[发明专利]布氏硬度测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种布氏硬度测量系统及方法，尤其涉及一种利用非接触式的光学三维轮廓扫描技术实现对压痕的非接触式扫描，实时测试压痕直径和深度，从而得到布氏硬度的系统及方法。

背景技术

布氏硬度的试验原理是用一定大小的试验力F(N)(力的单位通常为kgf)，把直径为D(mm)的硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，测量出压痕平均直径d(mm)，根据压痕平均直径d(mm)计算出所需的深度h(mm)，然后按公式(1)计算出布氏硬度HB值；或者根据压痕平均直径d(mm)从布氏硬度表中查出布氏硬度HB值。

布氏硬度值HB是试验力除以球形压痕表面积所得的商再乘以0.102即：

式中：F-试验力，N；

S-压痕面积，mm²；

h-压痕深度，mm。

在实际试验时，由于压痕深度h测量比较困难，而测量压痕直径d比较方便，因此将上式中的h换算成d的关系。如图1为压痕直径d与深度h的关系图，从图中直角三角形OAB可以看出：

将(2)式带入(1)式得：

式(3)中只有d是变量，试验时只要测量出压痕直径d，可通过计算或查布氏硬度数值表即可得出布氏硬度HB值。

由此可见，布氏硬度压痕的测量是以长度测量间接得到布氏硬度数值。目前较常见的测量方法有以下几种：

工具显微镜法：此方法测量压痕非常准确，但测量设备庞大，操作复杂，测量压痕直径值后查表才可得出布氏硬度值，材料的表面质量对压痕直径的选择会产生一定的人为误差，工作效率低，无法实现现场、高速、高效测量。

读数显微镜法：此方法测量设备简单，操作便捷，但测量结果会受到被测材料表面质量、现场光源、测试者个人选择直径及个人视角等因素影响，同样也不能直接得出布氏硬度值(需查表求得)，无法实现准确、高速测量。

早期数码成像测量方法：可直接读出压痕测量的布氏硬度值，但同样受到被测材料表面质量差异，光源条件、压痕直径选取、成像速度慢，设备体积大等条件限制，无法完全实现准确、高效、高速测量。

发明内容

为了克服上述测量方法易引入人为误差、工作效率低、可靠性低等问题，本发明提供一种布氏硬度测量系统及采用该系统测量布氏硬度压痕的方法，采用布氏硬度测量系统测量布氏硬度压痕的方法测量结果准确、操作简便、工作效率高、人为误差小、可靠性高。

本发明的技术方案是提供一种布氏硬度测量系统，其特殊之处在于：包括光学扫描单元、图像处理单元、数据处理单元与结果显示单元；上述光学扫描单元包括光刀投影模块、显微成像模块与图像采集模块，上述光刀投影模块生成标准线光源用于扫描压痕；上述显微成像模块主要用于对扫描压痕的光刀图像信号实时采集；上述图像采集模块主要用于把实时采集的图像信号转化成计算机能够处理的数字图像；上述图像处理单元用于处理数字图像数据得到压痕的深度及直径；上述数据处理单元用于对图像处理单元得到的压痕的深度及直径的数据进行验证；上述结果显示单元用于显示硬度值，同时显示压痕的深度及直径数据。

本发明还提供一种基于上述布氏硬度测量系统测试布氏硬度的方法，包括以下步骤：

一、参数设置

设定压痕参数及光刀(标准线光源)参数，所述压痕参数包括压头直径及试验力值；

二、压痕瞄准

将压痕平面放置于光学扫描单元中光刀投影模块的光刀扫描测量区域；

三、光刀扫描成像，重建三维形貌

1)启动光学扫描单元中的光刀投影模块，光刀投影模块生成的标准线光源扫描压痕，调整光刀投影模块，确保光刀投影模块的扫描光刀投影即标准线光源能够扫描过压痕；

2)启动显微成像模块，显微成像模块实时采集光刀投影模块扫描压痕的整个扫描过程中的压痕扫描图像信号；

3)图像采集模块把实时采集的带有压痕表面信息的线光源构成的压痕扫描图像信号转化成数字图像；

4)图像处理单元结合光刀参数与压痕的数字图像，重建压痕三维形貌；

四、根据压痕深度得到布氏硬度值

1)图像处理单元根据压痕三维形貌计算压痕的深度及压痕直径；

2)数据处理单元将压痕深度及直径测量值转化为布氏硬度值并通过结果显示单元显示。

优选地，上述步骤三中4)具体为：