[发明专利]一种基于火花密度测量钢铁中碳含量的装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于火花密度测量钢铁中碳含量的装置和方法。该装置包括砂轮机、样品夹具、照相机和计算机。该方法分为建模和计算两个模块。建模模块是采集已知含碳量的标准样品的火花，进行图像处理，从中提取火花密度，建立碳含量与火花密度的关系模型；计算模块是采集待测样品的火花，进行图像预处理，从中提取火花密度，根据模型计算出含碳量。本发明设备简单，操作方便，对钢铁材料中碳含量鉴定速度快，准确性强，在现场分析中不必破坏试件，基本能满足金属材料生产和热处理工艺要求，尤其对大批量金属材料的鉴别和分析更发挥了它的优点，这是化学分析法和其它物理分析法所不能比拟的。

技术领域

本发明涉及钢铁材料分析技术领域，具体涉及一种基于火花密度测量钢铁中碳含量的装置和方法。

背景技术

碳是钢铁中的主要成分之一，是钢铁中的重要元素，它直接影响着钢铁的性能。碳是区别钢与铁，决定钢号、品级的主要标志。碳含量增加，钢铁的硬度和强度都会增加，而韧性和塑形却变差。因此，碳含量测定有非常重要的意义。目前测量钢铁碳含量的方法主要有气体容量法、滴定法、仪器分析法等，但这些方法都需要进行较为复杂的样品预处理，不能直接对钢铁样品进行检测，无法满足现场在线快速测量的要求。

火花试验法是钢材在高速运转的砂轮上研磨时所发生火花，凭借各种钢材具有独特的火花形态、流线、色泽和发光点的不同来鉴别钢的化学成分的方法。长期以来，火花分析都是依靠人工观察火花，对其进行分析和判断。这种判断结果带有主观性，依赖分析人员的知识和经验。随着科学技术的不断发展，特别是火花理论和数字图像处理技术的发展，使人们从传统的定性火花分析向定量火花分析转变。火花定量分析是通过记录测定火花的各种特征参数，在钢铁材料的类别或成分和它的火花参数之间建立起定量关系的一种分析测试方法。

发明内容：

针对目前现有的测量方法无法满足现场在线快速测量的问题，本发明提出了使用火花试验法测量钢铁中的碳含量；为了克服火花试验法在碳含量检测中主观性、经验性和不稳定的问题，本发明提出了火花密度的概念，并建立火花密度与碳含量的关系，大大提高了碳含量测量的精度、准确度和稳定性问题。

本发明的技术方案是：

一种基于火花密度测量钢铁中碳含量的方法，包括如下步骤：

1)选定碳含量已知的n种(若干种)钢铁样品作为标准样品，碳含量用字母X表示，各标准样品中碳的含量分别记为X1、X2、…、Xn；

2)对于步骤1)中的每种标准样品，照相机拍摄样品通过夹具与砂轮摩擦产生的火花，得到对应的一幅火花图，n种定标样品共得到n幅火花图；

3)对于步骤2)中得到的每一幅火花图，经过图像处理，求出其火花密度，火花密度用字母Y表示；分别记为Y1、Y2、……、Yn；

4)建立关系模型，即以X1、X2、…、Xn为因变量，以Y1、Y2、…、Yn为自变量，用拟合的方法建立碳含量X与火花密度Y之间的函数关系；该函数关系记为X＝f(Y)，其中f表示函数关系；

5)对于碳含量未知的待测钢铁样品，照相机拍摄样品通过夹具与砂轮摩擦产生的火花，得到待测钢铁样品的火花图，经过图像处理，求出火花密度，待测钢铁样品的火花密度记为Y0；根据步骤4)中的函数关系X＝f(Y)可以求出X0＝f(Y0)，X0即为测量得到的待测钢铁样品中的碳含量。

进一步地，步骤2)及步骤5)中，利用照相机拍摄火花之前，使用砂轮机对样品表面进行打磨，去除样品表面的污染物和氧化物。

进一步地，步骤2)及步骤5)中，利用照相机拍摄火花时，样品3必须用样品夹具2夹持。

进一步地，步骤3)及步骤5)中，图像处理包括原始图像读入、图像预处理、图像二值化、二值图像形态学处理和图像分割及火花密度的提取；所述的图像预处理包括直方图均衡化、图像增强和平滑滤波；所述的二值图像形态学处理包括腐蚀、膨胀、开运算及其闭运算。