Процедура анализа

От оператора требуется лишь указать нагрузку, при которой получен отпечаток, и с помощью "мышки" указать концы диагоналей на мониторе компьютера. Последующие измерения производятся автоматически: определяются длины диагоналей отпечатка и значение микротвёрдости. При необходимости проводится статистическая обработка результатов по всем полям зрения.

Получаемые параметры

• значение микротвёрдости для каждого отпечатка

• среднее значение микротвёрдости

• СКО значений микротвёрдости

• гистограмма распределения значений микротвёрдости

• график профиля значений микротвёрдости

Пример анализа

		№ отпечатка HV dX dY 1 272,1 0,0   2 222,3 10,0   3 232,8 20,0   Среднее 242,4     СКО 26,3
Исходное изображение	Выделение оператором отпечатка	Таблица результатов анализа

Кроме этого должна быть предусмотрена возможность проводить калибровку микротвердомера по образцам микротвердости (рис.5) как без использования внешнего ПК, так и с ним.

При использовании внешнего ПК, соответственно с использованием телеканала, должна быть осуществлена возможность автофокусировки (по изображению), причем должна быть предусмотрена возможность включения и выключения функции автофокусировки. Встроенный блок управления должен иметь интуитивно понятный интерфейс (расположение кнопок, элементы меню и др. органы управления), с отображением названия текущей операции (напр. «Процесс нагружения»).

ПО для внешнего ПК должно уметь управлять работой прибора, правильно интерпретировать и отображать информацию (от ФОМ’а, датчиков и пр.). При использовании внешнего ПК должна быть предусмотрена возможность проведения измерений как по изображению в телевизионном канале, так и при использовании ФОМ’а. ПО для ПК должно иметь интуитивно понятный интерфейс (расположение кнопок, элементы меню и др. органы управления).

По традиции на микротвердомеры возлагается решение металлографических задач, поэтому конфигурация прибора должна обеспечивать возможность использование программных продуктов типа «Виде-Тест-металл»

Датчик нагрузки.

В качестве датчика прилагаемой нагрузки может быть использован тензодатчик, например, мини-сенсор 1А (рис.5,6), который используется в электронных лабораторных весах, выпускаемых заводом «Госметр» (см. рис.7).

Механизм нагружения.

В качестве механизма нагружения может быть использован механизм тонкой фокусировки микроскопа с использованием редуктора и двигателя, например, шагового (скорости сближения и шаг изменения скорости указаны в ТТ на микротвердомер).

В 19600г для прибора ПМТ-3М Институтом Машиноведения АН СССР в лаборатории износостойкости было разработано приспособление (см. рис.8,9) для автоматического нагружения (сверху) с безмоторным приводом, в котором используется электронагрев термобиметаллической ленты. Такой привод не приводит к вибрациям прибора.

Отметим, что механизм тонкой фокусировки используется и в режиме автофокуса, при котором закон перемещения предметного стола отличается от закона перемещения в режиме нагружения. В режиме нагружения закон движения поступательный с малой скоростью (до 60 мкм/с), а в режиме автофокуса возвратно поступательный с частотой не менее 16 Гц.

Построение принципиальной оптической схемы микротвердомера.

На рис.10 приведены две принципиальной оптической схемы микротвердомера, которые обычно строятся по схеме металлографического микроскопа с осветительным устройством в виде опак-иллюминатора.

Рис.10

Разница между приведенными схемами заключается изменении функций вертикальной и горизонтальной ветвей. В схеме слева в вертикальной ветви располагается осветительное устройство, а изображающий канал (телевизионный и визуальный) в горизонтальной ветви оптической схемы. На схеме справа все наоборот и именно по такой схеме строятся рабочие модели металлографических микроскопов, типа Метам – РВ,РА. Левая принципиальная схема была использована на ОАО «ЛОМО» при разработке металлографического микроскопа Метам – ЛВ, относящегося уже к моделям исследовательского класса.

