《武汉工程大学学报》 2015年01期
64-66
出版日期：2015-01-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
镀层厚度的自动测定
对于强化新零部件表面修饰,修复设备失效零部件等方面,表面工程强化有两种处理方法. 其中,喷涂、电刷镀、电镀、堆焊和表面黏涂［１-２］都是表面涂覆的常用技术. 覆层的厚度对零件的质量有很大的影响,覆层太薄会影响材料的表面性能，从而使表面处理达不到理想的结果；覆层太厚会影响覆层的结合强度以及内应力过大,且会造成实验材料资源的浪费；覆层厚薄不均会使材料表面在工作时受力不平衡，从而减少材料的使用寿命. 考虑到产品设计时的配合公差,方便更换零件,在对零部件进行表面处理时，要确保处理后的零部件尺寸与原来的标准设计尺寸一致［３］. 在采用覆层技术对零部件表面进行处理时,电镀层厚度的准确检测至关重要. 零部件的耐蚀性和导电性与电镀层厚度有直接的关系,从而很大程度上直接影响产品的可靠性和使用寿命. 衡量电镀层质量的指标有很多,其中电镀层厚度是重要指标之一. 采取不同的方法对电镀层厚度进行测量是十分必要的. 测定电镀层的方法很多,大体上可以分为两类,无损法和破坏法. 目前应用比较广泛的一种不需要破坏电镀层表面的测量方法,称作无损法,无损法包括重量法、磁性法等. 现今无损法已经发展的相对成熟,均有成型的仪器设备,使用简单方便. 还有一种操作相对繁琐,适用于实验室的方法称作破坏法,这种方法会损坏电镀层表面,因此不经常使用. 破坏法包括溶解法、液流法、点滴法等. 文中采用一种无需画测量线,结合金相显微镜和计算机图像处理的方法实现电镀层断面厚度的自动测量. １ 断面金相显微镜法简介 采用金相显微镜测量电镀层厚度的方法,需要得到电镀层横断面,首先采用制备金相试样的方法得到所需的横断面,然后利用金相显微镜直接测量电镀层的局部厚度和平均厚度. 这种方法适用于测量２ ?滋ｍ以上的各种金属镀层和化学保护层厚度. 当电镀层厚度大于８ ?滋ｍ时,这时候测量误差达到±10%,因此只能够作为参考. 对于电镀层厚度大于２５ ?滋ｍ时,使误差降到５％ 内. 也可测量薄镀层,精确到±8%. 使用这一方法时,镀层厚度的测量误差一般是随放大倍数的减小而增大的. 所以选取放大倍数通常应使视场直径为尺寸镀层厚度的１．５～３倍［４］. 在同一位置上,每次测量时应该在同一位置测量不少于3次计算平均值.如果要得到平均厚度，则应在试样上不同位置选取5个点测量，然后取平均值. ２ 镀层断面厚度的计算机测定原理及实现 现在有的软件如ＶＮＴ ＱｕａｎｔＬａｂ,提供了自动和交互式相结合的渗层深度测量工具,可完成各类 渗层、镀层深度测量,但是价格昂贵. 文中根据图像学原理开发了镀层断面厚度测量软件. 现简单介绍其原理及实现. 图像的边缘提取和图像分割的目的是得到图像中感兴趣的部分,也称作目标,经过这两步,得到的是若干区域和边界,其余未识别部分称为背景. 得到的目标是测量的对象，让计算机来识别这些目标才能实现测量功能. 为实现这一点,需要提供这些目标的有用性质或特征，描述它们之间的相互关系.形状和结构分析指的是用计算机图像处理和分析系统对目标提取形状特征的过程. 根据镀层的特点,这里使用图像的统计方法为投影法. 投影量是沿着图像某个方向截面的灰度值累加计算量的集合,投影的示意图如图１所示. 根据图２中镀层的厚度方向,可计算垂直投影量. 图像函数为｛ｆ（ｘ,ｙ）｝, ｓ为投影方向, ｔ为与其垂直的方向,ｔ与Ｘ轴夹角为θ,则｛ｆ（ｘ,ｙ）｝沿着ｓ的投影定义为［５］： p（t,θ）＝■f（tcosθ-ssinθ,tsinθ+scosθ）ds 特别地,在Ｘ轴上的投影定义为 px＝p（t,0）=■f(t,s)ds=■f(x,y)dy, 在Ｙ轴上的投影定义为 py＝p（t,?