量塊的超聲清洗效果評(píng)價(jià)方法研究

丁 鴻,禹 靜,劉立人,李東升

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.昆山市超聲儀器有限公司,江蘇 昆山 215345)

量塊作為一種高精度的端面量具,在計(jì)量行業(yè)和工程測(cè)量領(lǐng)域中有著廣泛而深遠(yuǎn)的應(yīng)用背景。鋼制量塊主要由特質(zhì)硬質(zhì)合金鑄造而成,不當(dāng)?shù)谋４婧褪褂梅绞綍?huì)導(dǎo)致量塊的工作面發(fā)生氧化銹蝕或附著污物,從而影響量塊的測(cè)量精度。因此,量塊的日常保存需要在其表面涂抹防銹油并用油紙包裹,長(zhǎng)期不使用時(shí),防銹油會(huì)隨時(shí)間變質(zhì),因此需要對(duì)量塊進(jìn)行定期的清洗并重新上油保存[1]。

傳統(tǒng)的量塊清洗方法是人工使用航空汽油來(lái)清洗,這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且存在一定的安全隱患[2],超聲清洗是一種高效、安全環(huán)保的清洗技術(shù),廣泛應(yīng)用于電子機(jī)電、輕工紡織、航空航天、軍事鐵路、精密儀器、醫(yī)療器械等多個(gè)領(lǐng)域,經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展,超聲清洗技術(shù)已越發(fā)成熟,選擇安全高效的超聲清洗方法來(lái)替代傳統(tǒng)的量塊清洗方法是非常有意義的。馮若等[3]從超聲空化以及超聲振動(dòng)的機(jī)械效應(yīng)等方面討論了超聲清洗的物理機(jī)制。Mazue G等[4]對(duì)船體表面附著污物進(jìn)行了超聲清洗實(shí)驗(yàn),證明了換能器與船體距離較近時(shí),超聲清洗效果比較好。吳強(qiáng)等[5]對(duì)環(huán)境的超聲清洗機(jī)制進(jìn)行了探究,分析了環(huán)境壓力對(duì)空泡湮滅時(shí)的空泡最大直徑、空泡釋放的能量以及湮滅功率等因素的影響。國(guó)外超聲清洗設(shè)備中高頻超聲清洗機(jī)占據(jù)著很大的比重,多用于半導(dǎo)體硅片等電子器件的清洗,而國(guó)內(nèi)超聲清洗設(shè)備則朝著多樣化的清洗方式發(fā)展。

然而,就目前的狀況而言,市面上并沒(méi)有完善的量塊專用超聲清洗系統(tǒng),而在超聲清洗時(shí),若是超聲清洗機(jī)的參數(shù)設(shè)置不合適,將對(duì)量塊造成一定的損傷。量塊是一種高精度的端面量具,造價(jià)不低,直接使用量塊來(lái)進(jìn)行清洗實(shí)驗(yàn),研究成本較高。故本文提出了一種評(píng)價(jià)超聲清洗效果的鋁箔測(cè)量方法實(shí)驗(yàn),通過(guò)該實(shí)驗(yàn)得出預(yù)估的最佳清洗方案后,再使用量塊進(jìn)行超聲清洗實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方案的可行性。

1 超聲清洗與實(shí)驗(yàn)分析原理

1.1 超聲清洗原理

超聲清洗是基于超聲空化現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。超聲空化指的是在強(qiáng)超聲的作用下,液體內(nèi)部的某一區(qū)域會(huì)形成一個(gè)暫時(shí)的負(fù)壓區(qū)域,在它的影響下液體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生空穴或者是空泡,這些空泡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)下,隨著聲波的稀疏相和壓縮相的生長(zhǎng)收縮引起的多次振蕩,最后因高速崩潰產(chǎn)生高速的空化微射流[6-7],將空泡或空穴中聚集的能量瞬間釋放,這種現(xiàn)象會(huì)在空泡周圍形成一個(gè)高溫高壓區(qū)域,在這區(qū)域內(nèi)的壓力高達(dá)上千個(gè)大氣壓,在如此大的壓力作用下,不溶性污物會(huì)破壞從而分散到清洗液中[8]。