Важной особенностью левой схемы является отсутствие в осветительной части диагонального глухого зеркала, работающего в режиме темнопольного освещения. В серийных моделях микроскопов Метам – РВ,РА это зеркало засвечивается даже при светлопольном освещении и его узел является сильным итсточником паразитной засветки при всех режимах освещения. Такое решение приводит к необходимости при темнопольном освещении ввода в узел пластинки Бека второго глухого зеркала, что в итоге позволяет практически полностью защитить визуальный канал от рассеянного света. Отметим, что при введении в схему помимо визуального канала телевизионный канал может потребоваться две пары таких зеркал. В микроскопах Метам – РВ,РА при светлопольном освещении реализуется метод Келера, а при темнопольном освещении критический метод. Левая схема была разработана в двух вариантах. В первом реализуется критический метод освещения при темнополном и светлополном режимах, а во втором как критический, так и метод Келера, чтог связано с использованием в микротвердомере комплекта микрообъективов, содержащих линзовый растр в паре с коническим эпизеркалом, а также светодиодных источников света с плоским светящимся телом. На рис.11 приведена структурная оптическая схема микротвердомера.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И КОМПЛЕКТУЮЩИХ ВИЗУАЛЬНОГО И ТЕЛЕВИЗИОННОГО КАНАЛОВ.

С учетом того, что оптическая схема микротвердомера схожа с оптитческой схемой рабочих моделей металлографичесих микроскопов, где имеются серьезные трудности при роеализации наблюдений в темном поле, было решено параллельно решать проблемы металлографических микроскопов.

ОСНОВНЫЕ ТТ К ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ.

А. Визуальный (телевизионный ) канал.

Увеличения используемых объективов (0) – 5, 10, 50,  100х. (комплект из Метам-РА)

Апертуры (А) – 0,05, 0,3, 0,65, 0,9

Фокусные расстояния объективов (F0) – 32, 16, 3,2, 1,6мм

Поле зрение в пространстве предметов (Y) – 4, 2, 0,4, 0,2мм

Условное окулярное поле зрения – 20мм

Форматы ПЗС матриц – ½ и 1 дюйм.(диагональ d - 8 и 16мм)

Метод исследования – светлое и темное поле, поляризованный свет.

Спектральный интервал – 400 – 780нм

Помимо оптического увеличения в телеканале имеется телевизионное увеличение, определяемое отношением диагоналей матрицы телекамеры и экрана дисплея при одинаковом аспектном числе (рис.12)

.

Рис.12

Для решения зрительной задачи обнаружения оператору нужен весь экран. В таком случае желательно, чтобы видимый угловой размер экрана соответствовал угловому полю "ясного зрения" оператора, которое (по мнению некоторых) для здорового человека составляет приблизительно 9° по вертикали и 12° по горизонтали. Обратим внимание, что важен не линейный, а именно угловой размер экрана. Тем не менее для комфортного поля зрения оператора существуют и другие цифры – 34^о по вертикали и 24^о по горизонтали (рис.13).

Если принять последние цифры, то с учетом условий наблюдения (Табл. 1) размер диагонали экрана монитора составит 17’’, а увеличение системы матрица – экран монитора составит 54х.(формат матрицы телекамеры ½’’)/

Рис.13

Изображение будет наблюдаться оператором, поэтому основной характеристикой телеканала будет видимое увеличение. Глаз оператора может занимать два положения – на расстоянии 250 мм (расстояние наилучшего видения) от экрана монитора и на расстоянии ℓ. Из рисунка имеем

γ = у/250 и γ = у'/ℓ откуда получаем

Г_м = 250/ℓ, (1)

где под Г_м понимается видимое увеличение системы монитор – слой пространства – глаз оператора. Роль оптического прибора играет слой пространства, что хорошо согласуется с теорией распространения.

Для всей системы видимое увеличение Г определится по формуле

Г = β_сГ_м,

где по определению В.Н.Чуриловского β_с – полное линейное увеличение всей системы от объекта до экрана монитора.

Величина β_с формируется из двух увеличений - β_с = β β_т, где β – линейное увеличение оптической части системы, а β_т – линейное увеличение телевизионной части, определяемое, отношением диагонали экрана монитора к диагонали ПЗС матрицы телекамеры. В нашем случае Г_м равно 0,5х.

Понятно, что положение оператора не фиксировано, поэтому видимое увеличение системы также не принимает фиксированного значения, что позволит оператору менять его изменяя свое положение, менять уровни видения (Табл.2).

