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球压试验压痕尺寸的测量技术现状及发展趋势

球压试验是许多产品安全标准中考核热塑材料的耐热特性的重要实验，也是进行实验室能力验证时

常用的实验。国家强制性标准GB4706．1《家用和类似用途电器的安全第一部分：通用要求》第30．1条规定“其恶化可能导致器具不符合标准要求的非金属材料制成的外部零件、用来支撑带电部件(包括连接)的绝缘材料零件以及提供附加绝缘或加强绝缘的热塑材料零件，应充分耐热”。因在高温条件下，非金属材料、绝缘材料的结构特性会发生本质的变化，如熔融或变软，使机械强度急速下降，直接影响电器产品质量及使用安全。产品安全性能主要由所使用的材料及器具结构所决定。耐热性能是材料其中的一个重要指标，通过对材料进行球压试验来检查其合格性，其结果的准确性直接影响判定产品是否符合安全要求。随着现代科技的发展，对球压试验压痕测量技术进一步研究有着十分重要的意义。下面就球压试验及其压痕尺寸测量技术的最新研究进展做一介绍。

1、球压试验概要

标准要求，将球压试验装置(如图1)和样品品支架一并放入加热箱。加热到标准规定的温度后将试验样品放置在样品支座上大约中心位置处，再将压力球放置在样品中心位置处并在规定时间内施加一

个20N±0．2N的向下作用力，然后从样品上移去压力球，在10s内将试验样品浸入温度为20℃±5℃水中保持6min±2mi金州n时间，然后从水中取出试验样品，在之后的3min内去除水分并测量如图2、图3所示的压痕横跨最大尺寸d，如果尺寸d不超过2.0mm 9表示合格。

2、压痕尺寸测量新技术

近二十佘年来，激光技术、精密计量光栅制造技术、计算机技术以及图像获取和处理技术迅猛发展，并已经开始应用到高精度测量领域，形成了新的测量技术，这将为为球压试验提供了更为有利的分析手段。下面重点介绍反射法和图像测量法。

（1）反射法

凹镜具有聚光的作用(图3)，它能够将照射到它表面的平行光线汇聚到焦点。而球压试验中钢球是

一个标准的球形，球压压痕和钢球接触的地方也是一个球面，可以看做是一个理想的凹镜，在强光的照射下，球压压痕能够呈现出聚光的特性术。鉴于压痕的这种特性，广州北德技术服务有限公司和中国赛室(总部)实验室提出了一种测量压痕的新方法，切割机如图4所示的下半部分是球压压痕在强光照射下，在读数显微镜中的景象。A区是钢球接触的地方，是理想的凹镜，表现出极好的聚光特性，和周围对比显得非常光亮。c区是材料未变形的区域，对光线只是普通的反射，呈现出材料本术的光泽。B区则是由于球压压痕导致变形的过渡区域，它并不是真止的压痕。8区由于是球面凹陷区和平面的过渡区域，其变形有可能形成一定的凹面或凸面，但是其反射特性是叫显和A区不同的，呈现出光晕的情形。因此，光亮的A区(即真正的压痕)和光晕式的B区(即压痕导致的变形)的边界可以很清晰地区分开来。采用以上方法，可以用读数显微镜、卤素灯和荧光笔等这些成本低廉仪器设备准确地测量球压结果。