超聲空化作用實(shí)際上就是空化泡壁的運(yùn)動(dòng)過(guò)程[9-11]。這一過(guò)程可以使用一種動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述,在考慮環(huán)境圍壓、液體黏度、飽和蒸汽壓和表面張力對(duì)空泡泡壁運(yùn)動(dòng)影響的前提下,對(duì)空泡進(jìn)行能量衡算、質(zhì)量衡算并聯(lián)立求解,得到空泡泡壁在正弦聲波作用下運(yùn)動(dòng)的基本方程如式(1)[12-13]:

(1)

式(1)中:R為空泡的瞬時(shí)半徑,μm;t為時(shí)間,μs;R0為空泡的初始半徑,μm;ρ為液相密度,kg/m3;p0為環(huán)境圍壓,Pa;σ為表面張力,N/m;n為反映熱力學(xué)過(guò)程狀態(tài)的多方指數(shù);pA為超聲聲壓幅值,Pa;f為超聲頻率,Hz;μ為液體黏度,Pa·s。

為了得到有效描述泡壁運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)模型進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化:1) 液體視為不可壓縮;2) 空泡內(nèi)的氣體視為理想氣體;3) 不考慮重力的影響;4) 空泡的球心固定;5) 空泡在整個(gè)過(guò)程中始終保持球形;6) 泡壁只做徑向運(yùn)動(dòng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)分析原理

鋁箔質(zhì)地柔軟,放置在超聲清洗機(jī)中進(jìn)行清洗時(shí),由于超聲空化作用,鋁箔表面會(huì)生成許多腐蝕小孔,而且清洗時(shí)間越長(zhǎng),生成的小孔面積越大[14]。由于鋁箔外觀呈銀白色且反光性較好,將鋁箔放置在黑色背景板上,并在一定的光照作用下時(shí),鋁箔表面由于空化作用生成的小孔可以與鋁箔完好部位很好地區(qū)分開來(lái)。通過(guò)分析鋁箔表面生成的腐蝕小孔的面積大小與分布情況,可以初步判斷不同參數(shù)設(shè)置條件下超聲清洗機(jī)的清洗效果。腐蝕小孔面積的占比越大,說(shuō)明小孔生成區(qū)域的超聲空化效果越強(qiáng),相應(yīng)的清洗效果也就越好。腐蝕小孔分布的均勻性越好,說(shuō)明使用超聲清洗機(jī)清洗量塊時(shí),對(duì)量塊表面各個(gè)區(qū)域均能產(chǎn)生較好的清洗效果。

1.2.1 鋁箔腐蝕面積比

腐蝕面積比指的是鋁箔在超聲清洗后鋁箔表面被腐蝕面積與鋁箔初始總面積的比值。鋁箔在超聲空化作用下,它的表面會(huì)因該作用產(chǎn)生的一種極大的“空化力”而撕裂,從而在鋁箔表面形成腐蝕小孔,清洗時(shí)間越長(zhǎng),產(chǎn)生的小孔面積越大,該過(guò)程可看作一種物理腐蝕現(xiàn)象。設(shè)A1為鋁箔被腐蝕部分面積,A2為鋁箔初始總面積,K為腐蝕面積比,那么計(jì)算腐蝕面積比的公式如下:

K=(A1/A2)×100%。

(2)

評(píng)價(jià)腐蝕面積比的具體流程內(nèi)容如下:第一步,在一定光照條件下,將清洗后的鋁箔放置在黑色背景板上,之后將相機(jī)固定在合適位置拍攝鋁箔原始圖片,固定相機(jī)的目的是讓各個(gè)鋁箔原始圖片的總像素?cái)?shù)相近,同時(shí)不影響實(shí)際的鋁箔腐蝕面積比。第二步,觀察圖像中鋁箔被腐蝕出的小孔的分布情況,然后對(duì)圖像進(jìn)行裁剪處理,目的是合理地選擇實(shí)際的評(píng)價(jià)面積,使得截取的圖片能完整地反映超聲空化作用情況。第三步是圖像的灰度化處理,將原始圖像灰度化處理是為了在下一步方便將圖像二值化。第四步是圖像的二值化處理。根據(jù)灰度圖像的情況選取合適的閾值進(jìn)行圖像二值化處理,目的是為了讓二值化后的圖像能基本上反映實(shí)際情況。二值化后的圖像本質(zhì)上是由元素“0”和“1”組成的矩陣,元素的數(shù)量反映的就是鋁箔總面積和鋁箔被腐蝕部分的面積[15]。最后,利用Matlab計(jì)算該矩陣中“0”元素的數(shù)量即A1(黑色像素的數(shù)量),以及整個(gè)圖像所有元素的數(shù)量即A2(總像素?cái)?shù)),那么腐蝕面積比即可由公式(2)計(jì)算得到。

