来实现。实际中，要想达到完全的平行是不可能的，一是角度调整为0度角很难，二是在载物台运行过程中会产生平行误差，因此，在软件设计中要对平行性误差有一定的包容性，可以检测一定范围内的误差，从而在图象匹配中进行调节。

②行走策略。无论加工精度如何高，所有自动载物台都是有一定误差的，这包括步进误差、平行误差和回程误差等，可根据相应硬件提供的误差范围利用第一点中阐述的对齐方法，在软件中对其进行容错性计算，消除步进误差和平行误差影响。对于回程误差，这是自动载物台机械结构固有的误差，它是由载物台的丝杠传动结构的空隙产生的，如果使用在自动扫描中，就会产生行与行间的错位现象，因此如何消除回程误差的影响也是很重要的一点，可通过冗余行走，完全消除回程误差。由软件逻辑使市售载物台步进精度达到1微米，绝对定位精度达到3微米，满足当前应用需要。具体行走方式是，在开始扫描前，先沿反方向运行，并返回起始点，消除前端的空程，然后开始行走，在每行扫描完毕后返回行首，并再次反向运行，使空程提前，消除回程误差。

③图象匹配。图像匹配是指通过计算两幅图像间的相似度或其距离测度，以达到图像识别或图像定位目的的过程。随着数字信号处理技术的发展，图像匹配已成为现代数字图象处理领域的一项重要技术。在这里我们运用图象匹配技术于图象的定位测量，用于校准载物台的步进精度以及平行误差。载物台在运行过程中产生的误差可以通过图象匹配进行校准，以改善载物台的运行精度。图象匹配成功可以准确的计算出载物台运行过程中的平行误差和步进误差，进而消除其影响，并有效控制载物台的运行过程，并且通过图象匹配可以获得视场大小与控制命令之间的精确关系，从而进行精确的位置行走控制。

在图象匹配时，我们使用微分图象进行子区域匹配，可是由于不完美的图象采集条件，图象重合性判断是不可靠的，基于最大灰度互相关的匹配算法由于具有较强的抗干扰能力，能有效的解决这个问题。

④自动聚焦。可通过计算被观察视场的光学图像的特征，估计焦平面可能的位置。首先要有一个函数可以根据图象信息计算出焦平面的位置，选用点扩散方程

                           h(x，y)＝k2hn(kx，ky)

点扩散方程适用于散焦而不散光的图象系统，其中hn(x，y)是系统的相关方程，k是比例系数，与散焦程度成正比，整个表达式是一个自相似的方程。从计算结果可以看出，当用于预测的图象距离焦平面小于0.2mm时，本算法很好的估计出焦平面的位置，随着距离的增大，误差也变大。我们采用三点线性预测法完整地解决了自动聚焦的鲁棒性难题。我们等焦距采集3幅任意图象，从其微分直接计算可靠的试探区间，在此区间内再采集任意图象，即可准确定出焦平面。

在用计算机作数字图像采集时，可充分利用计算机处理数字信号的高速度和灵活性，随着计算机硬件和数字图像技术的飞速发展，图像的实时处理已成为可能。计算机通过镜头和CCD采集到的一系列数字图像，估算焦距位置，并控制物镜移动到合适位置。

这种方法的优点是：第一，调焦更加智能化，聚焦判据更加灵活和多样。基于模拟图像的聚焦检测方法只利用被测物和背景之间的对比度(轮廓边缘的梯度)作为判断是否成像清晰的判据。而通过数字图像处理，不仅可以利用梯度信息，还可以提取图像中各种其它的有效信息进行判断，例如频率、相位等。对于具高频信息的图像，一般而言，对焦越准确，图像信号的频率越高，边缘越尖锐；离焦时则频率降低，边缘相对平滑。此外，由于计算机处理图像的灵活性，可以针对不同的使用要求，选择不同的判据进行调焦。例如，若仅关注的目标只是图像中的某一个局部，而不是整幅图像的清晰度，这时应针对这一局部进行处理和提取判据，用该局部的对比度(边缘梯度)作为调焦的依据。

第二，利用计算机可很方便地对运行执行机构进行控制，从而避开复杂的调焦电路和机构。计算机接口和总线技术已经非常成熟，通过软件给出控制信号，直接控制电机驱动物镜的运行，不仅灵活方便，响应速度符合调焦要求，还能大大简化电路和运动机构。

焦平面确定由图象采集模块完成：计算机接受到电机控制完成反馈信号后，控制摄像头采集显微镜中的显微图象，并传输到计算机中；计算机是运行自动聚焦软件的平台，由计算机控制摄像头采集视场，控制显微镜调焦动作，通过采集不同焦距的图象，根据不同位置的视场图象特征计算显微镜焦平面位置，移动载物台到焦平面位置，实现聚焦。

