電液耦合微噴試驗(yàn)及泰勒錐的圖像檢測(cè)方法

楊 揚(yáng)，趙 云,2,3

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213016；2.嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，嘉興 314000；3.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，嘉興 314000）

電液耦合微噴試驗(yàn)及泰勒錐的圖像檢測(cè)方法

楊 揚(yáng)1，趙 云1,2,3

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213016；2.嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，嘉興 314000；3.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，嘉興 314000）

在直流電壓作用下的電液耦合微噴印系統(tǒng)，考察了電壓對(duì)質(zhì)量濃度7%的聚氧化乙烯溶液噴印過(guò)程的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于一定的供液壓力，僅當(dāng)電壓值在一定范圍內(nèi)時(shí)，才可以形成正常噴射。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了一種應(yīng)用圖像處理技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泰勒錐側(cè)面輪廓進(jìn)行特征尺寸檢測(cè)的方法，利用該方法計(jì)算機(jī)可以在噴印的過(guò)程中，自動(dòng)測(cè)量泰勒錐的相關(guān)參數(shù)，并可望應(yīng)用到電壓自動(dòng)調(diào)整以及噴印過(guò)程的自動(dòng)優(yōu)化控制。

電液耦合動(dòng)力；微噴；泰勒錐；圖像處理；尺寸檢測(cè)

0 引言

電液耦合動(dòng)力（EHD，Electro-hydro dynamics）微噴的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在許多領(lǐng)域，非常適合于生成高精度的復(fù)雜圖案，為制造精密的聚合物器件提供了切實(shí)可行的方法[1～3]。在目前微納尺度噴印技術(shù)中，基于EHD的微尺度噴印技術(shù)已被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。但是，EHD微噴過(guò)程涉及電場(chǎng)、流場(chǎng)中的多個(gè)物理量以及工藝參數(shù)的影響，精準(zhǔn)控制相當(dāng)困難。理想的噴印要求錐射流細(xì)小且穩(wěn)定，這樣既可以得到高精度的噴印圖案，又可以減少誤差[4～6]。但是，由于噴射絲直徑在幾十納米到幾微米之間，在試驗(yàn)過(guò)程中很難對(duì)噴射到基板上的圖案進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線(xiàn)檢測(cè)與分析。

隨著工業(yè)攝像機(jī)硬件和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已被廣泛用于各領(lǐng)域的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，又由于其測(cè)量精度高、速度快、非接觸、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，被許多研究者用于工業(yè)產(chǎn)品的尺寸在線(xiàn)測(cè)量[7～11]。其中，文獻(xiàn)[7]介紹了在電紡絲成型質(zhì)量的控制中，采用圖像分析的方法對(duì)噴頭出口處液滴的形狀和大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電紡絲成型過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，由于MATLAB在圖像處理方面功能強(qiáng)大，已成功用于復(fù)雜機(jī)械零件的尺寸測(cè)量與分析[12,13]。

本課題就是以提高聚合物材料噴印 質(zhì)量為目標(biāo)，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用機(jī)器視覺(jué)與MATALB相結(jié)合對(duì)泰勒錐側(cè)面圖像進(jìn)行輪廓檢測(cè)與尺寸測(cè)量，為下一步實(shí)現(xiàn)微噴過(guò)程的主動(dòng)控制提供技術(shù)積累。

1 電液耦合噴印原理

在EHD微噴過(guò)程中，噴嘴與基板間施加電場(chǎng)，在表面張力的作用下聚合物溶液在針頭處呈球狀液滴。當(dāng)聚合物溶液輸送壓力一定，電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，隨著電荷密度的不斷增加，尖端的電場(chǎng)力將大于表面張力，最終從泰勒錐的尖端發(fā)射出小于噴嘴直徑的射流，該噴射模式即為錐射流模式。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

