徐 晉， 楊鵬程， 肖 淵， 胥光申

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

智能紡織品是將傳統(tǒng)紡織品與電子信息技術(shù)相結(jié)合的新型產(chǎn)品[1]。如何制備傳統(tǒng)紡織品和電子器件連接的導(dǎo)電線路，是人們研究的焦點(diǎn)問(wèn)題[2]。目前，主要是使用植入式制造方法(導(dǎo)電纖維柔韌性要求高)和油墨印刷式制造方法(要求油墨材料質(zhì)量高)?？椢锉砻嫖⒓?xì)導(dǎo)電線路噴射打印化學(xué)沉積成形方法是一種新型的導(dǎo)電線路成形方法[3]。噴射過(guò)程中，微滴的幾何形態(tài)和到達(dá)織物表面的撞擊速度對(duì)后續(xù)其在織物表面沉積形成的導(dǎo)線質(zhì)量有著重要的影響[4]。

在微滴撞擊織物表面鋪展沉積過(guò)程中，微滴的形態(tài)特征及變化過(guò)程可以用鋪展沉積特征參數(shù)來(lái)表示[5]。微滴的直徑越大，沉積在織物上的最大鋪展因子越大，達(dá)到最大鋪展因子所需要的時(shí)間越長(zhǎng)；在一定范圍內(nèi)，微滴到達(dá)織物表面的撞擊初速度越大，微滴沉積在織物上的最大沉積鋪展因子越大，達(dá)到最大沉積鋪展因子所需要的時(shí)間越短，微滴達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)撞擊速度對(duì)微滴的沉積鋪展因子影響較小。圓度反映微滴的均勻程度，微滴的圓度系數(shù)越接近1，說(shuō)明噴出微滴的均勻程度越好，在織物表面的鋪展性越好；只有當(dāng)各個(gè)參數(shù)協(xié)調(diào)匹配時(shí)，在織物表面上才能精確沉積良好的導(dǎo)電線路。因此，對(duì)于噴射過(guò)程中微滴速度和幾何參數(shù)的檢測(cè)就顯得至關(guān)重要。

對(duì)于微滴形態(tài)的檢測(cè)，楊觀等[6]通過(guò)微熔滴圖像預(yù)處理及關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量算法，將檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于均勻液滴噴射成形過(guò)程中,得到了微熔滴直徑與激振頻率、噴射速度與噴射壓強(qiáng)、偏轉(zhuǎn)距離與充電電壓之間的關(guān)系。由于織物表面印刷電路的噴射材料為金屬鹽溶液(硝酸銀溶液和抗壞血酸)，噴射過(guò)程中溶液的形狀不固定，目前大都是通過(guò)對(duì)微滴和標(biāo)尺的拍攝直接測(cè)得微滴的直徑再計(jì)算其他參數(shù)，這種直接的測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單，但是存在測(cè)量自動(dòng)化程度低等缺陷。

視覺測(cè)量技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、靈活性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程采用高速相機(jī)，導(dǎo)致成本較高。本文將視覺測(cè)量與微滴噴射技術(shù)相結(jié)合，利用工業(yè)高速相機(jī)對(duì)微滴噴射過(guò)程進(jìn)行拍攝，提取微滴特征和微滴圖像輪廓，從而獲得微滴面積、直徑、圓度參數(shù)，根據(jù)2幀圖像間的位移量計(jì)算得到微滴的瞬時(shí)速度。

1 微滴關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量

1.1 微滴圖像采集

利用視覺測(cè)量織物表面微滴的幾何形態(tài)，通過(guò)高速相機(jī)對(duì)微滴圖像進(jìn)行拍攝，對(duì)微滴噴射過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(見圖1)。

圖1 微滴圖像采集示意圖Fig.1 Schematic diagram of droplet image acquisition

1.2 微滴檢測(cè)與圖像閾值分割

利用圖1所采集的微滴圖像，將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，對(duì)微滴圖像進(jìn)行預(yù)處理、圖像邊緣特征檢測(cè)操作，從而得到微滴的面積、速度、圓度等幾何信息。

微滴檢測(cè)選用背景差法[7]。采集連續(xù)圖像序列的前k幀，記為：F1(x，y)，F(xiàn)2(x，y)，……，F(xiàn)k(x，y)。選用圖像序列前k幀的均值為圖像的背景[8]，記為Bk(x，y)：

