潘保國(guó)，汪衛(wèi)華,，儲(chǔ)德林，王 鵬

計(jì)算機(jī)科學(xué)與自動(dòng)化技術(shù)

基于橢圓檢測(cè)的液態(tài)PbLi與RAFM鋼的潤(rùn)濕角的快速測(cè)算

潘保國(guó)1，汪衛(wèi)華1,2，儲(chǔ)德林2，王 鵬1

（1. 陸軍炮兵防空兵學(xué)院 基礎(chǔ)部，安徽 合肥 230031；2. 安徽大學(xué) 物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院，安徽 合肥 230039）

在惰性氣體保護(hù)下，利用高溫靜態(tài)座滴法測(cè)量并采用基于弧支撐線段的橢圓檢測(cè)方法計(jì)算液態(tài)PbLi在RAFM鋼表面的潤(rùn)滑角，得到在255～425 ℃間不同溫度時(shí)液態(tài)PbLi在RAFM鋼表面的潤(rùn)濕角均超過98°。由于不需要人工選擇邊界點(diǎn)，該橢圓檢測(cè)方法與橢圓擬合相比，速度更快，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的快速測(cè)算。

霍夫變換；橢圓檢測(cè)；液態(tài)PbLi；RAFM鋼；潤(rùn)濕角

在核聚變反應(yīng)堆中，包層是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件[1]，目前受到國(guó)際上普遍關(guān)注的、最有發(fā)展?jié)摿Φ木圩兌寻鼘邮且簯B(tài)金屬包層，而液態(tài)金屬與結(jié)構(gòu)材料之間的潤(rùn)濕性能關(guān)系到熱交換的效率以及結(jié)構(gòu)材料的抗等離子體輻照，進(jìn)而決定反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的服役壽命。在材料科學(xué)中，金屬的液態(tài)與固態(tài)兩相之間的潤(rùn)濕性能是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的研究，屬于基本物理化學(xué)性質(zhì)，是反映固液界面潤(rùn)濕性能大小的重要參數(shù)，對(duì)焊接、冶煉、鑄造、粉末冶金等過程都具有重要意義。

圖1 潤(rùn)濕角示意圖

如圖1所示，當(dāng)液滴在固體基座表面上達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，夾角即為潤(rùn)濕角。通過對(duì)潤(rùn)濕角的研究，可以獲得固、液、氣分子互相作用的諸多信息，如表面潤(rùn)濕性、表面粗糙度、固液界面張力等[2-4]。

低活化馬氏體鋼（Reduced Activation Ferritic/ Martensitic Steel，RAFM鋼）是聚變反應(yīng)堆環(huán)境中優(yōu)先考慮的重要候選材料，本文采用高溫靜態(tài)座滴法測(cè)算液態(tài)PbLi[5]在RAFM鋼表面潤(rùn)濕角。

目前潤(rùn)濕角測(cè)量技術(shù)以實(shí)驗(yàn)研究為主，主要分為角度測(cè)量法、力測(cè)量法、長(zhǎng)度測(cè)量法和透射測(cè)量法，但以上方法都存在測(cè)量裝置復(fù)雜、人為操作因素影響較大等缺點(diǎn)。因此，近年的文獻(xiàn)較多地采用拍攝液滴在基座表面的靜態(tài)數(shù)字圖片，然后采用數(shù)字圖像處理技術(shù)測(cè)算出液滴在基座表面的潤(rùn)濕角。王曉輝等人[6]采用了多項(xiàng)式擬合的方法計(jì)算潤(rùn)濕角，多項(xiàng)式擬合中液滴輪廓曲線點(diǎn)數(shù)選取的多少，以及多項(xiàng)式階數(shù)的選取都會(huì)對(duì)最終計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。徐志鈕等人[7]使用橢圓擬合方法可以更加有效地利用液滴邊界點(diǎn)信息，其擬合的結(jié)果要比多項(xiàng)式擬合的結(jié)果更加穩(wěn)定。但在使用橢圓擬合時(shí)必須依靠人工選取液滴的輪廓曲線并刪除其它無關(guān)的點(diǎn)線。這種采取人工干預(yù)的方法將會(huì)增加主觀因素造成的誤差。

本文首先將獲得的數(shù)字圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，使用霍夫變換定位底座表面所在的直線，計(jì)算出該直線方程。然后利用橢圓檢測(cè)的方法定位液滴輪廓所在的橢圓曲線，并計(jì)算出該橢圓曲線方程。最后依據(jù)底座表面直線方程和輪廓曲線的橢圓方程，計(jì)算出底座直線與輪廓曲線的交點(diǎn)，在交點(diǎn)處計(jì)算該橢圓切線的斜率，得到潤(rùn)濕角。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

如圖2所示，將平板加熱盤①置于手套箱②內(nèi)放置平穩(wěn)，利用水平儀將其保持水平，連接好電源。將RAFM鋼板③置于平板加熱盤上中心位置，連接好溫度測(cè)試儀的溫度探頭。將PbLi連同包裝以及處于敞開狀態(tài)的石英罩置于手套箱內(nèi)。連接好真空泵抽氣管道④、保護(hù)氣體進(jìn)氣管道⑤。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

啟動(dòng)真空泵抽真空，在手套箱內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小到2 Pa左右時(shí)，充入高純氬氣（99.999%），并重復(fù)1次。借助手套箱的手套打開PbLi貯存裝置，取出PbLi顆粒⑥置于RAFM鋼上，然后關(guān)閉PbLi貯存裝置，罩上石英罩⑦。