構(gòu)建了一個(gè)基于EHD的微噴印系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1所示）。以醫(yī)用注射器的針管作為貯液容器，以空心的不銹鋼針頭作為噴嘴(內(nèi)徑為60μm)，通過(guò)塑料軟管將二者相連，精密注射泵作為供液源，通過(guò)與PC機(jī)相連的CCD可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)觀測(cè)。收集板放置在二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。高壓直流電壓的正極接噴嘴，負(fù)極接收集板并接地。

圖1 電噴印基本原理和結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 噴印實(shí)驗(yàn)

以去離子水、無(wú)水乙醇的混合溶液（比例為4:1）為溶劑配成質(zhì)量濃度7%的聚氧化乙烯（PEO，Mw=300,000g/貝基化學(xué)試劑）溶液。在噴嘴距離收集板2.65mm、收集板運(yùn)動(dòng)速度50mm/s的條件下，觀察電壓值改變對(duì)噴印過(guò)程的影響。當(dāng)供液速度為0.8μL/min時(shí)，電壓值從0開(kāi)始增大，至1.3kV開(kāi)始產(chǎn)生穩(wěn)定噴射（如圖2(a)所示）。此后，逐步增加電場(chǎng)電壓，所得到的的泰勒錐如圖2(b)、(c)、(d)、(e)所示。電壓達(dá)到4.6kV時(shí)，彎液面由凸形變?yōu)榱税夹?，泰勒錐消失，穩(wěn)定的射流被破壞，如圖2(f)所示。

圖2 不同電壓情況下的泰勒錐（基板為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下）

泰勒錐的形成是微噴中一個(gè)相當(dāng)重要的過(guò)程，并與眾多因素有關(guān)，特別是與液體壓力、電壓直接關(guān)聯(lián)。其他研究者的結(jié)果表明和本試驗(yàn)結(jié)果都顯示，在一定的聚合物溶液輸送壓力下，泰勒錐形狀明顯受到電壓的影響，只有電壓在一定的范圍中時(shí)，才能形成泰勒錐并保持連續(xù)噴印。當(dāng)電壓過(guò)大時(shí)，泰勒錐的穩(wěn)定性就會(huì)被破壞，從而變成多股射流[6,11～13]。試驗(yàn)初步顯示，在可打印范圍中，隨著電壓增加，泰勒錐的輪廓從圓弧向倒三角形變化。

2 泰勒錐特征參數(shù)與圖像檢測(cè)

圖3為本試驗(yàn)中所得的泰勒錐圖像（拍攝時(shí)基板處在靜止?fàn)顟B(tài)）。泰勒錐的受力分析如圖4所示，圓錐面上液體的法向電場(chǎng)力必須與表面張力及流體內(nèi)外壓差保持平衡，維持泰勒錐的穩(wěn)定，當(dāng)電場(chǎng)力發(fā)生變化時(shí)，在錐體圓弧段，表面張力就必須發(fā)生變化以平衡電場(chǎng)力，即錐體的表面形狀必須發(fā)生變化。既然從理論以及試驗(yàn)的角度都說(shuō)明泰勒錐的側(cè)面輪廓的信息反映了控制參數(shù)（電壓、輸液壓力）的綜合作用，那么通過(guò)檢測(cè)泰勒錐側(cè)面輪廓的形狀信息來(lái)控制噴印是可行的。

圖3 試驗(yàn)CCD攝取的泰勒錐（基板靜止，電壓為1.5kV）

圖4 電場(chǎng)中的液面受力

2.1 泰勒錐特征參數(shù)