(1)

則圖像序列第k幀與背景差分后得到的圖像為

Ak(x,y)=Fk(x,y)-Bk(x,y)

(2)

式中，Ak(x，y)為分離后得到的第k幀圖像。

微滴圖像檢測(cè)可以通過(guò)設(shè)置閾值T來(lái)確定該點(diǎn)像素是屬于檢測(cè)目標(biāo)還是屬于背景。如果像素值的變化大于或等于T，則屬于檢測(cè)目標(biāo)；如果圖像像素值的變化小于T，則屬于背景?？梢缘玫竭\(yùn)動(dòng)目標(biāo)的近似邊緣[9-10]：

(3)

式(3)中閾值T可利用最大類間方差法(OTSU)[11]求得。假設(shè)閾值T將圖像分成2類c1和c2(目標(biāo)和背景)，c1類的灰度范圍為[T，L-1]，c2類的灰度范圍為[0，T]。設(shè)σB2(T)表示圖像灰度直方圖中閾值為T時(shí)c1和c2的類間方差，最優(yōu)閾值可以通過(guò)求σB2(T)的最大值而得到，即：

(4)

則最大類間方差計(jì)算公式為

(5)

式中：μ為圖像的平均灰度值；μ1為c1類的平均灰度值；μ2為c2類的平均灰度值；ω1為c1類占整幅圖的比例；ω2為c2類占整幅圖的比例。

根據(jù)式(5)，σB2(T)在[0，L-1]范圍內(nèi)取得最大值的T值就是圖像分割的最優(yōu)閾值。

1.3 微滴邊緣輪廓提取

微滴圖像進(jìn)行分割后就可以得到目標(biāo)圖像和背景圖像的二值圖，然后利用最優(yōu)的階梯型邊緣檢測(cè)算法[12]提取液滴邊緣輪廓，處理過(guò)程如圖2所示。

圖2 Canny邊緣檢測(cè)流程圖Fig.2 Canny edge detection flowchart

Canny算子[13]屬于適中的算子，既可以抑制噪聲，也可以邊緣定位，對(duì)于真正的弱邊緣可以有效檢測(cè)出來(lái)，對(duì)微滴輪廓的檢測(cè)效果較好。檢測(cè)時(shí)需要設(shè)置Vmin和Vmax2個(gè)閾值。當(dāng)微滴圖像的灰度梯度高于Vmax時(shí)，將其視為微滴的真實(shí)邊界，微滴圖像的灰度梯度低于Vmin時(shí)將被丟棄。如果介于二者之間，則取決于該點(diǎn)是否與真實(shí)邊界點(diǎn)相連。如果是，則視為邊界點(diǎn)；如果沒有，就丟棄。

1.4 微滴面積及直徑計(jì)算

根據(jù)Canny邊緣檢測(cè)算子對(duì)微滴邊緣輪廓檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)的微滴邊緣，可以算出單個(gè)微滴包圍的像素點(diǎn)數(shù)目。計(jì)算示意圖如圖3所示。

圖3 微滴面積計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of droplet area calculation

微滴面積包圍的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為

(6)

式中：ymin為液滴輪廓最高點(diǎn)像素位置；ymax為液滴輪廓最低點(diǎn)像素位置；xmin為液滴輪廓最左側(cè)像素點(diǎn)位置；xmax為液滴輪廓最右側(cè)像素點(diǎn)位置。

根據(jù)式(6)可以計(jì)算包圍圖形的面積,根據(jù)單個(gè)微滴包圍的像素的個(gè)數(shù)可以算出單個(gè)微滴的面積A，得到微滴的直徑：

(7)

1.5 微滴圓度計(jì)算

利用微滴周長(zhǎng)和面積的關(guān)系來(lái)反映微滴的圓度，已知目標(biāo)微滴的面積為S，周長(zhǎng)為L(zhǎng)，則微滴的圓度r為

(8)

目標(biāo)微滴的圓形程度越好，圓度r值越接近1。

1.6 微滴速度計(jì)算

利用微滴噴射過(guò)程中重心位置的位移量和圖像的幀間時(shí)間差來(lái)計(jì)算微滴的速度，如圖4所示，計(jì)算微滴每一幀的重心位置(Cx，Cy)：

