显微硬度计计算机测控系统

1、一种显微硬度计计算机测控系统，它是由显微硬度计、计算机视频采集 卡、I/O控制卡和计算机构成，显微硬度计的照相摄像接口上接装CCD摄像头， 其特征在于：摄像头的视频输出通过视频信号线接到计算机视频采集卡的输入端 口，该视频采集卡插接在计算机的PCI插槽上；它还配有一样品自动台，计算机 控制输出端经PCI插槽上的1/O卡连接到用以驱动样品自动台工作的控制箱。
2、根据权利要求1所述的显微硬度计计算机测控系统，其特征在于：所述 的样品自动台由X-Y两方向电机驱动的上、中层移动金属台及下层定位金属台 构成，各金属台面间有供两台面相互移动的导轨，上与中层台面间的导轨和中与 下层台面间的导轨设置方向相互垂直，各台面之间设置供回位的弹簧，各台面侧 面的适当位置处设限位开关。

技术领域\n本发明属于工业自动控制中的分析测试仪器，尤其涉及一种显微硬度计计算机测 控系统。\n背景技术\n维氏硬度试验是利用面交角度136的正四棱锥金刚石压头，加上一定的试验 载荷，在试样表面形成压痕，利用压痕对角线长度计算压痕的面积，再用下列公式 计算硬度值：\nHV＝0.102F/S＝0.102(2FSinθ/2)/d2＝0.189F/d2\n这里，HV：维氏硬度\nF：测试载荷(N)\nS：压痕的表面积(mm2)\nd：压痕的平均对角线长度(mm)\nθ：金刚石四棱锥压头的平面交角(  )\n注：如果试验力的单位是Kgf，维氏硬度以下列公式计算\nHV＝1.854F/S\n显微维氏硬度则是指试验采用微小载荷并通过显微镜观察测量的材料硬度，其 适用于细小、极薄的材料样品，以及氮化、渗碳、喷涂表面处理的试件和各种镀层 的表面硬度测试。维氏硬度不受试验力大小的影响，对任一均质材料，不同载荷测 量出的硬度值基本相同。因此，显微维氏试验在材料科学研究领域及机械电子工业 中零件产品质量测试控制方面有广泛的用途。但是，显微维氏硬度较之其它硬度试 验工作效率低，需人工手动操作，普通显微维氏硬度计目测镜筒15毫米，操作千 分尺的游丝测量10～40微米的压痕对角线长度，目测误差大，眼睛容易疲劳，且 观察测量的结果需人工计算。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种测量准确、测量精度、效率及稳定性高的显微硬度计 计算机测控系统。\n为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种显微硬度计计算机测控系统， 它是由显微硬度计、样品自动台、计算机视频采集卡、I/O控制卡和计算机构成， 在显微硬度计的照相或摄像接口上接装CCD摄像头，摄像头的视频输出通过视频 信号线接到计算机视频采集卡的输入端口，该视频采集卡插接在计算机的PCI插 槽上，计算机控制输出通过PCI插槽上的1/O卡到用以驱动样品自动台工作的控 制箱。\n本发明的优点是：\n1、省时、省力，可以替代传统目测显微观察测量、人工计算和手动操作 硬度计的工作，达到快速准确测量，降低劳动强度。\n2、由于图像经过传送放大，测试人员更容易看清样品压痕的边界，因而 图像测量精度显著提高，且由计算机实施测控，效率极高。\n3、测试用样品台采用精密移动装置，行进平稳，走位准确，因而保证了 测试的精确性。\n附图说明\n图1为本发明构成结构示意图\n图2为本发明样品自动台结构示意图\n图3为本发明样品自动台结构分解示意图\n图4为样品自动台导轨内置的滚珠滑板结构示意图\n图5为计算机控制开入信号端口电路图\n图6为计算机控制开出信号端口电路图\n图7为计算机控制系统程序框图\n具体实施方式\n如图1所示，本发明显微硬度计计算机测控系统主要由显微硬度计4、CCD 摄像头2、自动样品台1及控制箱3、视频采集卡(图象卡)5、计算机控制I/O 板6、计算机7、打印机8组成。