自动扫描和聚焦过程可参看图1、图2，从图中可以看到，显微镜自动载物台3与电机控制器2连接。电机控制器2采用WJY-1型多轴控制器，它包含通讯模板2-1、输出模板2-2、输入模板2-3。输出模板2-2的输出端口X1、X2、Y1、Y2连接到步进电机10、11上，显微镜自动载物台3的移动由分别由X轴步进电机10和Y轴步进电机11带动，使显微镜自动载物台3丝杠沿X或Y方向行进。输入模板2-3的输入端口X1、X2、Y1、Y2端连接控制键K1、K2，由它输入手动控制信号。通讯模板2-1采用串行通信端口，它连接到计算机1的串口，数字摄像头4连接到显微镜的摄像接口上，通过数据线连接到计算机1插槽中的图像采集卡，计算机1是控制数字摄像头4、图像采集卡、并运行自动扫描软件的平台。

显微镜调焦接口8连接步进电机9，电机控制器2输出模板2-2的输出端口Z1、Z2连接到步进电机9上，输入模板2-3的输入端口Z1、Z2端连接一个控制键K3，由它输入点动控制信号，完成手动控制。调焦时，由步进电机9带动显微镜的调焦旋钮转动，调节焦距。电机控制器2控制步进电机9的正反转，调整转速等。

电机控制器2的功能是控制电机的转向、电机转速等，其控制过程如下：

自动控制模式：由电机控制器2的串行通信端口连接到计算机1的串口，计算机1发出控制指令，通过串口传输给电机控制器2，电机控制器2通过它的控制电路把计算机1指令转换为电机控制信号，由输出端口送至步进电机9、10、11上，步进电机按指令运行，控制完成发送反馈信号到计算机1。

手动控制模式：它可以手动发送控制指令给电机控制器2，由电机控制器2控制步进电机正反向运转。

计算机1是运行自动扫描控制软件的平台，用于计算一个视场范围的等效步长，它控制摄像头采集视场，控制自动载物台动作，根据不同位置的视场图像特征计算相邻两个视场的重叠区域，计算出一个视场大小所对应的控制电机的控制指令(步进电机的步数)，保存按视场位移的电机指令参数，进行扫描时自动使用表示视场大小的电机指令。调焦控制过程与扫描过程基本相同，不再赘述。

本发明采用的其它部件型号为：步进电机-STONE 28BYG25B型；数字摄像头-PL-661A型数字CCD摄像机，1394火线接口；计算机—通用PC机。

图象分析：

应用图象分析仪进行非金属夹杂物定量测量，是依靠图象分析系统的分割和测量技术实现的。Sisc IAS图象分析仪具有独特高效的聚类技术，对二值图像一遍扫描即可得出所有连接形式的对象分类。Sisc IAS提供两种分割方式：SGICT(Simultaneous Global-Incremental ConfinedThresholding)和ODCB(Object Defining through Continued Boundary)。前者本质上是灰度阈值分割，但是由于上述聚类技术，整个图像的灰度阈值划分和局部图像自适应修正得以同时进行，并且随时更新对象编码。后一种分割方式显式地数量化地利用对象边界的空间和亮度的连续性获得物体分类，应用于复杂图像的分割。

非金属夹杂物在显微图象中表现为较暗的条状物或粒状物，使用基本的灰度阈值分割即可得到很好的分割效果，对于不同类型的目标使用不同的掩模，可以直观的把不同夹杂区分开，另外在测量计算时也可以区分开不同的夹杂物类型，分别计算。在非金属夹杂物的测量中，有两个不同的方面，一个是所有夹杂物的单颗粒几何参数测量，用于进行夹杂物的总体统计；一个是根据不同的检验标准进行的特定参数测量，用于相应标准的分类评级。对于夹杂物的个体几何参数测量，我们主要考虑了包括长、宽、面积、等积圆直径等常用参数，并将这些基本参数转化成各种夹杂物数量和分布信息，用于不同应用场合的洁净度评价。

另外，对于与检测标准相对应的非金属夹杂物的参数测量，我们要参照相应的金相检验标准进行，对于不同的标准有不同的测量要求，要根据不同的测量要求，选择不同的测量方法，进行相应的测量。在各种检验标准中，我们选择了GB(国家标准)、ASTM(美国标准)、JIS(日本标准)、DIN(德国标准)和ISO(国际标准)等金相测量标准，这主要是为了适应当前的发展趋向，因为这些代表了当今世界夹杂物检验标准的最高水平，采用相应标准有利于提高企业的技术和产品质量水平，使产品更具有国际竞争力。同时，把这几种检验标准方法综合到一起，有利于分析比较，实现各国标准评定结果间的相互转换，解决了钢材检测中夹杂物检测项目无国际间通用方法带来的困难。