仔/2）=■f(-s,t)ds=■f(x,y)dx 图１ 投影示意图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ 从图１可以看到,当θ＝０,９０°时计算简单些. 因此在采集图像时,可调整试样位置以便让镀层边缘与图像边缘垂直或平行,这样后期计算可以简单些. 采用金相显微镜作为图像的采集工具,图像相对于实物的放大倍数为４００,采集的图像如图２所示. 因为采集的图像通常是彩色的,而彩色图像处理起来占用的数据空间较大,处理速度也较慢,因此为简化计算,首先将彩色图像转换为灰度图像,再转换为黑白图像,即将图像黑白二值化,如图３所示. 这样可以设黑色点的灰度值为１,白色点的灰度值为０. 图２ 镀层显微图像 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｉｍａｇｅ 图３ 镀层黑白图像 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｂｌａｃｋ－ａｎｄ－ｗｈｉｔｅ ｉｍａｇｅ 由图３可以看到基体材料区域纹理以黑色为主,镀层材料区域以白色为主. 根据这一特点,运用ＭATLAB软件,统计每一个Ｘ值所对应的Ｙ轴方向上黑点的个数,这里的个数指的是像素点的个数,再将像素点个数乘以每个像素点代表的实际长度,得到电镀层断面的实际长度. 通过统计计算黑点在Ｘ轴上的投影量,由图４可以看到,投影量曲线有明显的凹谷,此凹谷对应的区域即是镀层材料区域. 取凹谷的两端点之间的距离即是镀层断面厚度. 另外,从投影量微分曲线可以更清楚地看到,在镀层的断面处微分值有突变. 由于投影本身就是一统计量,它表示了视场内镀层区域边缘点的位置情况,因此不需要多次测量. 图４ 黑白图像在Ｘ轴上的投影量曲线及其微分曲线 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｃｋ－ａｎｄ－ｗｈｉｔｅ ｉｍａｇｅ ｏｎ Ｘ－ａｘｉｓ 注：系列１—投影量曲线 系列２—微分曲线 由图４可以得到,凹谷对应的区域像素点个数为１８０,根据给定的标尺０．１４４ ｍｍ,得到放大之后的厚度为２６ ｍｍ,除以放大倍数４００,这样计算得到镀层断面厚度为６５ ?滋ｍ. 为了验证上述测量方法的准确性,采用在不镀层断面上画测量线求厚度值. 由图３可以看到,电镀层断面的两条边界接近平行直线,因此,在不同位置测量求平均值的方法是可行的. 从上到下依次取5条直线ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ,测量示意图如图５所示,测量结果如表１所示. 图５ 测量示意图 Ｆｉｇ．５ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｉａｇｒａｍ 表1 测量结果 Table 1 Measurement results 由表１可以看出测量结果为２５．７４７ ｍｍ,图片放大倍数为４００倍,最后求得电镀层断面厚度为６４．３６８ ?滋ｍ. 两次测量结果相近,把后一种测量结果当做真值,前一种测量结果当做测量值,计算相对误差为０．９８％. 说明了文中提出的电镀层断面厚度自动测定方法是可行的. ３ 结 语 在图像处理的基础上提出的电镀层断面厚度的计算机自动测定方法,通过统计图像上黑点在水平轴上的投影量,得到投影量曲线,再将曲线中凹谷对应区域像素点转换成实际长度,即得电镀层厚度的真实值. 投影法的优点在于不需要画测量线求取平均值,只需要一次测量即可. 既不会破坏材料本身,操作起来简单易行,也不需要现有昂贵的测量软件,仅运用例如ＭＡＴＬＡＢ等基本图像处理软件就可实现测量的目的. 致 谢 感谢２０１２年地方高校国家级大学生创新创业训练计划（２０１２１０４９００１９）对本研究的资助