基于數(shù)字圖像相關(guān)的硫化膠內(nèi)部缺陷檢測方法

李 蕊，張?zhí)碓?/p>

（天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134）

高阻尼橡膠材料由于具有優(yōu)異的抗沖擊性和吸能性而被廣泛用作包裝緩沖材料[1]，如用作托盤箱、精密儀器、高檔藥品等的包裝緩沖材料。使用時常將橡膠材料制成板狀、條狀、塊狀等形狀硫化膠，裝在相應(yīng)位置，達(dá)到緩沖吸能效果。硫化膠在制備過程中容易產(chǎn)生以大氣泡為主的內(nèi)部缺陷，顯著影響硫化膠的緩沖吸能性能。工程中常通過改善硫化膠的生產(chǎn)工藝，來減少大氣泡等缺陷的出現(xiàn)。對缺陷進(jìn)行檢測是進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)，目前不少學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的工作，如采用脈沖熱成像[2]、散斑干涉[3]、全息干涉[4]、微波[5]、超聲波[6]、X射線[7]和電磁技術(shù)[8]等方法檢測了碳纖維復(fù)合材料、泡沫夾層復(fù)合材料等材料的內(nèi)部缺陷，但這些方法有的檢測過程繁瑣、速度慢、使用和維護(hù)成本高，有的系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理麻煩。常規(guī)的圖像處理[9]和機(jī)器視覺[10]只能用于表面缺陷的檢測，缺乏內(nèi)部缺陷的信息。

數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）方法具有靈敏度高、設(shè)備簡單、多尺度觀測等優(yōu)點，被廣泛用于全場變形測量。DIC方法已成功用于測量WB36鋼[11]等小變形材料[12]和橡膠等大變形材料[13]的變形。有學(xué)者使用DIC方法測量了聚醚酰亞胺、聚酰亞胺和聚萘二甲酸乙二醇酯3種薄膜的熱膨脹系數(shù)[14]及純銅薄膜的熱膨脹系數(shù)[15]。DIC方法也可以用來測量硫化膠的熱變形。事實上，硫化膠的內(nèi)部缺陷由于熱傳導(dǎo)過程不同，可通過熱變形行為識別，其通常表現(xiàn)為一定程度的熱應(yīng)變集中。因此，通過測量熱應(yīng)變集中來檢測橡膠的內(nèi)部缺陷是可行的，但這項工作目前尚未見報道。

本工作提出一種基于DIC的硫化膠內(nèi)部缺陷檢測方法，建立通過測量熱應(yīng)變集中檢測橡膠板內(nèi)部缺陷的系統(tǒng)，最后進(jìn)行試驗驗證。

1 內(nèi)部缺陷檢測方法

1.1 DIC方法

DIC方法使用相機(jī)采集待測試樣變形前后的數(shù)字散斑圖像，通過跟蹤兩幅圖像的散斑信息測量試樣的變形。散斑分布的隨機(jī)性保證了變形測量的準(zhǔn)確性。相關(guān)運算在散斑場中將以某一點為中心的鄰域選定為子區(qū)，通過對子區(qū)的運動和變化進(jìn)行搜索和分析，可以獲得該點的位移和應(yīng)變。在感興趣區(qū)域（Region of interest，ROI）中逐點執(zhí)行相關(guān)運算，就可以獲得待測試樣的全場位移，進(jìn)而得到全場應(yīng)變。

1.2 內(nèi)部缺陷檢測

根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，橡膠材料的變形是各向同性彈性體的均勻變形。當(dāng)橡膠板內(nèi)部存在缺陷時，由于橡膠與缺陷處材料（如空氣）的熱膨脹系數(shù)不同，在橡膠板加熱過程中，缺陷區(qū)域會有明顯的應(yīng)變集中，可采用第1主應(yīng)變（ε1）進(jìn)行分析。通過迭代閾值分割對加熱后橡膠板表面各點的ε1分布圖進(jìn)行分割，能夠檢測內(nèi)部缺陷的位置和大小。

2 實驗

2.1 試驗系統(tǒng)

基于DIC的非接觸式檢測系統(tǒng)由DIC采集系統(tǒng)和自動加熱系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 非接觸式檢測系統(tǒng)

DIC采集系統(tǒng)由UP-1830CL CCD相機(jī)（美國UNIQ公司產(chǎn)品，1 024×1 024像素，幀率30 fps）、XENOPLAN TELECENTRIC 1∶1雙遠(yuǎn)心鏡頭[德國Schneider公司產(chǎn)品，視野8.8 mm×6.6 mm，工作距離（47±3） mm]、環(huán)形冷光源和1#計算機(jī)組成。1#計算機(jī)用于獲取數(shù)字圖像和處理數(shù)字圖像。采用雙遠(yuǎn)心鏡頭可以消除離面位移對DIC測試精度的影響。自動加熱系統(tǒng)由TST350型冷熱臺（英國Linkam公司產(chǎn)品，溫度范圍-196～+350℃，最大溫度升/降速率30 ℃·min-1，溫度精度0.1 ℃）、溫度控制器和2#計算機(jī)組成。

2.2 試樣與試驗準(zhǔn)備

待測試樣（硫化膠片）尺寸為12 mm×12 mm×5 mm。 使用iwata is-925 型噴槍（日本ANEST IWATA公司產(chǎn)品）在試樣表面噴涂黑色墨水形成人工散斑。加熱過程中，人工散斑作為變形信息載體隨試樣表面一起變形。將試樣水平方向不受約束地放置在冷熱臺內(nèi)的銀臺上，保證試樣與銀臺良好地接觸。用環(huán)形冷光源均勻照射試樣表面，通過調(diào)節(jié)雙遠(yuǎn)心鏡頭的物距和孔徑，獲得清晰的試樣表面數(shù)字圖像。