\n所述的显微硬度计可采用现有的显微硬度测试装置，如HT-100型号的显微硬 度计，其功能和目的是向实验样品施加载荷，通过镜头观察样品上的压痕，因此显 微硬度计主体结构主要有放置样品平台(即自动样品台)、施加载荷的压头和砝码、 观察压痕的光学镜头。\n显微硬度计的常规测量通常都有用于观察和测量的目镜。硬度计内光学系统将 样品形貌和压痕传送给观察和测试的目镜，并且通过一组棱镜可将此图像传送到照 相或摄像口。\n在显微硬度计的照相和摄像接口上接装CCD摄像头，根据需要可以接装多种型 号的摄像头。分辨率越高，则计算机采到的图像越清晰。选取300线以上摄像头就 可以取得较好效果。\n所述的自动样品台采用了特制的X-Y自动样品台，其结构参照图2、图3所 示，所述的X-Y自动样品台1由上、中层移动金属台101′、102′及下层定位金属 台103′构成，各金属台面由相互接触滑动一端面形成有供上、下两台面相互移动 的V形导轨2′，该V形导轨可使上、下两台面相互滑动接触面最小，保证滑动所 受摩擦力较小，利于平稳滑动；上与中层台面间的导轨和中与下层台面间的导轨设 置方向相互垂直。由示意图可见，金属台101′与金属台102′可沿着导轨在Y方向 相对移动，金属台102′与金属台103′在X方向相对移动。各上下台面之间设置供 回位的二弹簧4′、5′，以保证样品台在移动范围内受一定拉力，减小进回程误差， 保持运行平稳，其设置位置可根据需要设在上下两台面间的适当位置处(图3中所 示位置只是示意，不受此限定)。样品台的推动是由步进电机和丝杆完成的，各台 面侧面的适当位置处设限位开关6′，当移动位移超出样品台的行程时，限位开关 切断步进电机驱动模块主电源，可有效保护步进电机不过载。\n如图4所示，各金属台面间V型导轨间置有滚珠滑板3′，它是在一适于安置 V型导轨内的滑板上开设一排孔301′，孔中安置滚珠302′，这样，滚珠依靠滑板 定位，可克服现有技术(单一的一排滚珠，滚动时相互间易发生卡塞)中的缺陷， 上、下两台面依靠滚珠滑动，降低各滑动面的摩擦力，保证了样品台移动平稳。\nX-Y两方向电机受控于控制箱3，计算机发送指令通过PCI插槽上的1/O卡 到样品自动台控制箱，控制箱内安装两个功率放大模块，将OV，SV的计算机信号 放大到可驱动步进电机的OV，SV脉冲信号。放大模块是市场销售标准产品。\n所述的CCD摄像头一路输出可接录像机，CCD摄像头传送出VIDEO视频信 号，可被录像机录制。\n本系统视频采集卡采用普通视频图像采集卡，图像实时显示的在设定大小的窗 口中，通过软件可以完成图像抓取和回放，色彩、亮度、对比度、色饱和度可以由 软件调节。\n光学像通过CCD摄像头和普通计算机视频采集卡(图像卡)传送到计算机。\n计算机通过软件可以显示图像，根据试验要求发送指令，对试验结果进行计算、 判断，对数据进行处理和统计分析，实验结果可以存储和打印。\n计算机实施控制如下：\n计算机控制通过计算机I/O板输入、输出通道完成。选用标准型号24路输入 和24路输出I/O板，每路通道光隔离。\n显微硬度计在工作时，通过接口发出一组TTL高电平，通过I/O板的开入信号 操作，来判定显微硬度计工作与否。当显微硬度计在工作时，计算机通过程序来锁 定步进电机，使样品台不能移动，这样可以有效保护显微硬度计的压头在压下时， 不会因误操作而移动样品台，致使压头损伤。\n开入信号是以CPU巡检方式工作的，其工作线路参见图5：外部信号经过R*， R分压后输入光耦器，电流通过发光二极管使三极管导通，通过八D锁存器读入计 算机数据线。