CC BY
66
РАЗРАБОТКА БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Петр Михайлович Плетнев
Сибирский государственный университет путей сообщения, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук 191, профессор кафедры физики, тел. (383) 328-02-71, e-mail: pletnevpm@sty.ru
Галина Вячеславовна Симонова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, тел. (383) 361-07-45,
e-mail: simgal@list.ru
Дмитрий Павлович Симонов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (383) 361-08-66, email: dumkah@gmail.com
Светлана Арсеньевна Степанова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры технологии оптического приборостроения, тел. (383) 361 -07-31, e-mail: kaf.top@ssga.ru
Предлагается установить корреляционную зависимость между локальными и интегральными характеристиками керамики на основе цифрового и фотоэлектрического методов анализа отражённого от поверхности светового сигнала. Это позволит снизить затраты и повысить достоверность контроля качества керамических изделий.
Ключевые слова: керамические материалы, цифровые снимки, автоматизированная классификация, структура, отражение света.
DEVELOPMENT CONTACTLESS METHODS QUANTITATIVE DETERMINATION THE STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF CERAMIC MATERIALS
Peter M. Pletnev
Siberian Transport University, 191 Dusy Kovalchuk, Novosibirsk, Prof., department of physics, tel. (383) 328-02-71, e-mail: pletnevpm@sty.ru
Galina V. Simonova
Siberian state academy of geodesy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk, 630108, docent, department metrology, standardization and sertification, tel. (383) 361-07-45, e-mail: simgal@list.ru
Dmitriy P. Simonov
Siberian state academy of geodesy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk, 630108, P.G., department of photogrammetry and remote sensing, tel. (383) 361-08-66, e-mail: dumkah@gmail.com
Svetlana A. Stepanova
Siberian state academy of geodesy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk, 630108, P.G., department of of technology optical instrumentation, tel. (383) 361-07-31, e-mail: kaf.top@ssga.ru
Article describes establishing a correlation between the local and integral characteristics of ceramic-based digital and photoelectric methods of analysis of the reflected light signal from the surface. This will reduce costs and improve the reliability of quality ceramic products.
Key words: ceramics, digital images, automated classification, structure, light reflection.
На свойства всех видов керамических материалов решающее влияние оказывает их строение. Под строением подразумевается взаимное сочетание и распределение кристаллической, стекловидной (аморфной) и газовой (т.е. пор) фаз, их физико-химическая природа и количественное соотношение.
Особенности строения керамики оценивают путем исследования её микроструктуры и текстуры. Микроструктура устанавливает природу кристаллических фаз, характер их строения и сочетания со стекловидной фазой и порами. Текстура определяет объем пор, их размеры, строение, форму и взаимное расположение в изделии. Рассмотрение свойств керамических материалов устанавливает, что в большинстве случаев они обусловливаются особенностью фазового состава.
В настоящее время контроль за соответствием полученных изделий предъявляемым требованиям происходит с использованием механической или визуальной оценки специально подготовленных образцом. Такой способ нельзя назвать прогрессивным, т.к. это достаточно трудоёмко, а результаты содержат значительную долю субъективной компоненты. Ранее было показано, что для получения достоверной и оперативной информации оценки качества керамических образцов целесообразно использовать существующие методы автоматизированного дешифрирования [1].
Под распознаванием образов (классификацией) понимается процедура, позволяющая вынести решение о принадлежности данного изображения или его фрагмента к одному из n классов, причем n > 1. Это решение выносится на основании наличия у изображения некоторых признаков того или иного класса. Результатом является выделение классифицированных объектов на изображении [2].
Целью данной работы было установить возможную корреляцию между количественными характеристиками структуры керамических образцов выявленную методами цифрового дешифрирования и интегральными характеристиками отражённого от керамики светового луча.
На рис. 1 представлен процесс создания обучающей выборки для класса «газовая фаза (поры)» методом выращивания.
Условия получения изображений разных образцов были практически идентичны, что позволило использовать одну и ту же обучающую выборку для классификации аналогичных образцов.
