秦襄培,劉莉,郭亞娟,鄢寧波,吳麗

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430205

鍍層厚度的自動(dòng)測(cè)定

秦襄培,劉莉,郭亞娟,鄢寧波,吳麗

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430205

基于圖像處理技術(shù)提出了一種無(wú)需測(cè)量線的涂鍍層厚度計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量方法,并用另一種取多條直線分別測(cè)量求平均值的方法對(duì)測(cè)量值進(jìn)行驗(yàn)證.首先,運(yùn)用MATLAB圖像處理軟件將用金相顯微鏡采集到的圖像二值化；然后,編程得到二值化圖像的投影量曲線以及微分曲線,計(jì)算曲線上凹谷區(qū)域的實(shí)際寬度即得到鍍層斷面厚度真實(shí)值；最后,為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用在鍍層上不同位置畫測(cè)量線的測(cè)量方法求出斷面厚度值,比較兩次測(cè)量的結(jié)果.結(jié)果表明提出的計(jì)算機(jī)測(cè)量方法不需要畫測(cè)量線,能夠保證材料完整性,簡(jiǎn)單可行；只需要一次測(cè)量即可得出結(jié)果,誤差在可接受范圍,結(jié)果可靠.

鍍層厚度；圖像處理；測(cè)量

0 引言

對(duì)于強(qiáng)化新零部件表面修飾,修復(fù)設(shè)備失效零部件等方面,表面工程強(qiáng)化有兩種處理方法.其中,噴涂、電刷鍍、電鍍、堆焊和表面黏涂［1-2］都是表面涂覆的常用技術(shù).覆層的厚度對(duì)零件的質(zhì)量有很大的影響,覆層太薄會(huì)影響材料的表面性能，從而使表面處理達(dá)不到理想的結(jié)果；覆層太厚會(huì)影響覆層的結(jié)合強(qiáng)度以及內(nèi)應(yīng)力過(guò)大,且會(huì)造成實(shí)驗(yàn)材料資源的浪費(fèi)；覆層厚薄不均會(huì)使材料表面在工作時(shí)受力不平衡，從而減少材料的使用壽命.考慮到產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的配合公差,方便更換零件,在對(duì)零部件進(jìn)行表面處理時(shí)，要確保處理后的零部件尺寸與原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸一致［3］.在采用覆層技術(shù)對(duì)零部件表面進(jìn)行處理時(shí),電鍍層厚度的準(zhǔn)確檢測(cè)至關(guān)重要.零部件的耐蝕性和導(dǎo)電性與電鍍層厚度有直接的關(guān)系,從而很大程度上直接影響產(chǎn)品的可靠性和使用壽命.

衡量電鍍層質(zhì)量的指標(biāo)有很多,其中電鍍層厚度是重要指標(biāo)之一.采取不同的方法對(duì)電鍍層厚度進(jìn)行測(cè)量是十分必要的.測(cè)定電鍍層的方法很多,大體上可以分為兩類,無(wú)損法和破壞法.目前應(yīng)用比較廣泛的一種不需要破壞電鍍層表面的測(cè)量方法,稱作無(wú)損法,無(wú)損法包括重量法、磁性法等.現(xiàn)今無(wú)損法已經(jīng)發(fā)展的相對(duì)成熟,均有成型的儀器設(shè)備,使用簡(jiǎn)單方便.還有一種操作相對(duì)繁瑣,適用于實(shí)驗(yàn)室的方法稱作破壞法,這種方法會(huì)損壞電鍍層表面,因此不經(jīng)常使用.破壞法包括溶解法、液流法、點(diǎn)滴法等.文中采用一種無(wú)需畫測(cè)量線,結(jié)合金相顯微鏡和計(jì)算機(jī)圖像處理的方法實(shí)現(xiàn)電鍍層斷面厚度的自動(dòng)測(cè)量.

1 斷面金相顯微鏡法簡(jiǎn)介

采用金相顯微鏡測(cè)量電鍍層厚度的方法,需要得到電鍍層橫斷面,首先采用制備金相試樣的方法得到所需的橫斷面,然后利用金相顯微鏡直接測(cè)量電鍍層的局部厚度和平均厚度.

這種方法適用于測(cè)量2 μm以上的各種金屬鍍層和化學(xué)保護(hù)層厚度.當(dāng)電鍍層厚度大于8 μm時(shí),這時(shí)候測(cè)量誤差達(dá)到±10%,因此只能夠作為參考.對(duì)于電鍍層厚度大于25 μm時(shí),使誤差降到5%內(nèi).也可測(cè)量薄鍍層,精確到±8%.