室溫（28 ℃）下采集的試樣數(shù)字圖像如圖2所示。

圖2 室溫下硫化膠片試樣的散斑圖

2.3 零變形試驗

零變形試驗[11]用于驗證檢測系統(tǒng)的可靠性。用CCD相機(jī)在室溫下連續(xù)采集10張試樣的圖像，編號為0—9，選取編號為0的圖像作為參考圖像。其余圖像ROI內(nèi)的位移和變形用DIC商業(yè)軟件（美國Vic-2D 2009軟件）計算。其中ROI大小為1 117×851像素，步長為5像素，子區(qū)大小為41×41像素。由于試樣被放置時不受約束且未加熱，理論上每幅圖像ROI的ε1應(yīng)為零。然而，由于環(huán)境噪聲和DIC采集系統(tǒng)誤差的影響，每幅圖像ROI的ε1的計算結(jié)果都不是零，ε1的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示。

圖3 ε1的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

經(jīng)計算，ε1的平均值小于35 με，標(biāo)準(zhǔn)差小于±230 με。

2.4 熱變形試驗

完成零變形試驗后，試樣狀態(tài)保持不變。冷熱臺自動加熱系統(tǒng)設(shè)置為從30 ℃依次加熱至60℃，梯度為2 ℃，升溫速率為10 ℃·min-1。在達(dá)到每個目標(biāo)溫度并保持溫度穩(wěn)定1 min后，記錄相應(yīng)目標(biāo)溫度下試樣表面的數(shù)字圖像。用這種方法，在30～60 ℃范圍內(nèi)獲得了16張試樣圖像。將30 ℃下采集的數(shù)字圖像作為DIC初始參考圖像。ROI的大小為1 050×765像素，計算所用子區(qū)的大小為41×41像素，步長為5像素。計算其他圖像中ROI的位移和變形，得到試樣的熱變形信息。試樣表面ε1的分布如圖4所示。

從圖4可以看出，試樣表面ε1隨溫度升高而增大，在36 ℃時開始出現(xiàn)應(yīng)變集中現(xiàn)象。

在熱變形試驗中，試樣ε1的平均值約為1 000～6 000 με，遠(yuǎn)大于零變形時的結(jié)果。因此，非接觸式檢測系統(tǒng)的精度滿足試驗要求，在該檢測系統(tǒng)下得到的結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)果與討論

完成熱變形試驗后待試樣冷卻至室溫，取下試樣，在距其表面0.32 mm處進(jìn)行切割，獲得ROI對應(yīng)的切割試樣表面的數(shù)字圖像，如圖5（a）所示。從DIC軟件計算的試樣熱變形信息中提取ε1，通過迭代閾值分割進(jìn)行圖像分割，得到切割試樣不同溫度下對應(yīng)的ε1二值圖像，如圖5（b）—（h）所示。然后對大氣泡進(jìn)行識別分析。氣泡邊界由切割試樣表面圖像中的線繪制出來，如圖5（a）所示。氣泡邊界線被放置在不同溫度下ε1二值圖像的同一位置，如圖5（b）—（h）所示。

圖5 切割試樣表面圖像與不同溫度下ε1二值圖像的對比

從圖5（a）可以看出，切割試樣表面有許多氣泡，其中1個氣泡較大。由圖5（b）和（c）可知，在32和34 ℃下，試樣ε1二值圖像無法確定試樣內(nèi)部較大氣泡的大小和位置。

由圖5（d）—（g）可知：從36 ℃及以上試樣的ε1二值圖像可以確定較大氣泡的位置，并大致得出氣泡的大??；通過ε1檢測到的氣泡位置與真實氣泡的位置基本一致；隨著溫度的升高，ε1二值圖像中檢測到的氣泡增加。由于圖5（a）是在室溫（28 ℃）下拍攝的，而試樣的其他圖像溫度均高于28 ℃，因此切割試樣及其內(nèi)部氣泡隨著溫度的升高而膨脹，熱應(yīng)變集中區(qū)域也隨著溫度的升高而增大。

另外，圖5（b）—（g）中檢測到的大氣泡的邊界形狀與圖5（a）中的真實氣泡的邊界形狀并不完全相同，其他小氣泡的檢測結(jié)果與實際結(jié)果也不完全一致，原因如下。

（1）試驗中捕獲的數(shù)字圖像是試樣表面的圖像，表面圖像也受試樣內(nèi)部情況的影響。由這些圖像計算出的ε1包含了每個深度處氣泡的信息，而切割試樣的圖像僅是其在0.32 mm深度處的圖像，不包含內(nèi)部所有氣泡的信息。

（2）根據(jù)氣泡大小和深度的不同，試樣和氣泡熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)變集中可以通過試樣表面ε1的分布反映出來，所需的加熱溫度也不同。

4 結(jié)論

針對包裝緩沖材料硫化膠易產(chǎn)生以大氣泡為主的內(nèi)部缺陷，考慮到硫化膠缺陷處材料的熱膨脹系數(shù)不同而在加熱過程中產(chǎn)生的應(yīng)變集中現(xiàn)象，提出了一種基于DIC的非接觸檢測硫化膠內(nèi)部缺陷的方法。通過試驗驗證了該方法的可行性和有效性。結(jié)果表明，對于本工作采用的試樣，當(dāng)溫度從30 ℃升至36 ℃時，可以確定硫化膠片內(nèi)部存在氣泡，并通過切割試樣表面ε1二值圖像評估氣泡的位置和大小。對于不同厚度或不同材質(zhì)的橡膠片材，雖然檢測出內(nèi)部缺陷所在位置時的實際加熱溫度略有差別，但均可采用該方法進(jìn)行檢測。