為了能夠?qū)μ├斟F側(cè)面輪廓進(jìn)行分析，就必須定義一個(gè)輪廓模型，并確定其特征參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)觀察得知，在承接噴印材料的基板不動(dòng)和連續(xù)噴印的情況下，泰勒錐的側(cè)面輪廓呈現(xiàn)為杯型輪廓，如圖5所示。輪廓由左右對(duì)稱(chēng)的輪廓1和輪廓2組成，A、B兩點(diǎn)是噴管內(nèi)壁的下端點(diǎn)（d1為噴管內(nèi)直徑）。以輪廓1說(shuō)明，由液滴輪廓圓弧R1、噴柱輪廓和前后者過(guò)渡圓弧r1組成?？梢钥闯觯├斟F輪廓內(nèi)包絡(luò)了一個(gè)以A、B、C為頂點(diǎn)的三角形。其中，AC邊與輪廓1相切于E點(diǎn)，BC邊相切于F點(diǎn)。已知d1，測(cè)量h，就能確定該三角形。同時(shí)，為了能夠知道當(dāng)前泰勒錐輪廓與其包絡(luò)的內(nèi)三角形之間的差距，可以定義一個(gè)參數(shù)s來(lái)表達(dá)，即在三角形中位線(xiàn)上測(cè)量圓弧輪廓R1與AC的距離。噴印的線(xiàn)寬決定于泰勒錐噴柱的大小，所以定義噴柱的輪廓直徑d2，即噴柱底端寬度。

2.2 圖像處理及特征尺寸測(cè)量

1）圖像處理

圖5 泰勒錐側(cè)面圖像檢測(cè)原理圖

圖像處理的目的就是能成功識(shí)別并準(zhǔn)確提取目標(biāo)區(qū)域，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性。因此，要對(duì)采集的原始圖像進(jìn)行一系列預(yù)處理，保證得到邊緣清晰的泰勒錐輪廓圖像，以實(shí)現(xiàn)其特征尺寸的測(cè)量。

（1）圖像灰度直方圖

對(duì)灰度圖（如圖6所示）進(jìn)行灰度統(tǒng)計(jì)，得到待測(cè)量區(qū)域的灰度直方圖（如圖7所示），灰度值主要集中在2個(gè)范圍內(nèi)，背景對(duì)應(yīng)的像素灰度值主要分布在90～160的范圍內(nèi)，而被測(cè)量目標(biāo)對(duì)應(yīng)的像素灰度主要集中在15～35之間，表明泰勒錐與背景灰度值區(qū)分不十分明顯，為此，采用增強(qiáng)高灰度級(jí)，結(jié)果如圖8所示，椎體輪廓與背景得以有效區(qū)分，通過(guò)二值化處理的結(jié)果如圖9所示。

圖6 灰度圖

圖7 直方圖

（2）二值化圖像的填充和邊緣提取

在試驗(yàn)環(huán)境下采集到的圖片（如圖3所示），由于有反光等因素，在進(jìn)行圖像的二值化操作后，圖像呈現(xiàn)空洞（如圖7所示）。必須進(jìn)行填充處理。具體做法是對(duì)圖像進(jìn)行逐行、逐列掃描，確定每行中的最左點(diǎn)和最右點(diǎn)和每列的最上點(diǎn)和最下點(diǎn)，二者之間全部填充（如圖10所示）。在邊緣提取中，對(duì)比了Roberts算子、Sobel算子和Canny算子后，最終選擇Canny算子進(jìn)行邊緣提取，結(jié)果如圖11所示。

圖8 增強(qiáng)灰度圖

圖9 二值化圖

圖10 填充圖

圖11 邊緣提取圖

2）特征尺寸測(cè)量

通過(guò)圖像預(yù)處理和邊界檢測(cè)，獲得了泰勒錐圖像的邊緣線(xiàn)。特征尺寸測(cè)量就是按照?qǐng)D5所示的特征，對(duì)幾何特征進(jìn)行尺寸測(cè)量。除已知的噴管的直徑d1外，需要測(cè)量三角形ABC的高h(yuǎn)、輪廓1、2在中位線(xiàn)上與直線(xiàn)AC、BC的距離s以及射流噴柱的直徑d2。

由于噴管的直徑為60μm，如果測(cè)得A、B兩點(diǎn)間的像素?cái)?shù)為m，則本測(cè)量系統(tǒng)的像素當(dāng)量Ce為60/m，以此參數(shù)來(lái)做標(biāo)定，即：通過(guò)圖像特征提取得到的任何尺寸值，利用公式計(jì)算：尺寸值=該尺寸對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)×Ce。