凹镜反光示意图（图3） 压痕反射示意图（图4）

（2）图像测量法

所谓的图像测量就是测量被测对象时，把图像当作检测和传递的手段或载体加以利用的测量方

法，其目的是从图像中提取有用的信号。计算机技术的发展，使得利用CCD相机获取压痕图像，通过计算机自动测量压痕尺寸实现对压痕尺寸的精确测量成为可能。文献采用顶部平行光源，同定焦距镜头和分辨率为768×572的通用面阵CCD相机通过控制光源强度，综合分析压痕图片特点，使用图像分割技术完成了对压痕倒直径的测量。测量系统的控制和处理软件选NI公司LabVIEw编写，Vi sion Development Module为压痕尺寸准确测量提供保障。文献““提出了一种采用基丁计算机视觉的冈像测量技术进行压痕尺寸测量的方法，它通过对试件压痕进行冈像采集、特征提取、信息处张 骥 商务部部长助理理等过程术实现压痕尺寸的测量。测量过程通过软件系统术完成。德国联邦物理技术研究所开发了一种沿光轴方向的具有纳米分辨率的压痕成像系统．该系统基于膳析全场显微水，即在常规光学显微镜的基础上引入结构光照明，应用移相方法得到样品的三维影貌．成像系统样机的测量结果表叫，系统的纵向分辨率可选2nm，化学家教可以高精度地实现压痕的三维影貌测量，并量化拐示纳米压痕测试中常见的“坟起(pile-up)”及“沉入(sink—in)”现象．该系统有助于进一步研究压痕计量方法并降低计量的不确定度。中国一航北京长城计量测试技术研究所提出了基于数字图像处理的压痕直径测量方法。利用CCD相机获取压痕图像，通过图像分割、目标区域处理、压痕圆拟合等步骤完成图像处理，由此实现对压痕尺寸的自动精确测量。采用图像处理技术计算压痕直径，使得压痕直径测量的自动化程度得到了明显的改善，提高了测量效率。文献将Matlab与VB结合起术进行混合编程，开发出一种复杂的、界面友好的人机交互压痕图像处理软件，测量时用CCD将采集系统采集的压痕图像放大，再通过图像处理方法对得到的图像进行处理，剔除无关部分和噪声点，并对图像进行阈值化，检测边缘，对边缘数据进行最小二乘拟合得到较为精确的直径数据。文献提出了反射法和图像处理相结合的测量方法，其实并用实验验证了其可行性。但此方法要实际应用还需要做进一步研究，尤其对于浅色材料和透叫材料的图像处理算法的改进问题。

4、结语

球压试验看似简单，实则不然，一般，产品安全标准中允许的压痕直径必须小于2mm。对于如

此小的样品尺寸，普通的切割很难在不破坏样品的情况下清晰地得到压痕的剖面。而采用投影或省。三维数字显微镜等方法，在球压压痕数据的读取上，存在较大的人为误差，且步骤繁琐、测量的精度低、操作不方便、测量的自动化程度低等问题。在检测中，相当部分材料球压的压痕数值在临界值附近，这就对检测入员提出了更高的要求。近年出现的采用冈像处理技术计算压痕直径的方法，使得压痕直径测量的精度和n动化程度得到了叫显的改善，提高了测量效率，代表了球压试验测量方法的发展方向。球压试验压痕尺寸测量技术今后的发展重点体座椅现在以下方面：

(1)自动化

使用计算机进行自动图像分析代替传统的人工操作，整个测量过程无人为的干预，客观给出结论，

可以针对压痕的形状自动判别：是否载荷偏、压痕边缘部分是有凸起还是光滑过渡逐渐远高球面。

(2)集成化

以光学为基础、融入光电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术等现代科学技术，组成光、

机、电、算和控制技术一体化的综合测量系统。图像采集、图像处理系统将与升温、加压、浸液冷却保温、光学信息变换等球压试验过程及检测工艺保证参数绝对准确环节集成在一起，可以自动进行测量，得到测量结果，并根据结果生成检验报表。

(3)高精度

CCD本身像元尺寸小，几何精度高，配以适当的光学成像系统可获得很高的空间分辨率，这是CCD

在高精度图像测量系统中进行非接触检测、自动跟踪的最大特点。这就使得基于数字图像处理的压痕测量方法能够精确的找到压痕的真正边缘。

总之，压痕测量技术在实现自动化，集成化，高精度化的同时也要求实现高速化和高效率化，因此，非接触测量和高效率测量也就必然成为今后压痕精密测量技术的重要发展方向。