使用這一方法時(shí),鍍層厚度的測(cè)量誤差一般是隨放大倍數(shù)的減小而增大的.所以選取放大倍數(shù)通常應(yīng)使視場(chǎng)直徑為尺寸鍍層厚度的1.5～3倍［4］.在同一位置上,每次測(cè)量時(shí)應(yīng)該在同一位置測(cè)量不少于3次計(jì)算平均值.如果要得到平均厚度，則應(yīng)在試樣上不同位置選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量，然后取平均值.

2 鍍層斷面厚度的計(jì)算機(jī)測(cè)定原理及實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在有的軟件如VNT QuantLab,提供了自動(dòng)和交互式相結(jié)合的滲層深度測(cè)量工具,可完成各類滲層、鍍層深度測(cè)量,但是價(jià)格昂貴.文中根據(jù)圖像學(xué)原理開發(fā)了鍍層斷面厚度測(cè)量軟件.現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹其原理及實(shí)現(xiàn).

圖像的邊緣提取和圖像分割的目的是得到圖像中感興趣的部分,也稱作目標(biāo),經(jīng)過(guò)這兩步,得到的是若干區(qū)域和邊界,其余未識(shí)別部分稱為背景.得到的目標(biāo)是測(cè)量的對(duì)象，讓計(jì)算機(jī)來(lái)識(shí)別這些目標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能.為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),需要提供這些目標(biāo)的有用性質(zhì)或特征，描述它們之間的相互關(guān)系.形狀和結(jié)構(gòu)分析指的是用計(jì)算機(jī)圖像處理和分析系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)提取形狀特征的過(guò)程.根據(jù)鍍層的特點(diǎn),這里使用圖像的統(tǒng)計(jì)方法為投影法.

投影量是沿著圖像某個(gè)方向截面的灰度值累加計(jì)算量的集合,投影的示意圖如圖1所示.根據(jù)圖2中鍍層的厚度方向,可計(jì)算垂直投影量.圖像函數(shù)為｛f（x,y）｝,s為投影方向,t為與其垂直的方向,t與X軸夾角為θ,則｛f（x,y）｝沿著s的投影定義為［5］：

圖1 投影示意圖Fig.1Projection diagram

從圖1可以看到,當(dāng)θ＝0,90°時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)單些.因此在采集圖像時(shí),可調(diào)整試樣位置以便讓鍍層邊緣與圖像邊緣垂直或平行,這樣后期計(jì)算可以簡(jiǎn)單些.

采用金相顯微鏡作為圖像的采集工具,圖像相對(duì)于實(shí)物的放大倍數(shù)為400,采集的圖像如圖2所示.因?yàn)椴杉膱D像通常是彩色的,而彩色圖像處理起來(lái)占用的數(shù)據(jù)空間較大,處理速度也較慢,因此為簡(jiǎn)化計(jì)算,首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像,再轉(zhuǎn)換為黑白圖像,即將圖像黑白二值化,如圖3所示.這樣可以設(shè)黑色點(diǎn)的灰度值為1,白色點(diǎn)的灰度值為0.

圖2 鍍層顯微圖像Fig.2The coating microscopic image

圖3 鍍層黑白圖像Fig.3The coating black－and－white image

由圖3可以看到基體材料區(qū)域紋理以黑色為主,鍍層材料區(qū)域以白色為主.根據(jù)這一特點(diǎn),運(yùn)用MATLAB軟件,統(tǒng)計(jì)每一個(gè)X值所對(duì)應(yīng)的Y軸方向上黑點(diǎn)的個(gè)數(shù),這里的個(gè)數(shù)指的是像素點(diǎn)的個(gè)數(shù),再將像素點(diǎn)個(gè)數(shù)乘以每個(gè)像素點(diǎn)代表的實(shí)際長(zhǎng)度,得到電鍍層斷面的實(shí)際長(zhǎng)度.通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算黑點(diǎn)在X軸上的投影量,由圖4可以看到,投影量曲線有明顯的凹谷,此凹谷對(duì)應(yīng)的區(qū)域即是鍍層材料區(qū)域.取凹谷的兩端點(diǎn)之間的距離即是鍍層斷面厚度.另外,從投影量微分曲線可以更清楚地看到,在鍍層的斷面處微分值有突變.由于投影本身就是一統(tǒng)計(jì)量,它表示了視場(chǎng)內(nèi)鍍層區(qū)域邊緣點(diǎn)的位置情況,因此不需要多次測(cè)量.

