布氏硬度压痕计算机测量系统

第五婷婷

摘要：文章从传统布氏硬度检测方法入手，对目前存在的布氏硬度检测方法进行介绍与说明，分析传统方法的弊端，从而引入该行业目前推广的新型检测方法—基于计算机图像识别技术的布氏硬度压痕测量方法，该种新型测量方法能够实现受检产品布氏硬度测量的自动化、高精度、高重复性、可溯源性，达到实用化目的，最终实际应用于质量检验工作。

关键词：布氏硬度 压痕 CCD 计算机测量系统

中图分类号：TG115.51 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0048-01

布氏硬度测量是所有硬度试验中压痕最大的一种试验方法，试验力最大可达3000kgf，压痕不受试样显微组织偏析、晶粒粗大及成分不均匀的影响，能综合反映出材料的硬度性能，能最准确地反映出铸铁、铸钢、锻件等粗大晶粒材料的真实硬度，是一种通用的高精度的硬度试验方法，在冶金、锻造、铸造、未经淬火钢及有色金属等工业领域中广泛应用。

目前国内外布氏硬度测量通常使用的方法有3种：

1 传统方法

通过光学显微镜，人工读数，然后查表或计算得出布氏硬度测试值。目前，国内大约70%-80%还是采用此种比较落后的方法。该方法最大弊端是将个人主观判断误差引入测量结果，因此，不同的操作员对同一压痕会得出不同测量结果，甚至同一操作员对同一压痕多次测量时测量结果也不相同。精度低，重复性差，工作过程检验员易视疲劳，效率低是该种传统方法的缺点。优点是成本低，经济节约，适用于工业现场等要求不高的场合。

2 测深法

随着传感器技术的革新和精度提高，近十年来，率先在国外出现测深法。该方法的原理是通过测量压头压入被测材料的深度，换算面积，从而换算布氏硬度值；或者通过软件拟合经验数据，直接由测量深度与经验数据库比对出布氏硬度值。该方法具有显著优点：快速，直接数显，测试效率极高。但是，同时也存在很大的缺陷：非布氏原理测量，不具备溯源性，测量误差相对较大，这一缺点限制了它的实际应用。因此，该方法只能用于一些要求快速测量，而对精度和溯源性要求不高的场合。在国外大约使用率约3%-8%，在国内不足1%。由于其不具备溯源性，军工、质检、研究院所根本不考虑。该技术大多数为国外企业掌握，产品价格昂贵，也限制了在普通用户中的推广应用。

3 计算机图像分析系统

该方法是随着计算机技术发展而出现的新技术，也是国内外竞相积极投入研发的焦点。它克服了第二种方法不可溯源的本身缺陷，完全按照布氏硬度测量原理进行，可靠性、测量精度、测试效率都得到很大提高和改善。目前，国内也有部分研究和应用，但是仍然存在一些问题：目前国内普遍采用的都是CMOS成像，通过软件放大，然后分析测量，不是真正的按照光学分辨率要求放大，实际分辨率不足则导致测量精度低，重复性差。CMOS成像也比CCD成像模糊，像素清晰度亮度较低；目前的软件系统也稳定性不好，溯源性标定功能差。

也就是说，布氏硬度压痕计算机测量系统已在该技术领域有所发展，但仍然存在一定的缺陷，并且应用范围领域还不够广泛。综上所述，以上3种布氏硬度测量方法均存在一些弊端，随着新技术的出现与发展，为避免以上弊端，在该行业领域已出现了高分辨率、高精度的布氏硬度压痕计算机测量系统，具体计算机系统工作流程为：通过软件编程，实现图像的采集、动态显示、静态抓拍、像素分析、硬度测量、运算、数据库管理、试验报告、压痕图像存档、数据输出等。具体流程图见图1。

该自动测量系统是在原硬件系统的基础上通过计算机编程来搭建软件系统，软件系统主要完成以下功能：

（1）摄像头图像动态输出。打开摄像头，摄像机动态画面可以实时显示在测量界面上，测量者可以根据动态显示画面移动标准块或被测工件，将压痕区域图像清晰地显示在测量系统界面。

（2）摄像头捕获静态显示。系统可以根据测量者的操作，捕获任意时段及任意位置图像，对压痕图像提取效果将静态显示。

（3）像素尺寸标定。像素尺寸标定的目的是获得每个像素的实际物理长度，系统可以自动提取刻线尺的刻度线，根据操作者输入的刻度线间距，系统可自动计算出单位像素实际物理长度。

（4）压痕边缘自动识别。测量过程中，系统自动搜索压痕圆形边缘，并获得压痕的纵向和横向像素宽度。

（5）压痕边缘手动干预。试样表面千差万别，需要人工进行干预，操作者可以用鼠标拖动标尺线，系统会随着操作者的拖动实时同步自动计算压痕直径和硬度值，确保高精度。

（6）测量数据实时计算、显示、管理。无论是标定和还是硬度测量，系统都可根据已有的参数和检测条件计算出相应的结果并显示在指定区域上，测量者可以根据实际的拟合或者检测效果图来判断本次计算结果是否可以作为最终结果的参照，如果不行，可以直接删除本次测量数据，重新进行检测。所有测试结果自动存档，以供随时查阅，甚至可以调出重新测量。

测量软件所具有的功能如图2所示。

因此，通过CCD对压痕系统高分辨率成像，利用计算机程序识别布氏硬度压痕图像的高精度测量系统，能够完成硬度测量与运算，准确、快速、可靠，排除传统方式人眼光学显微镜读数及查表计算带来的疲劳、易错、重复性差的弊端，是国际上布氏硬度测量的最新技术、最高水平和未来的发展必然趋势。

参考文献

[1]GB/T 231.1-2009，金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法[S].中国标准出版社，2010.

[2]GB/T 231.2-2012，金属材料布氏硬度试验第2部分：硬度计的检验与校准[S].中国标准出版社，2013.

[3]GB/T 231.3-2012，金属材料布氏硬度试验第3部分：标准硬度块的标定[S].中国标准出版社，2013.