（1）三角形ABC的高h(yuǎn)的測(cè)量。

基于泰勒錐輪廓的對(duì)稱(chēng)性，為了減少計(jì)算量，以中線(xiàn)OD左側(cè)的輪廓1來(lái)測(cè)量。如圖5所示，輪廓1上任意一點(diǎn)為Pi（i為1到n的變量，n為輪廓1上所有像素點(diǎn)的總和）的坐標(biāo)為[xi，yi]；在三角形中線(xiàn)上，從O點(diǎn)開(kāi)始到

【】【】下端點(diǎn)D的范圍內(nèi)，任意像素點(diǎn)為Qj（j為1到m的變量，其中m為直線(xiàn)OD段上所有像素點(diǎn)的總和）的坐標(biāo)為[xO，yj]；通過(guò)賦值運(yùn)算，當(dāng)坐標(biāo)[xi，yi]滿(mǎn)足(yj-yA)/(xjxA)=(yi-yA)/(xO-xA)有且僅有1個(gè)解時(shí)，可定位三角形頂點(diǎn)C和切點(diǎn)E。找到C點(diǎn)后，中心點(diǎn)到C的像素?cái)?shù)求和，即得到h。

（2）輪廓1在中位線(xiàn)上與直線(xiàn)AC的距離s

根據(jù)C坐標(biāo)定位三角形中位線(xiàn)，中位線(xiàn)左側(cè)交于點(diǎn)G，如同求h的算法，定位交點(diǎn)H，并通過(guò)兩交點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系，像素求和計(jì)算距離s。

（3）射流噴柱的直徑d2

定位兩輪廓最低點(diǎn)（兩點(diǎn)橫坐標(biāo)相同），通過(guò)兩點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)系，像素求和計(jì)算距離d2。

3）測(cè)量結(jié)果

根據(jù)上述算法，對(duì)試驗(yàn)所得的圖3圖像進(jìn)行測(cè)量，可得h=42.66μm，s=12.27μm，d2= 3.04μm。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)直流高壓作用的電液耦合微噴印系統(tǒng)，考察了電壓對(duì)聚氧化乙烯溶液噴印過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)質(zhì)量濃度7%的聚氧化乙烯溶液，僅當(dāng)電壓值一定范圍內(nèi)變化時(shí)，可保證穩(wěn)定噴射，電壓過(guò)低或過(guò)高，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定噴射。并且，泰勒錐的側(cè)面形狀隨電壓變化而變化，電壓越高，其側(cè)面弧線(xiàn)形狀越趨向直線(xiàn)，側(cè)面輪廓趨向三角形。

根據(jù)上述泰勒錐的側(cè)面形狀隨電壓變化而變化的規(guī)律，提出了一種應(yīng)用圖像處理技術(shù)對(duì)泰勒錐側(cè)面輪廓進(jìn)行特征檢測(cè)的方法。該方法首先定義了一個(gè)泰勒錐側(cè)面輪廓模型和3個(gè)特征參數(shù)，應(yīng)用MATLAB對(duì)噴印過(guò)程中獲取的圖像進(jìn)行一系列圖像處理并測(cè)量了特征參數(shù)值。初步嘗試說(shuō)明，利用該機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和圖像分析方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泰勒錐側(cè)面輪廓的特征檢測(cè)。

由于電液耦合微噴過(guò)程的影響因素較多，上述試驗(yàn)研究和圖像分析還僅是初步工作，需要圍繞電壓、流量、液體粘度等因素展開(kāi)更加深入的理論和試驗(yàn)工作。

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Experiment on EHD printing and image measurement

YANG Yang1, ZHAO Yun1,2,3

TP391.4

：A

1009-0134(2017)03-0046-04

2016-12-26

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015C31069）

楊揚(yáng)（1991 -），男，江蘇常州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏黧w微噴。