本文以Matlab圖像處理技術(shù)來(lái)分析該參數(shù)。處理流程見(jiàn)圖1。

圖1 腐蝕面積比評(píng)價(jià)流程圖Figure 1 Flow chart of corrosion area ratio evaluation

1.2.2 小孔分布均勻性

小孔分布均勻性指的是鋁箔表面被腐蝕之后所產(chǎn)生的所有小孔的大致分布情況。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)差可以用來(lái)表示一組數(shù)據(jù)的大致分散情況,所以可以計(jì)算16等分后的圖像中每個(gè)小區(qū)域的小孔腐蝕面積比的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)大致地表征該參數(shù)。

小孔分布均勻性分析流程與鋁箔腐蝕面積比分析流程的不同之處是,在得到鋁箔的二值化圖像之后,要先將該圖像進(jìn)行16等分處理,然后計(jì)算每個(gè)等分區(qū)域的腐蝕面積比。該過(guò)程的具體實(shí)現(xiàn)方法是:先計(jì)算二值圖像的高H和寬W,然后計(jì)算每個(gè)小區(qū)域的高h(yuǎn)和寬w,其中h=H/4,w=W/4。之后利用循環(huán)函數(shù)按從上到下,從左到右的順序提取每一個(gè)大小為h·w的區(qū)域圖像,之后將得到的區(qū)域圖像顯示在提前創(chuàng)建的4×4圖形窗口中的相應(yīng)位置之上,然后計(jì)算等分區(qū)域的總像素?cái)?shù)A0,再計(jì)算每個(gè)等分區(qū)域的黑色像素?cái)?shù)Ai,那么每個(gè)等分區(qū)域的腐蝕面積比可由式(3)計(jì)算得到。

Ki=(Ai/A0)×100%。

(3)

計(jì)算所有等分區(qū)域的腐蝕面積比的標(biāo)準(zhǔn)差,該標(biāo)準(zhǔn)差的值可以用來(lái)評(píng)價(jià)小孔分布的不均勻程度,即可作為小孔分布均勻性。若該標(biāo)準(zhǔn)差的值越小,那么大致上可以說(shuō)明小孔分布情況越均勻。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差Sd的公式如下:

(4)

使用Matlab進(jìn)行圖像處理的流程框圖如圖2。

圖2 小孔分布均勻性分析流程圖Figure 2 Flow chart of distribution uniformity analysis of small holes

2 鋁箔測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)在確定超聲頻率為45 kHz條件下,共進(jìn)行了9組實(shí)驗(yàn),其中清洗溫度分別為35 ℃、40 ℃和45 ℃,清洗時(shí)間分別為4 min、

6 min和8 min。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1) 超聲頻率設(shè)置為45 kHz,水溫預(yù)設(shè)為35 ℃,清洗時(shí)間設(shè)置為4 min。

2) 向超聲清洗機(jī)水槽中注水至水位高60 mm,打開加熱開關(guān)直到水溫顯示為35 ℃。

3) 取若干厚度為0.05 mm的鋁箔剪成100 mm×60 mm大小的長(zhǎng)方形,將鋁箔放置在清洗機(jī)托盤中,放上清洗機(jī)蓋子后打開儀器開關(guān)執(zhí)行超聲清洗工作。

4) 清洗完畢后,取出這組鋁箔,擦拭干凈后保存用于后續(xù)結(jié)果分析。另取尺寸相同的鋁箔重新放入清洗機(jī)后,改變清洗機(jī)相應(yīng)參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

5) 分析得出最佳超聲清洗條件后用量塊進(jìn)行超聲清洗實(shí)驗(yàn)。先用電子天平稱量實(shí)驗(yàn)前量塊質(zhì)量m1,再稱量實(shí)驗(yàn)后量塊質(zhì)量m2,通過(guò)計(jì)算m1與m2的差值來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)方案的可行性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