Таблица Джонса Табл.2

Уровень видения	Задача СТЗ	n 0
Обнаружение Определение Различение Опознавание	Фиксируется появление объекта в поле зрения Различается форма объекта и определяется его ориентация Классифицируется объект (дом, автомобиль, человек и пр.) Устанавливается тип объекта (марка автомобиля)	2 2,8 8 12,8

Из материала и Табл.2 следует, что при изменении ℓ будет меняться уровень видения. Можно утверждать, что при коллективном просмотре разные наблюдатели будут видеть одно и тоже изображение по разному и лишь один оператор ("центральный") будет находиться в условиях оптимального наблюдения.

Исходя из сказанного были выбраны телекамера и система отображения.

Характеристики телекамеры.

 Высокочувствительные 0,3 Мп,1,3 Мп, 3,2 Мп и 5,17 Мп КМОП сенсоры нового поколения с микролинзами и предварительными усилителями в каждом пикселе для увеличения чувствительности камер до 0,5 люкс - в цветном режиме, до 0,1 люкс в черно-белом режиме при относительном отверстии объектива F1,2 и отношении сигнал/шум 20 дБ.

 Возможность работы в цветном и квази-черно-белом режимах для повышения разрешающей способности. Возможность поставки камер без отрезающего ИК светофильтра для повышения чувствительности в 5 раз.

 Режимы 2-х, 4-х и 6-ми кратного электронного ЗУМ и электронного поворотного уст-ройства в телевизионных камерах VEC-335 и VEC-535.

 Разрешающие способности 500, 900, 1400 и 1700 телевизионных линий для камер VAC/VEC-135, VEC-335 и VEC-535 в квази-черно-белом режиме соответственно.

 Максимальное отношение сигнал/шум до 54 дБ, обеспечивающее наилучшее различение малоконтрастных объектов.

 Прогрессивный режим разложения, для передачи движущихся объектов с минимальными искажениями.

 Возможность использования объективов с креплением C/CS mount и М12.

 Обмен разрешающей способности на частоту кадров: от 7 Гц (при разрешении 2048 х 1536) до 78 Гц (при разрешении 1024 х 190) в камере VEC-335.

 Возможность работы с операционными системами Windows 98/ME/2000/XP.

 Встроенные автоматические регулировки времени экспозиции, усиления и баланса белого.

 Возможность отключения автоматических регулировок для работы в режиме с дистанционно управляемыми параметрами, а также отключение гамма-коррекции (линейный режим) для проведения фотометрических измерений.

 Передача видеосигнала и сигналов управления параметрами камер по скоростному Plug and Play интерфейсу интерфейсу USB 2.0. Примечание: с интерфейсом USB1.1 камеры не работают.

 Универсальный WDM драйвер, работающий с любыми Direct-Show видео-приложениями Windows (например, Adobe Photoshop, Ulead Video Studio).

.Характеристики дисплея SMT-1721P

Описание: 17" TFT-LCD монитор для видеонаблюдения, 2 видеовх., PIP, звук, 8ms Цена: Розница: 18300 руб. Опт: 17385 руб. Дилерам: 15555 руб.

SMT-1721P представляет собой 17-дюймовый ЖК-монитор TFT-LCD со встроенными схемами сквозного прохождения видеосигнала и аудиосигнала. Этот ЖК-монитор может соединяться с такими внешними устройствами, как видеокамера, цифровой видеорегистратор, видеомагнитофон и т.п. Монитор может работать как с цифровым, так и с аналоговым видеосигналом и обеспечивает четкие изображения с самым высоким качеством.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

• Размер рабочей области 17 дюймов • Яркость 300 кд/м² • Контрастность 1000:1 • Время отклика 5 мс

Система	PAL/NTSC
Дисплей	Размер	17”
	Тип	SXGA a-Si TFT-LCD
	Разрешение	1280 х 1024
	Яркость (кд/м2)	300
	Контрастность	1000 : 1
	Время отклика	5мс
	Углы обзора	80/80/80/80
	Размер пикселя (mm)	0.264mm(Г) x 0.264mm(В)
Картинка	Развертка	прогрессивная
	Соотношение сторон	4:3
	2D гребенчатый фильтр	есть
	Шумоподавление	есть
	PIP (картинка в картинке)	Только для режима VGA
	"Замораживание"	есть
	Under Scan	есть

РЕЗУЛЬТАТЫ МАКЕТИРОВАНИЯ

Параллельно разработке было проведено макетирование микротвердомера (рис.18), включающий оптическую головку от ПМТ 3М, закрепленную на колонне с возможностью перемещения в вертикальном направлении, стол с тензодатчиком, закрепленным на нижнем основании и механизм грубой фокусировки..