Для получения цифровых изображений поверхности керамических образцов был использован микроскоп МИА ЛабМет-И1 при увеличении 360х и цифровая фотокамера Olympus 3-420.
Для обработки результатов экспериментов использовался программный комплекс ERDAS IMAGINE.
На рис. 2 представлен результат обработки цифровых изображений поверхности двух образцов керамики выполненной по единому эталону.
Создание обучающей выборки
Рис. 1. Алгоритм формирования обучающей выборки для создания цифрового
эталона признака
Рис. 2. Результат автоматизированного дешифрирования фазового состава для образцов керамики типа ВК 95-1 для разной температуры спекания
Обучающая выборка создавалась при помощи эталона, сформированного на основе визуального анализа изображения. В набор сигнатур для данного эксперимента включались только два определяемых класса - «газовая фаза (поры)» и «стекловидная фаза». Таким образом, кристаллическая фаза, являющаяся основой керамики, попадала в понятие «неклассифицированные пиксели».
На рис. 2 отчётливо заметно, что образец “а” (температура спекания 1650 С) имеет большое количество пор и меньший размер кристаллов, чем образец “б “ (температура спекания 1680 С).
Исходя из этого, следует ожидать увеличение рассеяния отраженного от поверхности светового луча для образца “а” по сравнению с образцом “б”.
Для проверки этого предположения были проведены эксперименты по отражению от поверхности керамических образцов излучения Не-№ лазера на длине волны 630 нм. Лазерный луч направлялся нормально на поверхность образца, диаметр светового луча на образце составлял 4 мм. Отражённый сигнал регистрировался под углом 30 градусов от нормали. Полученный световой поток направлялся оптической системой на селеновый фотоэлемент. Электрический сигнал измерялся с помощью цифрового вольтметра.
-5
Соотношение сигнал/шум составляло 10 . Результаты измерений в условных
единицах приведены в табл. 1. Усреднение проводилось по измерениям в 10 точках поверхности образцов.
Таблица 1. Результаты проведенных исследований
Серия 1 Серия 2
Температура обжига,Со Тип поверхности Хср, уе. Мт, у.е Мах, у.е ^ у.е Мт, уе Мах, уе
1650 Шлиф. 9,67 9,00 10,31 10,37 9,90 10,83
Пресс. 10,02 9,97 10,04 10,95 10,90 11,00
1680 Шлиф. 7,53 7,11 7,92 8,51 8,02 9,00
Пресс. 9,42 9,14 9,70 10,18 9,80 10,56
Интересно, что относительные характеристики отраженного сигнала одного типа керамики практически идентичны как для полированной так и для прессованной поверхности.
Полученные результаты показывают, что изменение структуры керамики и соотношение фаз на поверхности существенно влияют на характер отраженного светового сигнала. Следовательно, для снижения затрат на контроль качества керамики специфический процесс цифрового дешифрирования при определении фазового состава можно использовать только на стадии формирования количественных эталонов структурных признаков. Структурными признаками в данном случае является процентное соотношение и размер фрагментов каждой фазы. Эти результаты нужно сопоставить с результатами оценки интегральных свойств поверхности на основе характеристик отраженного светового сигнала, что позволит получить корреляционную зависимость величины рассеянного светового сигнала от состояния поверхностной структуры образца.
1. Плетнев П.М., Симонова Г.В., Симонов Д.П., Степанова С.А. Оптимизация методов контроля качества функциональной керамики // Сб. материалов VII Международного научного конгресса ГЕО-Сибирь. - 2011. - Т. 5. Ч. 2. - С. 211 - 214.
2. Хлебникова Е.П. Определение количественного и качественного состава керамики методами автоматизированного дешифрирования // Сб. матер. VII Международного научного конгресса ГЕО-Сибирь. - 2011. - Т. 4. - С. 55-59.
© П.М. Плетнёв, Г.В. Симонова, Д.П. Симонов, С.А. Степанова, 2012
