一种基于机器视觉的PVA薄膜应力检测方法及系统与流程
- 国知局
- 2024-12-06 12:52:57
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本发明属于薄膜应力检测,具体涉及一种基于机器视觉的pva薄膜应力检测方法及系统。
背景技术:
1、聚乙烯醇(pva)薄膜因其水溶性、优良的机械性能和生物降解性,在包装、医用材料、光学应用和水处理等领域都有广泛应用。薄膜沉积是个非平衡过程,沉积原子并不完全处于平衡状态,这意味着薄膜处于应力状态。通常,张应力会引起薄膜开裂或者限制薄膜有效厚度,压应力会造成薄膜的褶皱、起泡和脱落现象。由此可见,薄膜应力是引起薄膜失效的重要原因。
2、目前薄膜应力测试中,常用的有x射线法、raman光谱法、基片曲率法等等。但是在实际测量中,需要考虑薄膜的材料特性选择测试方法,应力检测的过程中可能对薄膜造成损伤,且应力检测实时性较差,同时由于pva薄膜在不同热处理条件下的结晶度不同,而结晶度会直接影响薄膜的应力,测试过程中并无法关联到结晶度等影响因子,检测结果可靠性较差。
3、因此,亟需提出一种基于机器视觉的pva薄膜应力检测方法及系统,能够实现非接触、高效、准确的进行薄膜的应力检测。
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种基于机器视觉的pva薄膜应力检测方法及系统,通过搭建同时进行薄膜厚度测试和基底曲率测试的测试平台,提高了检测的实时性和高效性,通过机器视觉对采集测试图像并进行图像处理,避免了传统接触式测量可能对样品造成的物理损伤,实现样品厚度和基底曲率变化量的精确测量,提高了应力计算的准确性。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
3、本公开的第一方面提供了一种基于机器视觉的pva薄膜应力检测方法,包括以下步骤:
4、搭建测试平台:测试平台包括曲率测试组件、厚度测试组件和载物台,将测试样品放置在载物台上,根据测试需求分别设置测试组件的组成结构;
5、基底曲率测量:通过厚度测试组件测量样品厚度,通过曲率测试组件测试基底曲率,获取样品厚度和基底曲率变化量;
6、应力计算:基于测试中对pva薄膜的热处理,对stoney公式进行修正,将测试的基底曲率变化量输入修正后的stoney公式计算应力;
7、所述基底曲率测量,包括以下步骤:
8、测量样品厚度:通过厚度测试组件采用透射式光密度法测量样品厚度,启动厚度测试组件分别获取放置样品前后的入射、出射灰度图像,计算测试样品的透射光密度值;然后再用比尔朗伯定律将光密度值转化为样品厚度;
9、测试样品曲率:通过曲率测试组件采用基底曲率法测试基底曲率,启动曲率测试组件捕捉反射光信号,收集并记录反射信号,得到相邻光斑之间的距离,转化为基底曲率变化量。
10、进一步地,所述曲率测试组件包括激光器、标准具、偏振器和第一相机,将第一相机对准激光器的反射区域,调整第一相机的焦距和角度;
11、所述厚度测试组件包括散射面光源、乳白玻璃扩散板和第二相机,待测薄膜设置于第二相机和散射面光源之间,待测薄膜成型于玻璃基底上。
12、进一步地,所述pva薄膜应力检测方法,还包括步骤:
13、制备测试样品:选择玻璃基底,取定量pva溶液于干净的玻璃基底上,通过控制低速匀胶机使得pva溶液均匀的涂布在玻璃基底的表面,并使溶液中的水分完全挥发,薄膜成型后放置在硅胶保干器中;
14、使用梯度升温炉选择pva薄膜测试所需的温度和时间条件对pva薄膜进行热处理,获取最终的测试样品。
15、进一步地,所述测量样品厚度,包括以下步骤:
16、确定pva薄膜的消光系数:通过采用接触式测量仪器测量待测薄膜样品不同区域的厚度,通过将不同厚度的薄膜样品置于测试平台,通过ccd相机采集放置样品前后的入射、出射灰度值,计算光密度值,根据测量和计算的厚度-光密度值点绘制的曲线斜率为消光系数;
17、计算透射光密度值:通过对放置样品前后的入射、出射灰度图像进行预处理,计算光密度值:
18、在不放置样品的情况下,捕捉入射光强度的分布图像,将待测薄膜样品放置在光源与相机之间,再次捕捉透过样品后的光强度分布图像;
19、对采集到的图像进行去噪处理,通过直方图均衡化使得入射和出射灰度图像具有相同的动态范围,对入射图像和出射图像中的每个像素,计算其灰度值,并对灰度值进行归一化处理;
20、获取样品厚度值:根据比尔朗伯定律,计算样品厚度。
21、进一步地,所述计算光密度值d,公式如下:
22、;
23、式中,为未放置薄膜的灰度值,为放置薄膜的灰度值;
24、所述样品厚度 d的计算公式为:
25、;
26、式中, a为消光系数。
27、进一步地,所述测试样品曲率,包括以下步骤:
28、采集图像数据:首先在沉积pva薄膜之前,采集反射光信号数据图像,然后通过采用制备的测试样品,使用ccd相机采集反射光信号的数据图像;
29、图像处理:通过图像预处理,对光斑进行检测,获取基底沉积pva薄膜前和沉积pva薄膜后的反射光信号相邻光斑距离;
30、计算基底曲率变化量:通过相邻质心的距离表示相邻光斑的距离,从而得到相邻光斑距离的初始值以及变化量,计算基底曲率变化量:
31、;
32、式中,是相邻光斑距离的初始值,是相邻光斑距离的变化量,是光源入射角,l是基底与相机之间的距离。
33、进一步地,所述图像处理,包括以下步骤:
34、将图像转换为灰度图,使用高斯滤波器对图像进行平滑处理,通过形态学操作增强光斑区域的边缘;
35、选择canny边缘检测算法,计算图像每个像素的梯度强度和方向,将梯度图像中的非最大值抑制;使用双阈值检测将边缘分为强边缘、弱边缘和非边缘,然后连接所有弱边缘到强边缘,形成完整的边缘;
36、将得到的二值化图形进行遍历,找出所有独立的白色像素连通区域,并将它们表示为轮廓,对于每个轮廓,计算它的空间矩;
37、利用计算得到的矩,质心的坐标通过一阶矩与零阶矩的比值获取,具体的,质心的x坐标通过轮廓x方向一阶矩除以轮廓的零阶矩得到,质心的y坐标通过轮廓y方向一阶矩除以轮廓的零阶矩得到。
38、进一步地,所述应力计算,包括以下步骤:
39、设薄膜的热膨胀系数为,基底的热膨胀系数为,温度变化量为δ t,则薄膜与基底的热膨胀系数差异产生的热应力表示为:
40、;
41、式中,为pva薄膜的杨氏模量,和分别为pva薄膜和基底的热膨胀系数,为温度变化量,为pva薄膜的泊松比;
42、将获取的基底曲率变化量输入修正后的stoney公式计算应力,修正后的stoney公式表示为:
43、+;
44、式中,为薄膜的应力,为基底的杨氏模量,为基底的厚度,为基底曲率变化量,为基底的泊松比,为pva薄膜的厚度。
45、本公开的第二方面提供了一种基于机器视觉的pva薄膜应力检测系统,应用于如上所述的一种基于机器视觉的pva薄膜应力检测方法,包括样品制备模块、样品测试模块、机器视觉模块和应力计算模块;
46、所述样品制备模块,用于制备pva薄膜,包括旋涂、干燥和热处理,获取测试预定结晶度的pva薄膜;
47、获取测试预定结晶度的pva薄膜,通过采用x射线粉末衍射仪测定pva薄膜xrd谱图,并采用非晶标准样法计算出相应的结晶度,从而得出获取预定结晶度的热处理温度和时间;
48、所述样品测试模块,用于搭建测试平台,分别获取pva薄膜的透射光密度值和基底曲率的变化量,实现pva薄膜的厚度和样品旋涂前后的基底曲率变化量测量;
49、所述测试平台包括曲率测试组件、厚度测试组件和载物台,其中厚度测试组件通过获取样品放置前后的入射和出射灰度图像计算透射光密度值,再采用比尔朗伯定律将光密度值转化为样品厚度;曲率测试组件通过获取样品放置前后的相邻光斑距离计算基底曲率变化量。
50、作为本发明的一种优选技术方案,所述机器视觉模块,用于通过ccd相机采集pva薄膜制备前后入射、出射灰度图像和样品放置前后的反射信号光斑图像,并对获取的图像数据进行预处理;
51、其中入射和出射灰度图像的预处理,通过对多幅图像进行均值化去噪,并通过直方图均衡化,计算图像中每个像素的灰度值;
52、反射信号光斑图像的预处理,将图像转换为灰度图,使用高斯滤波器对图像进行平滑处理,并通过形态学操作增强光斑区域的边缘,进行边缘检测提取光斑轮廓求取相邻光斑之间的间距;
53、所述机器视觉模块,还用于光密度测量前,对厚度测量系统进行标定,包括以下步骤:
54、暗噪声采集与分析:在完全黑暗的条件下进行测试,在完全相同的条件下采集多幅暗噪声图像;对所有采集的暗噪声图像进行平均处理,得到暗噪声的均值图像;对暗噪声图像进行方差计算,得到暗噪声的方差图;
55、入射光灰度标定:准备多个已知光密度的标准光源,对于每一个标准光源,采集多幅图像;从每幅标准光源图像中减去得到的暗噪声均值图,得到净光灰度图像;对每一个标准光源的多幅净光灰度图像进行平均处理,得到平均光灰度值;根据已知的标准光源光密度值和测量得到的平均光灰度值,建立光密度与灰度值之间的标定曲线;
56、系统响应校正:利用光密度-灰度曲线,校正系统的非线性响应,评估在小信号情况下暗噪声对测量精度的影响;
57、所述应力计算模块,用于通过测试获取的pva薄膜厚度和基底的曲率变化采用修正后的stoney公式计算应力,并建立应力厚度积随薄膜厚度的变化曲线,得到pva薄膜结晶度、厚度相关联的应力检测值。
58、本发明的有益效果为:
59、本发明首先根据pva薄膜的特性制备符合应力测试要求的测试样品,然后搭建同时进行薄膜厚度测试和基底曲率测试的测试平台,通过机器视觉对采集测试图像并进行图像处理,获取样品厚度和基底曲率变化量,从而通过stoney公式计算薄膜应力;在测试过程中,同时进行薄膜厚度的测量和基底曲率的测量,提高了曲率和厚度测量的效率,在相同环境条件下测量确保了数据的一致性,提高了应力计算的准确性。
60、本发明在制备测试样品时,对pva薄膜进行热处理控制薄膜的结晶度,从而将pva薄膜的结晶度关联到薄膜应力测试中,相应的由于薄膜与基底的热膨胀系数差异,通过热处理产生了热应力,通过考虑热膨胀系数的差异修正stoney公式,反映了更真实的应力状态,提高了应力计算的准确性;同时在光密度测量前对厚度测量系统进行标定,对各像素进行统一的校正,将其与标定值匹配起来,从而有效减少暗噪声对光密度测量的影响,提高厚度测量的精度和可靠性。
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