(9)

式中：Cx為微滴重心的橫坐標(biāo)；Cy為微滴重心的縱坐標(biāo)；A為單個(gè)微滴面積的像素?cái)?shù)，將一個(gè)像素看成一個(gè)dA。

圖4 微滴下落速度計(jì)算示意圖Fig.4 Schematic diagram of droplet falling speed calculation

根據(jù)微滴下落過(guò)程中重心坐標(biāo)的變化量可以計(jì)算出微滴在一定時(shí)間內(nèi)的位移量：

(10)

式中：Cyj和Cyi分別表示第j幀和第i幀重心的縱坐標(biāo)；Cxj和Cxi分別表示第j幀和第i幀重心的橫坐標(biāo)。

由此可以計(jì)算出微滴的平均速度[14]：

(11)

式中，t1、t2分別為第j幀和第i幀的時(shí)間。

微滴的撞擊初速度影響微滴沉積在斜紋織物上的鋪展半徑，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所采用的是高速相機(jī)，曝光時(shí)間精度可達(dá)105級(jí)，可將微滴到達(dá)織物表面前的每幀之間的速度計(jì)算出來(lái)，然后通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到微滴到達(dá)織物表面的撞擊速度。

2 實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)裝置采用的是課題組設(shè)計(jì)的氣動(dòng)式雙噴頭微滴按需噴射系統(tǒng)，示意圖見圖5。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：噴射材料是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.25%的AgNO3溶液；噴嘴直徑為100 μm；脈沖寬度為3.54 ms；噴射頻率為1 Hz；供氣壓力為75 kPa。氣壓驅(qū)動(dòng)式液滴噴射的原理是通過(guò)電磁閥的通斷使壓縮氣體在腔內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)壓力脈沖，驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)液體從腔內(nèi)噴嘴噴出，形成均勻的液滴。通過(guò)高速相機(jī)對(duì)液滴噴射過(guò)程進(jìn)行采集，圖像采集卡將微滴圖像信息實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)存進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)；圖像檢測(cè)系統(tǒng)采用多種算法對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，計(jì)算出液滴的幾何尺寸、撞擊速度和圓度。

圖5 微滴檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of droplet detection system

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 微滴檢測(cè)結(jié)果

圖6 背景差法檢測(cè)微滴結(jié)果圖Fig.6 Result of droplet detection by background difference method.(a)Background image; (b)Target area image; (c)Threshold segmentation image

微滴邊緣檢測(cè)采用的是Canny邊緣檢測(cè)算子，在高斯平滑的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像水平方向和垂直方向分別使用2×2的卷積核進(jìn)行卷積來(lái)確定梯度幅值，需要設(shè)置2個(gè)閾值：Vmin和Vmax分別為300和445。得到微滴的邊緣圖像如圖7所示。

圖7 微滴邊緣檢測(cè)結(jié)果圖Fig.7 Droplet edge detection result graph

2.2.2 微滴速度計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)于微滴下落的平均速度可以用2幀圖像的移動(dòng)位移來(lái)計(jì)算。圖8示出采集的噴射微滴剛脫落的圖像和到達(dá)織物表面的圖像。相機(jī)的最高幀速為1.50×105幀/s，則微滴每幀經(jīng)過(guò)的時(shí)間為1/(1.50×105) s，根據(jù)圖8(a)(t=0 s)和圖8(b)(t=0.19 ms)，用式(11)計(jì)算得到微滴在此時(shí)間間隔內(nèi)的平均速度為1.60 m/s。

圖8 微滴下落圖Fig.8 Droplet drop diagram. (a) Droplet leaving nozzle; (b)Droplet reaching fabric surface

影響織物表面導(dǎo)電線路質(zhì)量的是微滴到達(dá)織物表面的撞擊速度，可將微滴到達(dá)織物表面前的每幀之間的速度計(jì)算出來(lái)，然后通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到微滴到達(dá)織物表面的撞擊速度。如圖9所示，第60幀速度出現(xiàn)突變，是因?yàn)槲⒌螄娚涑尚芜^(guò)程的主要經(jīng)歷液柱伸長(zhǎng)、液柱縮頸斷裂、微滴脫落和剩余射流縮回腔體4個(gè)階段[5]；第84～85幀速度突變是因?yàn)槲⒌蔚?4幀已經(jīng)接觸到織物表面，微滴和織物表面撞擊收縮。后續(xù)第85～86幀的速度代表了微滴到達(dá)織物表面的撞擊速度，大小為1.93 m/s。