下面分别针对各不同检验标准，说明其测量内容：

1.日本标准JIS G0555，要测量的参数是面积，再求出面积百分比。前面已经说明，面积的计算就是其象素数乘以每象素代表的面积的比例系数即可，而计算面积百分比，又可把比例系数抵消，因此，只需要计算出分割对象的象素数与视场图象的总象素数比值即可。

2.国家标准GB10561，要测量每一类夹杂物的总长度、平均宽度以及每类夹杂物的个体数量，作为评级的依据。

3.美国标准ASTM E45，测量项目与国家标准相同，但其评级的参数分段有所不同。

4.国际标准ISO4967，测量项目与国家标准相同，评级的参数分段不同。

5.德国标准DIN50602，测量项目与国家标准相同，然后使用这些参数求出夹杂物的尺寸系数，用于最后计算特征值。

由上面的说明中可以看出，除了日本标准稍有不同之外，其它标准的测量项目基本完全一致，只是最后评定的时候所使用的阈值不同，因此在进行参数测量过程中可以使用相同的算法实现。

为了进行图象的测量工作，要对采集到的数字图象的放大比例进行标定，由于数字图象的离散化过程是在X、Y方向分别进行的，因此对一个确定的图象采集系统要使用一个带有刻度的标尺放置在系统的目标位置，并使标尺处于X方向和Y方向分别进行图象采集，然后根据标尺中刻度的数值以及相应方向上与其长度对应的象素的数量，可以计算出该方向上每象素代表的实际长度。再进行测量时，只要对该方向的计量值乘以放大比例系数，即可得到真实的参数值。

在人工检验中，一般要对试样的摆放方向做出规定，一般是要求使夹杂物的延展方向沿竖直方向摆放，其主要目的是使之与标准图谱相一致，这样便于比较评级。在图象分析仪对夹杂物的自动测量中，我们同样规定了要把夹杂物竖直摆放的要求，以降低算法复杂度。

钢中非金属夹杂物数字图像自动分析技术开发，不仅大大提高了分析检测工作的效率，而且更大程度上提高了检验结果的精度，适应了不同目的对夹杂物检测的个性化要求，满足了钢铁材料和冶金工艺研究的需要，有利于企业研发自主核心技术。同时该技术突破了世界各国关于钢中非金属夹杂物显微评定方法标准之间无可比性的技术难题，实现了各标准间方便地选用和互换。有利于促进国际交流，推动企业科技进步。

Claims (4)

1.一种钢中非金属夹杂物定量分析方法，其特征在于，它将金相显微镜、自动载物台与摄像机、计算机连接，由摄像机从金相显微镜中采集夹杂物图像送入计算机进行图像处理，实现对夹杂物的识别以及参数测量，将测量结果用定量模型计算或与标准图谱对比分析，给出定量评定结果，其过程按以下步骤进行：

a.系统进行初始化设定和校准：包括初始化参数的设定、系统标尺及放大倍数的设定以及自动载物台的测试；

b.自动扫描采集图像：由计算机控制载物台在X-Y轴方向上按预设条件扫描样品表面，连续无遗漏地自动依次扫描视场，并按逻辑顺序控制显微镜在Z轴方向上的移动，实现自动聚焦，采集视场图像；

c.夹杂物自动提取：对采集的图象进行亮度、色度、饱和度以及对比度的调节和消除图象阴影的均光校正，然后采用灰度阈值分割法和聚类技术，根据对象边界的空间及亮度的连续性获得物体分类，进行各种结构状态钢中夹杂物的自动识别；

d.自动图象分析：调取计算机中存储的数字化标准图谱和面积百分含量、当量面密度等定量模型，分析分割图像的定量参数，给出长、宽、面积、个数的测量结果，依据测量结果进行统计计算，给出定量评定结果；

e.生成报告：根据用户要求生成基于各国标准的评定报告，或不同的定量结果，也可将原始测量结果转到EXCEL下处理；

f.文件存储、打印。

2.根据权利要求1所述之钢中非金属夹杂物定量分析方法，其特征在于，所述系统初始化参数为索引个数、索引容量、摄像头类型和载物台类型；所述系统标尺及放大倍数的设定为标定数字图象每象素的真实大小；所述自动载物台的测试为，载物台的行走是否与摄像头采集芯片阵列平行，并计算载物台步进电机步数与采集图像的象素间比例关系，求得等效步数，把等效步数填入三轴自动采集的设置对话框中，完成系统设定校准。

3.根据权利要求2所述之钢中非金属夹杂物定量分析方法，其特征在于，所述计算载物台步进精度以及平行误差采用图像匹配技术进行校准，回程误差则通过冗余行走来消除。

4.根据权利要求1、2或3所述之钢中非金属夹杂物定量分析方法，其特征在于，所述图象采集可采用扩展图象采集，所述扩展图象采集采用自动载物台控制，进行自动聚焦、景深扩展采集、或扩展视野的图象拼接采集，以及自动行走的扫描采集。

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