鋁箔面積評(píng)價(jià)方法實(shí)驗(yàn)總共分為三組,每一組實(shí)驗(yàn)的清洗液溫度分別為35 ℃、40 ℃和45 ℃。每一組實(shí)驗(yàn)的清洗時(shí)間均設(shè)置三個(gè)參數(shù),即清洗4 min、6 min和8 min,則一共進(jìn)行了9組實(shí)驗(yàn),獲得鋁箔腐蝕面積比和鋁箔小孔分布均勻性參數(shù)共計(jì)18個(gè)數(shù)據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果原圖

第一組實(shí)驗(yàn),即清洗液溫度為35 ℃,改變清洗時(shí)間的鋁箔實(shí)驗(yàn)結(jié)果原圖如圖3。其中圖3(a)至圖3(c)對(duì)應(yīng)清洗時(shí)間4～8 min。從圖中可以看出隨著清洗時(shí)間的增加,鋁箔第二列小孔面積逐漸增大,而邊緣兩列的小孔面積無(wú)明顯變化,而且由于清洗時(shí)間較短,周圍兩列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不明顯。

圖3 35 ℃條件下改變清洗時(shí)間鋁箔實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 3 Results of the aluminum foil experiment to change the cleaning time at 35 ℃

第二組實(shí)驗(yàn),即清洗液溫度為40 ℃,改變清洗時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果原圖如圖4。與35 ℃條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,鋁箔上的腐蝕小孔面積明顯增大,但隨著清洗時(shí)間的增加,小孔分布呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性,而不是像35 ℃實(shí)驗(yàn)中小孔呈3×3矩陣式排列。清洗溫度的提高增強(qiáng)的超聲空化作用,但也在一定程度上影響了超聲空泡分布的均勻性。

圖4 40 ℃條件下改變清洗時(shí)間鋁箔實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 4 Results of the aluminum foil experiment to change the cleaning time at 40 ℃

第三組實(shí)驗(yàn),即清洗液溫度為45 ℃,改變清洗時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。與35 ℃以及40 ℃條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,45 ℃實(shí)驗(yàn)結(jié)果并未達(dá)到預(yù)期的要求。圖5(a)為清洗4 min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中僅有一處出現(xiàn)鋁箔被撕裂的情況,而圖5(b)與圖5(c)中多處小孔出現(xiàn)位置交叉的情況,這一情況導(dǎo)致了鋁箔表面出現(xiàn)單處小孔面積較大的結(jié)果,這會(huì)給小孔分布均勻性分析帶來(lái)很大的誤差。

圖5 45 ℃條件下改變清洗時(shí)間鋁箔實(shí)驗(yàn)結(jié)果原圖Figure 5 Results of the aluminum foil experiment to change the cleaning time at 45 ℃

3.2 圖像處理結(jié)果與分析

小孔分布均勻性分析35 ℃實(shí)驗(yàn)組為例,35 ℃條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的二值圖像16等分圖見(jiàn)圖6。通過(guò)計(jì)算每一幅二值圖像中的黑色像素?cái)?shù)與總像素?cái)?shù),兩者的比值即是鋁箔腐蝕面積比。圖6(a)的每個(gè)16等分小區(qū)域的總像素?cái)?shù)為31 725,而實(shí)際的區(qū)域總像素?cái)?shù)為31 894,這是由于在進(jìn)行分割圖像處理時(shí),系統(tǒng)將每個(gè)部分的交界處像素忽略導(dǎo)致的。獲得該16等分二值圖像的所有區(qū)域腐蝕面積比之后,利用1.2.2節(jié)中公式4來(lái)計(jì)算所有Ki的標(biāo)準(zhǔn)差,得該標(biāo)準(zhǔn)差為3.06%,即說(shuō)明該組實(shí)驗(yàn)中小孔分布的不均勻程度為3.06%。

圖6 35 ℃條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果二值圖像16等分圖Figure 6 Experimental results of the two-value image 16 isogram under the condition of 35 ℃