圖4 黑白圖像在X軸上的投影量曲線及其微分曲線Fig.4The projection curve and differential curve of the black－and－white image on X－axis

由圖4可以得到,凹谷對(duì)應(yīng)的區(qū)域像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為180,根據(jù)給定的標(biāo)尺0.144 mm,得到放大之后的厚度為26 mm,除以放大倍數(shù)400,這樣計(jì)算得到鍍層斷面厚度為65 μm.

為了驗(yàn)證上述測(cè)量方法的準(zhǔn)確性,采用在不鍍層斷面上畫測(cè)量線求厚度值.由圖3可以看到,電鍍層斷面的兩條邊界接近平行直線,因此,在不同位置測(cè)量求平均值的方法是可行的.從上到下依次取5條直線a、b、c、d、e,測(cè)量示意圖如圖5所示,測(cè)量結(jié)果如表1所示.

圖5 測(cè)量示意圖Fig.5Measurement diagram

表1 測(cè)量結(jié)果Table 1Measurement results

由表1可以看出測(cè)量結(jié)果為25.747 mm,圖片放大倍數(shù)為400倍,最后求得電鍍層斷面厚度為64.368 μm.兩次測(cè)量結(jié)果相近,把后一種測(cè)量結(jié)果當(dāng)做真值,前一種測(cè)量結(jié)果當(dāng)做測(cè)量值,計(jì)算相對(duì)誤差為0.98%.說(shuō)明了文中提出的電鍍層斷面厚度自動(dòng)測(cè)定方法是可行的.

3 結(jié)語(yǔ)

在圖像處理的基礎(chǔ)上提出的電鍍層斷面厚度的計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)定方法,通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖像上黑點(diǎn)在水平軸上的投影量,得到投影量曲線,再將曲線中凹谷對(duì)應(yīng)區(qū)域像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換成實(shí)際長(zhǎng)度,即得電鍍層厚度的真實(shí)值.投影法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要畫測(cè)量線求取平均值,只需要一次測(cè)量即可.既不會(huì)破壞材料本身,操作起來(lái)簡(jiǎn)單易行,也不需要現(xiàn)有昂貴的測(cè)量軟件,僅運(yùn)用例如MATLAB等基本圖像處理軟件就可實(shí)現(xiàn)測(cè)量的目的.

致謝

感謝2012年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201210490019）對(duì)本研究的資助！

［1］徐濱士.納米表面工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

XU Binshi.Nanomaterials surface engineering［M］.Beijing：Chemistry Industry Press,2004.

［2］徐濱士,朱紹華.表而工程的理論與技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1999.

XU Binshi,ZHU Shaohua.Theory and technology of surface engineering［M］.Beijing：National Defense Industry Press,1999.

［3］劉振作.渦流涂鍍層測(cè)厚儀的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.材料保護(hù),2003,36（9）：64－65.

LIU Zhenzuo.Development application of eddy current thickness meter［J］.Materials Protection,2003,36（9）：64－65.

［4］曾華梁,吳仲達(dá),陳鈞武,等.電鍍工藝手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

ZENG Hualiang,WU Zhongda,CHEN Junwu,et al.Plating technology handbook［M］.Beijing：China Machine Press,1989.

［5］王新成.高級(jí)圖像處理技術(shù)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2001.

WANG Xincheng.Advanced image processing technology［M］.Beijing:China Scientific and Technology Press, 2001.

Automatic measurement of coating thickness

QIN Xiang－pei,LIU Li,GUO Ya－juan,YAN Ning－bo,WU Li
School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan,430205,China

A automatic measuring method for coating thickness with no measuring line was put forward based on digital image processing technology.More than one line on the image was measured to get the mean value to validate the method.First,the original image captured by the metallurgical microscope was converted to binary image.Then,the projection curve and the differential curve of binary image were extracted by MATLAB program.The coating thickness was determined after calculating the concave curve width on the projection curve.Finally,to validate the result,measuring lines were drawn in different positions on the image to calculate the coating thickness and the results of the two methods were compared.The results show that the computer measurement method with no measuring line ensures the integrity of materials and the easy operation；the results are determined after only once measuring with acceptable errors.

coating thickness；image processing；measurement

TP391

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.014

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0064－04

2014-11-25

2012年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201210490019）

秦襄培（1972-）,男,湖北武漢人,副教授,博士.研究方向：圖像處理、摩擦學(xué).