圖9 微滴下落過(guò)程的速度變化Fig.9 Speed change of droplet falling process

單個(gè)像素的尺寸可以通過(guò)高速相機(jī)拍攝標(biāo)準(zhǔn)刻度尺的方法來(lái)測(cè)量，如圖10所示，由標(biāo)準(zhǔn)刻度和像素距離的比值可以得到相機(jī)單個(gè)像素點(diǎn)的長(zhǎng)度為3.13 μm。

圖10 像素尺寸和實(shí)際尺寸轉(zhuǎn)換示意圖Fig.10 Schematic diagram of pixel size and actual size conversion

2.2.3 微滴面積、直徑計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)式(6)可計(jì)算求得所檢測(cè)單個(gè)微滴輪廓包圍的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，微滴輪廓如圖7所示，微滴輪廓為單像素。根據(jù)微滴上下左右端點(diǎn)的像素坐標(biāo)可以求得單個(gè)微滴的直徑，利用端點(diǎn)求得的直徑計(jì)算單個(gè)微滴的面積，二者比較如圖11所示?？梢钥闯觯眠吘墮z測(cè)所求得的單個(gè)微滴的包圍面積和利用直徑所求得的面積之間存在誤差，產(chǎn)生這種誤差是因?yàn)槲⒌卧谙侣溥^(guò)程中的形態(tài)具有不確定性，通過(guò)直徑計(jì)算面積的過(guò)程實(shí)際上是將下落微滴看作一個(gè)規(guī)則的圓形來(lái)計(jì)算，事實(shí)上微滴下落過(guò)程形態(tài)是不規(guī)則的，所以和通過(guò)計(jì)量像素點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì)算的面積和通過(guò)直徑計(jì)算的面積存在誤差，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，采用計(jì)量像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算微滴面積大小。

圖11 微滴下落過(guò)程中面積的變化Fig.11 Change of area during droplet falling

根據(jù)已知像素尺寸、單個(gè)微滴的面積可以得到微滴下落過(guò)程中直徑的變化在238～260 μm之間，直接測(cè)量得到的單個(gè)微滴直徑也在這個(gè)范圍之內(nèi)，二者變化如圖12所示，誤差不超過(guò)3 μm，不超過(guò)1個(gè)像素點(diǎn)。

圖12 微滴下落過(guò)程中直徑的變化Fig.12 Diagram of change in diameter of droplet during its fall

2.2.4 微滴圓度計(jì)算結(jié)果分析

單個(gè)微滴的圓度可以通過(guò)微滴面積和直徑的關(guān)系來(lái)衡量，根據(jù)式(8)可以求得單個(gè)微滴的圓度r，如圖13所示。可以看出，在微滴下落過(guò)程中圓度均大于0.85。

圖13 微滴下落過(guò)程中圓度的變化Fig.13 Change of roundness during droplet falling

整個(gè)計(jì)算過(guò)程總耗時(shí)在0.1 ms以內(nèi)，計(jì)算消耗時(shí)間短，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。實(shí)時(shí)測(cè)量可為后續(xù)進(jìn)一步對(duì)整個(gè)微滴噴射系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)和反饋調(diào)節(jié)研究提供必要監(jiān)測(cè)手段。

3 結(jié) 論

本文采用視覺測(cè)量的方法對(duì)織物表面噴射微滴進(jìn)行測(cè)量，構(gòu)建了微滴噴射過(guò)程圖像采集系統(tǒng)，可對(duì)按需噴射系統(tǒng)產(chǎn)生微滴的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行圖像采集。對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理和分析，計(jì)算得到了微滴面積、直徑、圓度、速度等關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算精度達(dá)到像素級(jí)別。

整個(gè)測(cè)量過(guò)程耗時(shí)短，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微滴在噴射過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)的變化，為下一步通過(guò)借助外部因素對(duì)識(shí)別不合格的微滴及時(shí)進(jìn)行調(diào)制和去除提供基礎(chǔ)，本文研究為后續(xù)在織物表面打印高質(zhì)量導(dǎo)電線路提供了保障。