На макете был проверен тензодатчик нагрузки (максимальная нагрузка 3кг, дискретность 0,1гр), исследованы режимы его работы при приложении нагрузки в разных точках стола (влияние возможного перекоса при использовании одного или нескольких тензодатчиков). При этом были получены хорошие отпечатки на кристалле соли. Также проверен закон изменения нагрузки при перемещении стола – закон линейный.

Датчик был настроен на максимальную нагрузку 300гр, поэтому проверить его работу во всем интервале не было возможности.

Рис.18

Была проведена проверка работы оптической системы при использовании в качестве источника света светодиода белого свечения в режимах светлого и темного поля. Результат положителиный.

В макете был использован механизм нагружения в виде винтовой пары – механизм грубой фокусировки, что явно оказалось не достаточным. Необходимо строить механизм нагружения на базе механизма тонкой фокусировки.

ОПИСАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Чертеж оптической схемы микротвердомера приведен на рис.19. В схеме реализуется классичекая система опак-иллюминатора, при которой в роли конденсора выступает микрообъектив. В схеме отсутствует диагональное кольцевое зеркало, что позволило поменять местами осветительный и визуальный (телевизионный ) каналы.

Рис.19

Схема апробирована многолетней практикой на серийном микроскопе МЕТАМ ЛВ. В качестве источника света использован светодиод белого свечения (5Вт) с плоским окном на выходе. Фокусное расстояние тубусной линзы в визуальном канале оставлено прежним 160мм, что обеспечивает получение стандартных значений видимого увеличения в визуальном канале. В телеканале тубусная линза имеет значение фокусного расстояния 64мм, что обеспечило использование в телеканале всего окулярного поля зрения (20мм) при соблюдении критерия Найквиста. В качестве микрообъективов использован серийный комплект от металлографического микроскопа МЕТАМ РА с постоянным положением зрачка.

Для обеспечения измерений ортогональных диагоналей отпечатка без разворота окуляр-микрометра в визуальном канале установлена призма Пехан с возможностью ее разворота. В качестве окуляр микрометров использованы окуляры типа МОВ и ФОМ.

В телеканале используется цветная мегапиксельная (1280х1024) телекамера форматом 0,5’’ (ООО ЭВС), имеющая достаточное количество опций для получения изображения высокого качества. Телевизионное изображение отображается на ЖК-мониторе высокого разрешения (1280х1024) с рекомендуемым размером диагонали 17’’. Такая конфигурация телеканала позволяет при компьютерной обработке результатов измерений ПО типа «Видео Тест - металл».

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Микротвердомер будет иметь серийный штатив китайского производства. В настоящем изображен штатив типа штатива микроскопа Люмам РПО11 (рис.20). Визуальный канал имеет монокулярный тубус, на котором могут быть расположены окуляр-микрометры типа МОВ и ФОМ. В этом тубусе также расположен узел призмы Пехана с возможностью ее разворота, что устраняет необходимость в развороте окуляр-микрометра при измерении горизонтальной и вертикальной диагоналей отпечатка. Светодиодный фонарь расположен вертикально.

Рис.20

Револьверная головка, в которой крепятся микрообъективы и индентор вращается вокруг вертикальной оси (в ручную). Конструктивное решение револьверной головки, микрообъективов, имеющих глубину резкости достаточную для работы со всем комплектом без перефокусировки.

С левой штатива стороны располагается видеокамера. Переключение с визуального на телеканал производится разворотом ручки, расположенной в верхней части корпуса.

Предметный стол имеет три подвижки – две ручных в горизонтальной плоскости и моторизированную вертикальную подвижку (до 80мм), выполняющую функции фокусировки и нагружения. На предметном столе расположен тензодатчик.