打開平板加熱盤電源，對(duì)PbLi合金進(jìn)行加熱使其熔化，分別在255 ℃、280 ℃、306 ℃、332 ℃、357 ℃、380 ℃、395 ℃、411 ℃、425 ℃時(shí)，使用可變焦CCD相機(jī)近距離拍攝液滴圖片，并以RAW圖片格式保存。

1.2 潤(rùn)濕角的計(jì)算

圖像在成像時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的失真、相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及在傳輸過程中的噪聲污染等原因，都會(huì)造成圖像的某些降質(zhì)，這給分析測(cè)算潤(rùn)濕角帶來困難，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行處理，將圖像中感興趣的特征即液滴邊界進(jìn)行突出，而衰減其它信息。采取的步驟如圖3所示。

圖3 圖像處理及潤(rùn)濕角測(cè)算步驟

(a)原始圖像(b)圖像銳化(c)灰度圖像(d)閾值轉(zhuǎn)換

中值濾波是一種非線性平滑技術(shù)，一般采用一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，將窗口中各點(diǎn)的灰度值的中值來代替指定點(diǎn)（一般是該窗口的中心點(diǎn)）的灰度值。以255 ℃時(shí)的PbLi液滴在RAFM鋼表面的潤(rùn)濕角圖片（大小為138×78像素）為例，中值濾波處理圖像的關(guān)鍵步驟結(jié)果如圖4所示。

提取輪廓的算法就是掏空內(nèi)部點(diǎn)：如果原圖中有一點(diǎn)為黑（或白），且它的8個(gè)相鄰點(diǎn)都是同色時(shí)（即該點(diǎn)是內(nèi)部點(diǎn)），則將該點(diǎn)刪除。

輪廓提取的結(jié)果如圖5所示。

圖5 液滴輪廓曲線

霍夫變換是在一個(gè)參數(shù)空間中通過計(jì)算累計(jì)結(jié)果的局部最大值，得到一個(gè)符合某種幾何形狀的集合作為霍夫變換的結(jié)果。

圖6 基于霍夫變換的直線檢測(cè)結(jié)果

圖7 基于弧支撐線段的橢圓檢測(cè)結(jié)果

2 結(jié)果與討論

采用前述的實(shí)驗(yàn)方法，分別在熔化的PbLi液滴被加熱至255 ℃、280 ℃、306 ℃、332 ℃、357 ℃、380 ℃、395 ℃、411 ℃、425 ℃時(shí)采集液滴圖片，并分別對(duì)這些圖像進(jìn)行處理、分析和測(cè)算，最后計(jì)算可得在上述各溫度時(shí)，基于霍夫變換和橢圓檢測(cè)計(jì)算后所得的潤(rùn)濕角結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基于橢圓檢測(cè)計(jì)算所得潤(rùn)濕角

由表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知在255 ℃～425 ℃下，液態(tài)PbLi合金與RAFM鋼的潤(rùn)濕角均大于98°，潤(rùn)濕性能較差。

在圖8中，小方框表示原始的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛線表示對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合所得的結(jié)果。使用Matlab軟件中的corrcoef函數(shù)計(jì)算出潤(rùn)濕角與溫度之間的相關(guān)系數(shù)為-0.446 3，負(fù)相關(guān)表示潤(rùn)濕角隨著溫度的升高而減小，與圖8中擬合結(jié)果一致。這是因?yàn)?，隨著環(huán)境溫度的升高，液相中的分子間作用力增大，表面張力減小，潤(rùn)濕性增大，從而導(dǎo)致潤(rùn)濕角減小[10-11]。

圖8 潤(rùn)濕角與溫度的關(guān)系圖

3 結(jié)論

采用基于弧支撐線段的橢圓檢測(cè)方法定位液態(tài)PbLi合金在RAFM鋼表面的液滴輪廓，得到它在255～425 ℃下的潤(rùn)濕角均大于98°。該方法不需要人為選取輪廓點(diǎn)，減少了由此產(chǎn)生的誤差，且具有重現(xiàn)性好、檢測(cè)速度快、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。

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Rapid Measurement of Wetting Angle of Molten PbLi on RAFM Steel Surfaces Based on Ellipse Detection

PAN Bao-guo1, WANG Wei-hua1,2, CHU De-lin2, WANG Peng1

(1. Department of Basic Course, Army Academy of Artillery and Air Defense, Hefei 230031, China; 2. Institutes of Physical Science and Information Technology, Anhui University, Hefei 230039, China)

Under the protection of inert gas, the wetting angle of liquid PBLI on the surface of RAFM steel was measured by the high-temperature static seat drop method and calculated by the ellipse detection method based on the arc support line segment. It was obtained that the wetting angle of liquid PBLI on the surface of rafm steel exceeded 98° at different temperatures from 255 ℃ to 425 ℃. Compared with ellipse fitting, this ellipse detection method can reduce the cost and error because there is no need to manually select the boundary points and the speed is faster. Based on this, the fast calculation of experimental results can be realized by programming.

Hough transform; ellipse detection; liquid PbLi; RAFM steel; wetting angle

TP391.41

A

1009-9115(2022)03-0059-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2022.03.016

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51576208）

2021-08-11

2021-12-13

潘保國(guó)（1977-），男，安徽懷寧人，碩士，副教授，研究方向?yàn)榭茖W(xué)計(jì)算與可視化。

（責(zé)任編輯、校對(duì)：田敬軍）