针对硬度压痕读数的图像分析可提高生产率、精度和效率

硬度 测试是分析组件性能的一种基本方法，作为一种重要的材料检测工具，可采用多种方法和技术进行测试并测量相关的关键参数。虽然有些硬度测试法（如洛氏硬度测 试）可根据压痕深度，通过一步操作快速提供测试结果，许多常用的测试法（如维氏、努氏和布氏硬度测试法）仍需通过第二步操作来测定压痕的尺寸。第二步操作 不仅费时、低效，而且极易出错。一种既能提高生产率，又能确保测试一致性的方法是，利用图像分析自动获得压痕尺寸的读数值。近几年，随着硬件、电子技术、 成像算法和软件功能的飞速发展，我们可以采用更、更可靠的测试流程，以比过去更快的方式提供测试结果。这些应用前景广阔的技术将系统的效率、速度和精 度提高到了前所有未有的水平。

自动硬度测试

在 进行显微硬度和宏观硬度测试时，通常会使用努氏和维氏硬度测试法，它们都要求施加规定的试验力，然后测量产生的四棱锥形压痕的尺寸，以此测定材料的硬度。 根据测试流程的特点，通常需要施加较小的试验力，因此会产生极微小的压痕，以致必须进行显微硬度测量。目前仍在广泛使用的传统方法要求使用可调节物镜分辨 率的显微镜，并根据人工解读利用目镜手动测量。可以想象，这种费时、低效的方法根本无法适应目前飞速发展、复杂的应用环境。每天要处理和观察几百个压 痕的技术人员势必会感到疲劳，随着压痕数量不断增加，这很可能影响测量过程的准确度和效率。此外，对硬度横移进行完整分析通常需要制作 15 个以上的压痕，通常需要在一个试样上多次按压，因此迫切需要一种更*的自动操作技术。

在过去几年，许多传统的手动测试流程已在每一环节采用并将继续采用自动化技术，而且将来一定会广泛普及。许多新技术已广泛用于材料制备、载物台移动、结果分析和报告编制。在许多实验室广泛采用的一种技术是通过载物台自动横移和成像分析来测量努氏、维氏和布氏压痕。

自 动硬度测试系统通常由可*控制的硬度计构成，它包括一个能自动旋转的转塔，以及能通过顶部/压头罩或主轴驱动系统沿 Z 轴运行的致动器，它能对压头施加预定的试验力，同时还能自动聚焦试样。此外，装有硬度测试软件的台式机或笔记本电脑、自动 XY 轴电动横移载物台、USB 摄像头能使其成为功能强大的全自动硬度测试系统。当装好试样，设定好操作程序后，操作员即可离开，系统可不受数量限制地自动创建、测量和报告压痕横移。

这种技术有效避免了过去硬件导致的操作困难和工作区凌乱。例如，可通过虚拟摇杆移动载物台，在有些系统中，载物台控制器安装在载物台外壳内。载物台移动算法和机械设计的发展，大大提高了 XY 轴精度和重复性，这正是横移（如硬化层深度分析）的重要要求。

图像分析

图 像分析不是新技术，但随着它的不断发展，测试过程的效率和精度一定会显著提高。例如，相机技术已从抓帧器发展为 IEEE 火线接口和 USB 接口，这不仅能去除多余的硬件，还提高了相机的分辨率和视野。目前*的相机技术、电脑高速的处理能力，以及不断升级的软件包，大大提高了自动硬度测试系 统的精度、重复性和可靠性。所有数码相机都有像素阵列。每个像素都能打开或关闭。如果一个黑白图像映射到像素阵列中，暗区内的像素会关闭，亮区内的像素会 打开。通过计算关闭的像素数量，可测定图像上的暗点大小，随后可确定图像面积。需要使用压痕尺寸、压头大小和施加的试验力测定硬度值。

自动横移

利 用大号 XY 载物台能显著提高测试效率，这种载物台能使用一组夹具同时固定 2 个、4 个甚至 6 个试样。操作员打开预设和保存的横移位置，再将试样放入夹具内对齐，然后单击鼠标，系统就会自动制作压痕、读取并报告每个试样上的硬度横移。自动对焦能解 决 Z 轴位置变化导致的压痕不清晰的问题。更新的软件甚至允许在横移过程和横移间隙，采用不同的标尺试验力和显微镜物镜。

自动测试技术能显著提高洛氏硬度测试的效率，特别是在重复模式下，例如，在顶端淬火试验中，操作员单击鼠标后即可离开，系统会对试验棒材进行全面测试，并生成试验报告。

其他应用

与努氏和维氏硬度测试一样，布氏硬度测试也是劳动密集型的手工测试过程，在一般情况下，它需要操作员全程参与和处理。由于传统的布氏硬度测试要求施加一次可控的试验力，将直径符合规定的碳化钨球压入试样表面，所以必须利用显微镜测量（单位：mm）产生的压痕，以测定

在使用传统的落地式或台式布氏硬度计进行压痕测试时，作为手持显微镜测量的替代方法，可采用手持数码相机和图像分析技术，以准确和地自动测量压痕直径。因此，使用数码相机测量布氏压痕相对比较简单。如果在实际操作时缺少需要人工干预的手持成像系统，可采用全自动

完 全集成的布氏硬度显微测试系统能按照 ASTM E10 标准的要求，快速准确地完成整个布氏硬度测试过程，包括准确地施加试验力，并利用图像分析系统自动对焦、识别和记录压痕尺寸和硬度测量值。所有这些功能加 上应用灵活、操作简单的软件能确保操作员顺利进行测试、完成分析和提供测试报告。操作员只需将试样放在硬度计上，然后按下启动按钮即可。旋转器或转塔会将 测量物镜/显微镜转到位置，然后系统会自动在试样表面产生压痕。随后开始自动对焦和成像过程，测试结果会在 20 秒返回。

以 前由表面处理、照明、预设校准和像素尺寸导致的测试限制，现在已*消除，而且还会进一步改善。这样，我们就能放手“让仪器自己工作”并信赖测试结果，以 不断提高系统的处理能力和测试的一致性，还能让操作员放手去完成其他的工作。采用*集成的自动测试系统，不仅能取消劳动密集、过于主观和极易出错的测试 过程，而且能以更准确、更的测试过程取而代之。