宏观缺陷检测系统基于CCD技术的原理

宏观检测用于观察金属结晶的形状、大小和排列、气泡、夹杂、空隙疏松、偏析、流线、裂纹以及其他组织特征，是用肉眼或低倍放大镜（10 倍以下）观察金属内部组织结构及缺陷，以控制金属或合金材料和成品质量的方法。

合金往往存在不均匀性，仅用显微组织检验、力学性能试验和化学分析所得的数据，往往难以代表整个材料的性状。而宏观检测因其观察面较大且较直观，可了解金属或合金结构的整体情况，便于对比研究生产工艺改变时所造成的材料内部质量的差异，广泛用于判断冶炼、塑性加工或焊接过程是否正常，是生产现场和科研部门分析机械零件早期失效原因和检查热处理质量的重要手段。常用的宏观分析方法有浸蚀法、印画法、断口法、塔形车削发纹试验法及CCD 单列阵扫描法等。

1. 浸蚀法

将金属试样截面的油污磨掉，用酸或其他试剂深腐蚀，以显露其宏观组织的方法。浸蚀通常取横截面，有特殊要求时取纵截面。因为金属与合金中的不均匀性和缺陷受试剂浸蚀的速度与程度不同，会呈现深浅不一的颜色，甚至孔洞，常与相应的标准图片相比较评定级别。碳钢、合金钢，以及一般不锈钢、耐热钢，常用65～85℃的50%盐酸浸蚀，酸浸时间根据钢种、酸液浓度和检验目的不同而存在差别。断面较大的碳素钢、合金钢件或钢锭不便于用热酸浸蚀，常用10～20℃过硫酸铵水溶液在常温下浸泡，并用毛刷反复刷净表面的浸蚀产物，随即在热碱水中中和，或直接用热水冲洗干净和吹干。有色金属的浸蚀与钢基本上相同，有的试剂须加热，有的则只要在常温下对合金表面擦拭一定时间就能显示出组织和缺陷。

2. 印画法

印画法主要有硫印、氧印、磷印和铅印，用来记录深腐蚀的宏观组织、氧化物和硫化物夹杂以及磷或铅的分布等。试样制备与酸蚀法相同，但光洁度要求稍高。

3. 塔形车削发纹试验(www.xing528.com)

发纹是钢的宏观缺陷之一，是非金属夹杂物、针孔或气泡等在热加工中伸长而产生的细小纹，对钢的动力学性能，特别是疲劳强度影响极大。该试验方法是将需要检测的材料车削成规定的阶梯形试样，然后用肉眼检查其表面发纹长度及条数。用于制造重要机件的钢材，对发纹的数量、尺寸和分布都有严格的限制。

4. CCD 单列阵扫描法

CCD 单列阵扫描法检验速度快、精度高，能检查小于0.05 mm 的缺陷。如图5-11 所示，扫描仪由一列CCD 阵列传感器、图像卡、切换器、一维扫描机构、步进电动机和计算机等组成。采集开始时，先将输入的图像成像在CCD 摄像机阵列上，计算机通过端口地址译码器向切换器发送命令，切换器依次使CCD阵列的每一个CCD 与图像卡接通，并将每个CCD 采集到的图像依次送入图像卡，完成一次CCD 阵列方向上的扫描。此过程不需要步进电动机移动CCD，扫描速度得到了很大的提高。随后，控制系统发出信号启动步进电动机，带动CCD 阵列移动到下一采样行的位置。到位后，行程开关发出信号。CCD 又进行一次列方向的依次电扫描转换。重复上述过程，采集第二行图像数据，直到整个模具表面图像输入完毕。最后，控制系统发出信号启动步进电动机反向旋转，带动CCD 列阵回到扫描初始位置。

图5-11　CCD　检测原理

1—步进电动机；2—切换器；3—图像卡；4—计算机；5—精密丝杆；6—模具

根据采集到的图像中的灰度值来判断硬化层质量，当模具表面的缺陷处有一定的突起和凹陷或是表面粗糙度不同时，由于缺陷对入射光的反射程度不同，采集到的图像的灰度值的差异就能反映出缺陷的情况。模具表面有划痕时，划痕处由于反射光比较强烈，会出现亮条纹，称为亮缺陷；模具表面有砂眼和裂痕时，光射入砂眼会使反射光变弱，出现暗斑，称为暗缺陷；若采集到的是一幅灰度变化缓慢的图像，则表明模具表面很规则（即无缺陷）。