電液耦合微噴試驗及泰勒錐的圖像檢測方法

楊 揚，趙 云,2,3

（1.常州大學 機械工程學院，常州 213016；2.嘉興學院 機電工程學院，嘉興 314000；3.嘉興職業技術學院 機電與汽車工程學院，嘉興 314000）

電液耦合微噴試驗及泰勒錐的圖像檢測方法

楊 揚1，趙 云1,2,3

（1.常州大學 機械工程學院，常州 213016；2.嘉興學院 機電工程學院，嘉興 314000；3.嘉興職業技術學院 機電與汽車工程學院，嘉興 314000）

在直流電壓作用下的電液耦合微噴印系統，考察了電壓對質量濃度7%的聚氧化乙烯溶液噴印過程的影響。試驗結果表明，對于一定的供液壓力，僅當電壓值在一定范圍內時，才可以形成正常噴射。在試驗基礎上，提出了一種應用圖像處理技術對現場泰勒錐側面輪廓進行特征尺寸檢測的方法，利用該方法計算機可以在噴印的過程中，自動測量泰勒錐的相關參數，并可望應用到電壓自動調整以及噴印過程的自動優化控制。

電液耦合動力；微噴；泰勒錐；圖像處理；尺寸檢測

0 引言

電液耦合動力（EHD，Electro-hydro dynamics）微噴的相關技術已經應用在許多領域，非常適合于生成高精度的復雜圖案，為制造精密的聚合物器件提供了切實可行的方法[1～3]。在目前微納尺度噴印技術中，基于EHD的微尺度噴印技術已被認為是最具發展前景的技術之一。但是，EHD微噴過程涉及電場、流場中的多個物理量以及工藝參數的影響，精準控制相當困難。理想的噴印要求錐射流細小且穩定，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，在試驗過程中很難對噴射到基板上的圖案進行實時的在線檢測與分析。

隨著工業攝像機硬件和圖像處理技術的發展，機器視覺技術已被廣泛用于各領域的在線監測。近年來，又由于其測量精度高、速度快、非接觸、實時性好等特點，被許多研究者用于工業產品的尺寸在線測量[7～11]。其中，文獻[7]介紹了在電紡絲成型質量的控制中，采用圖像分析的方法對噴頭出口處液滴的形狀和大小進行監測，以實現對電紡絲成型過程的實時控制。同時，由于MATLAB在圖像處理方面功能強大，已成功用于復雜機械零件的尺寸測量與分析[12,13]。

本課題就是以提高聚合物材料噴印 質量為目標，在試驗基礎上，利用機器視覺與MATALB相結合對泰勒錐側面圖像進行輪廓檢測與尺寸測量，為下一步實現微噴過程的主動控制提供技術積累。

1 電液耦合噴印原理

在EHD微噴過程中，噴嘴與基板間施加電場，在表面張力的作用下聚合物溶液在針頭處呈球狀液滴。當聚合物溶液輸送壓力一定，電場強度增加時，隨著電荷密度的不斷增加，尖端的電場力將大于表面張力，最終從泰勒錐的尖端發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 實驗裝置

構建了一個基于EHD的微噴印系統實驗裝置（如圖1所示）。以醫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(內徑為60μm)，通過塑料軟管將二者相連，精密注射泵作為供液源，通過與PC機相連的CCD可實現在線觀測。收集板放置在二維運動平臺上。高壓直流電壓的正極接噴嘴，負極接收集板并接地。

圖1 電噴印基本原理和結構示意圖

1.2 噴印實驗

以去離子水、無水乙醇的混合溶液（比例為4:1）為溶劑配成質量濃度7%的聚氧化乙烯（PEO，Mw=300,000g/貝基化學試劑）溶液。在噴嘴距離收集板2.65mm、收集板運動速度50mm/s的條件下，觀察電壓值改變對噴印過程的影響。當供液速度為0.8μL/min時，電壓值從0開始增大，至1.3kV開始產生穩定噴射（如圖2(a)所示）。此后，逐步增加電場電壓，所得到的的泰勒錐如圖2(b)、(c)、(d)、(e)所示。電壓達到4.6kV時，彎液面由凸形變為了凹形，泰勒錐消失，穩定的射流被破壞，如圖2(f)所示。

圖2 不同電壓情況下的泰勒錐（基板為運動狀態下）

泰勒錐的形成是微噴中一個相當重要的過程，并與眾多因素有關，特別是與液體壓力、電壓直接關聯。其他研究者的結果表明和本試驗結果都顯示，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，才能形成泰勒錐并保持連續噴印。當電壓過大時，泰勒錐的穩定性就會被破壞，從而變成多股射流[6,11～13]。試驗初步顯示，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 泰勒錐特征參數與圖像檢測

圖3為本試驗中所得的泰勒錐圖像（拍攝時基板處在靜止狀態）。泰勒錐的受力分析如圖4所示，圓錐面上液體的法向電場力必須與表面張力及流體內外壓差保持平衡，維持泰勒錐的穩定，當電場力發生變化時，在錐體圓弧段，表面張力就必須發生變化以平衡電場力，即錐體的表面形狀必須發生變化。既然從理論以及試驗的角度都說明泰勒錐的側面輪廓的信息反映了控制參數（電壓、輸液壓力）的綜合作用，那么通過檢測泰勒錐側面輪廓的形狀信息來控制噴印是可行的。