一组开入信号对应着一个八D锁存器，每路开入信号对应着一位数据 线，即CPU从I/O口读到一个数据。CPU通过直接读取I/O的数据，判断输入信号 的状态。\n显微硬度计的操作可以通过计算机发出启动信号，使显微硬度计开始工作，计 算机通过I/O板的输出口向外部发送开出信号，第二路开出信号控制步进电机驱动 模块上的电源控制继电器。在样品自动台停止时，随时通过固体继电器断开驱动模 块上的主电源。第三路和第四路开出信号分别作为脉冲信号发送给X-Y两步进电机 的驱动模块。本方案中选用42BYG系列步进电机一般采用脉冲频率500-2000HZ。 而MS-4202开关量I/O接口板各通道数据输入，输出响应在微秒数量级，即可以 通过程序使端口的信号发送频率达到105HZ，经过适当时间延迟，软件可以实现500 -2000HZ的端口信号发送频率。第五路和第六路开出信号分别作为开关量发送给 X-Y两步进电机驱动模块正反向控制信号。\nMS-4202开关量I/O接口板，其开出信号为24路，端口电路如图6：计算机 送“0”达林顿管导通，计算机送“1”达林顿管截止。开出信号均带锁存。开出信 号状态均由主机读取。主机对一个地址执行一次操作，就送出了一组8路信号。开 出信号的状态锁存到下一次的写操作的执行，主机可以随时执行读操作，以得到开 关量此时的输出信号的状态。\n图8是计算机控制系统软件的框图，由计算机控制系统软件可实现：\n1、输入原始数据——样品名称、样品编号、试验载荷和保压时间。\n2、图象采集——将样品形貌实时显示在计算机屏幕上，并可保存。\n3、图象参数设定——色彩、亮度、对比度、色饱和度可由菜单设定。\n4、控制样品台移动——设置样品台的移动量，控制样品台自动完成移动和定 位。\n5、编程自动试验——在样品一定范围内均匀试验若干点，可输入各试验点的 坐标，完成各点的试验\n6、硬度计控制—通过计算机屏幕选定样品试验区域，直接控制硬度计开始试 验。\n测量时，图像实时显示在屏幕上的窗口界面中，图像的每个像素点都有对应的 坐标位置，压痕顶点的坐标位置可以由光标确定，压痕的对角线长度可以由以下公 式算出：\n$d=k·\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}$\n其中：d：对角线长度\n      k：图像放大系数\n(x1，y1)，(x2，y2)：对角线顶点坐标\n在输入初始数据后(加载负荷)，通过测量压痕对角线长度，程序即可以迅速 计算出显微维氏硬度值。\nHV＝1.854F/d2\n一块样品在进行显微维氏硬度测量过程中，通常测试于多点。测量完的数据点 由计算机程序自动进行数据统计处理，井在最后数据文件中存储和打印，包括以下 各项：\n(1)平均值      Mean value\n(2)方差        SD\n(3)离散        CV\n(4)波动范围    Range\n(5)最大值      Max value\n(6)最小值      Min value\n显微维氏硬度测量要求精度很高，其关键点是测量压痕对角线长度。对于样品 形貌在经过光学镜头放大后，传送到CCD摄像头再放大后采集到计算机显示屏上， 图像约放大了二千倍。这对于在计算机显示屏上进行精密测量提供了条件。测量前 的标定是必要的。本系统采用微米尺，标定整套系统的放大系数，经过标定后，本 套系统即可以取得较满意的测量精度。\n通过研究表明，由于图像经过传送放大，测试人员更容易看清样品压痕的边界， 为准确测量提供最基本的条件，屏幕显示的比例系数可以进行精确校准，大量测试 数据证明了放大后的图像测量精度和稳定性显著提高。