剩余各組實(shí)驗(yàn)的小孔均勻性分析過(guò)程與上述內(nèi)容相似,故不贅述。完整實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),隨著清洗時(shí)間的增加和清洗液溫度的提高,鋁箔腐蝕面積比逐漸增大,這與超聲空化作用隨著時(shí)間與溫度的增加對(duì)鋁箔的物理腐蝕程度逐漸增強(qiáng)的原理一致。同時(shí),在35 ℃與40 ℃實(shí)驗(yàn)組中,時(shí)間與溫度這兩個(gè)變量的增大使得小孔分布均勻程度逐漸變差,這主要是由于超聲清洗機(jī)內(nèi)部換能器分布不均導(dǎo)致鋁箔只在部分區(qū)域持續(xù)受到超聲空化作用,隨著時(shí)間和溫度的增加,持續(xù)受到空化作用的那些區(qū)域的小孔面積與邊緣

表1 完整實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表

區(qū)域小孔的面積差值越來(lái)越大,使得那些持續(xù)受到空化作用影響的區(qū)域的腐蝕面積比邊緣區(qū)域大,從而在計(jì)算所有區(qū)域的腐蝕面積比的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),出現(xiàn)結(jié)果較差的情況。

本文的目的是在保證鋁箔整體結(jié)構(gòu)完整的條件下,獲得鋁箔腐蝕面積比較大同時(shí)小孔分布較為均勻(在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中分布均勻性的數(shù)值越小說(shuō)明小孔分布越均勻)的超聲清洗機(jī)參數(shù)設(shè)置條件。為了更加直觀地比較不同組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,繪制了顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)的折線圖,詳見(jiàn)圖7。

根據(jù)圖7(a)所示,35 ℃實(shí)驗(yàn)組的腐蝕面積比計(jì)算結(jié)果與其余兩組差值較大,說(shuō)明該溫度條件下的清洗效果較差,而40 ℃與45 ℃實(shí)驗(yàn)組的結(jié)果相近,故最佳清洗溫度在40 ℃與45 ℃中選擇。結(jié)合圖7(b)所示,40 ℃實(shí)驗(yàn)組的曲線變化較緩,且當(dāng)清洗時(shí)間為6 min時(shí),其鋁箔腐蝕面積比為7.75%,小孔分布均勻性為7.90%,基本滿足了鋁箔腐蝕面積比較大,同時(shí)小孔分布較為均勻的要求,因此擬定在超聲頻率為45 kHz的條件下,清洗液溫度40 ℃,清洗時(shí)間6 min為最佳清洗條件。

圖7 腐蝕面積比與小孔分布均勻性變化圖Figure 7 Variation of corrosion area ratio and distribution uniformity of small holes

以該最佳清洗條件進(jìn)行了量塊的超聲清洗實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)步驟為:取3塊不同規(guī)格且符合檢定要求的量塊,用電子天平多次測(cè)量量塊質(zhì)量并取平均值獲得量塊實(shí)驗(yàn)前質(zhì)量ma。通過(guò)在量塊表面涂抹油污來(lái)模擬量塊實(shí)際使用后所處的狀態(tài),之后以該量塊進(jìn)行最佳清洗條件下的超聲清洗實(shí)驗(yàn),清洗完畢后使用脫脂棉擦去量塊表面的清洗液并使用烘干機(jī)烘干量塊,待量塊恢復(fù)到室溫之后,用同一電子天平多次測(cè)量量塊質(zhì)量并取平均值獲得清洗實(shí)驗(yàn)后量塊質(zhì)量mb。量塊清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 量塊清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

結(jié)果表明ma與mb的差值在允許范圍之內(nèi),由此可證實(shí)該超聲清洗方案符合要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于鋁箔實(shí)驗(yàn)方法,針對(duì)鋁箔表面因超聲空蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的小孔,使用圖像處理技術(shù)分析了不同實(shí)驗(yàn)條件下的鋁箔腐蝕面積比和小孔分布均勻性這兩個(gè)參數(shù),將鋁箔腐蝕面積比數(shù)值大(超聲清洗效果好),同時(shí)小孔分布均勻性數(shù)值小(超聲空泡分布較均勻)的清洗條件作為預(yù)估的最佳清洗條件,并在該條件下進(jìn)行了量塊的超聲清洗實(shí)驗(yàn)。量塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該清洗條件下超聲空化作用不會(huì)使量塊表面發(fā)生腐蝕現(xiàn)象,這為后續(xù)設(shè)計(jì)量塊的超聲自動(dòng)清洗系統(tǒng)提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。