圖3 試驗CCD攝取的泰勒錐（基板靜止，電壓為1.5kV）

圖4 電場中的液面受力

2.1 泰勒錐特征參數

為了能夠對泰勒錐側面輪廓進行分析，就必須定義一個輪廓模型，并確定其特征參數。通過試驗觀察得知，在承接噴印材料的基板不動和連續噴印的情況下，泰勒錐的側面輪廓呈現為杯型輪廓，如圖5所示。輪廓由左右對稱的輪廓1和輪廓2組成，A、B兩點是噴管內壁的下端點（d1為噴管內直徑）。以輪廓1說明，由液滴輪廓圓弧R1、噴柱輪廓和前后者過渡圓弧r1組成。可以看出，泰勒錐輪廓內包絡了一個以A、B、C為頂點的三角形。其中，AC邊與輪廓1相切于E點，BC邊相切于F點。已知d1，測量h，就能確定該三角形。同時，為了能夠知道當前泰勒錐輪廓與其包絡的內三角形之間的差距，可以定義一個參數s來表達，即在三角形中位線上測量圓弧輪廓R1與AC的距離。噴印的線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量

1）圖像處理

圖5 泰勒錐側面圖像檢測原理圖

圖像處理的目的就是能成功識別并準確提取目標區域，以保證結果的準確性和精確性。因此，要對采集的原始圖像進行一系列預處理，保證得到邊緣清晰的泰勒錐輪廓圖像，以實現其特征尺寸的測量。

（1）圖像灰度直方圖

對灰度圖（如圖6所示）進行灰度統計，得到待測量區域的灰度直方圖（如圖7所示），灰度值主要集中在2個范圍內，背景對應的像素灰度值主要分布在90～160的范圍內，而被測量目標對應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分不十分明顯，為此，采用增強高灰度級，結果如圖8所示，椎體輪廓與背景得以有效區分，通過二值化處理的結果如圖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

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

圖8 增強灰度圖

圖9 二值化圖

圖10 填充圖

圖11 邊緣提取圖

2）特征尺寸測量

通過圖像預處理和邊界檢測，獲得了泰勒錐圖像的邊緣線。特征尺寸測量就是按照圖5所示的特征，對幾何特征進行尺寸測量。除已知的噴管的直徑d1外，需要測量三角形ABC的高h、輪廓1、2在中位線上與直線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，如果測得A、B兩點間的像素數為m，則本測量系統的像素當量Ce為60/m，以此參數來做標定，即：通過圖像特征提取得到的任何尺寸值，利用公式計算：尺寸值=該尺寸對應的像素數×Ce。

（1）三角形ABC的高h的測量。

基于泰勒錐輪廓的對稱性，為了減少計算量，以中線OD左側的輪廓1來測量。如圖5所示，輪廓1上任意一點為Pi（i為1到n的變量，n為輪廓1上所有像素點的總和）的坐標為[xi，yi]；在三角形中線上，從O點開始到

【】【】下端點D的范圍內，任意像素點為Qj（j為1到m的變量，其中m為直線OD段上所有像素點的總和）的坐標為[xO，yj]；通過賦值運算，當坐標[xi，yi]滿足(yj-yA)/(xjxA)=(yi-yA)/(xO-xA)有且僅有1個解時，可定位三角形頂點C和切點E。找到C點后，中心點到C的像素數求和，即得到h。

（2）輪廓1在中位線上與直線AC的距離s

根據C坐標定位三角形中位線，中位線左側交于點G，如同求h的算法，定位交點H，并通過兩交點的坐標關系，像素求和計算距離s。

（3）射流噴柱的直徑d2

定位兩輪廓最低點（兩點橫坐標相同），通過兩點坐標關系，像素求和計算距離d2。

3）測量結果

根據上述算法，對試驗所得的圖3圖像進行測量，可得h=42.66μm，s=12.27μm，d2= 3.04μm。

3 結論

本研究針對直流高壓作用的電液耦合微噴印系統，考察了電壓對聚氧化乙烯溶液噴印過程的影響。實驗結果表明，對質量濃度7%的聚氧化乙烯溶液，僅當電壓值一定范圍內變化時，可保證穩定噴射，電壓過低或過高，都無法實現穩定噴射。并且，泰勒錐的側面形狀隨電壓變化而變化，電壓越高，其側面弧線形狀越趨向直線，側面輪廓趨向三角形。

根據上述泰勒錐的側面形狀隨電壓變化而變化的規律，提出了一種應用圖像處理技術對泰勒錐側面輪廓進行特征檢測的方法。該方法首先定義了一個泰勒錐側面輪廓模型和3個特征參數，應用MATLAB對噴印過程中獲取的圖像進行一系列圖像處理并測量了特征參數值。初步嘗試說明，利用該機器視覺技術和圖像分析方法，可以實現對泰勒錐側面輪廓的特征檢測。

由于電液耦合微噴過程的影響因素較多，上述試驗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更加深入的理論和試驗工作。

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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

浙江省公益性技術應用研究計劃項目（2015C31069）

楊揚（1991 -），男，江蘇常州人，碩士研究生，研究方向為電流體微噴。